CN110417051A - 一种光伏***中光伏模块的故障容错方法 - Google Patents

一种光伏***中光伏模块的故障容错方法 Download PDF

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张勇
陆玲霞
夏杨红
于淼
韦巍
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Abstract

本发明涉及一种光伏***中光伏模块的故障容错方法，该方法通过改进拓扑将光伏模块和故障线路隔离从而实现故障容错；改进拓扑具体为：将第i(i＝1，2…m)个光伏模块输出端的正极和负极分别连接第i(i＝1，2…m)个Buck‑Boost变流器的输入端正极和负极，第i个Buck‑Boost变流器的输出端正极连接第(i‑1)个Buck‑Boost变流器的输出端负极，输出端负极连接第(i+1)个Buck‑Boost变流器的输出端正极。所述光伏***由n列光伏模块并联，每列中m个光伏模块串联组成；所述光伏***直接通过三相逆变器并网。本发明能够提高光伏***对阴影遮挡问题，光伏模块短路问题和光伏模块接地问题的容错能力，有效解决阴影遮挡和光伏模块短路带来的输出功率大幅下降和***失稳问题。

Description

一种光伏***中光伏模块的故障容错方法
技术领域
本发明涉及属于新能源领域中的光伏***故障容错技术，尤其涉及一种光伏***中光伏 模块的故障容错方法。
背景技术
太阳能发电技术可以将可再生太阳能源源不断地转化为电能，汇集到微电网中，进而有 效地缓解能源危机问题。近年来光伏发电规模发展十分迅速，据国家能源局统计数据显示， 我国2017年光伏发电累计装机达到130.25GW。
但是光伏***由于其面积大，接地近，线路串并联复杂以及长期处于户外天气等因素， 使得光伏模块容易出现短路故障和接地故障，此外还会受到来自树木、建筑物和其他交错光 伏面板的遮挡问题。这些问题既降低了光伏发电机的输出功率，同时也会降低光伏***的稳 定性，此外也给故障检修工作人员带来很大的排查困难。目前的光伏***故障检测技术，主 要基于热成像，对地电容检测，以及智能算法等，但这些方法或者价格昂贵，或者过于复杂， 不能应用实际工程，因此提高光伏模块***的故障容错能力非常关键。
发明内容
本发明的目的是针对光伏***中的阴影遮挡问题、光伏模块短路问题以及光伏模块接地 问题，提供一种光伏***中光伏模块的故障容错方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：
一种光伏***中光伏模块的故障容错方法，该方法通过改进拓扑将光伏模块和故障线路 隔离使得各光伏模块独立工作，从而实现故障容错；改进拓扑具体为：将第i(i＝1，2…m)个 光伏模块输出端的正极分别连接第i(i＝1，2…m)个Buck-Boost变流器输入端的正极，第i(i＝1， 2…m)个光伏模块输出端的负极连接第i(i＝1，2…m)个Buck-Boost变流器输入端的负极；第i 个Buck-Boost变流器的输出端正极连接第(i-1)个Buck-Boost变流器的输出端负极，第i个 Buck-Boost变流器的输出端负极连接第(i+1)个Buck-Boost变流器的输出端正极。所述光伏系 统由n列光伏模块并联，每列由m个光伏模块串联组成，其中n和m为自然数；所述光伏系 统直接通过三相逆变器并网。改进拓扑能够有效提高光伏模块对阴影故障和短路故障的容错 能力。
进一步地，光伏***中交流侧为dq0轴控制策略。具体为：dq轴控制策略均为电压-电流 双闭环控制，即d轴和q轴上的参考电压减去实际的电压分量，经过比例积分控制器补偿运 算后，其结果作为内环电流分量的参考值，经过比例控制器运算得出d轴和q轴结果。本发 明增加0轴控制策略，即将参考电压减去零轴电压分量后经过比例-谐振控制器进行补偿运算， 所得结果减去零轴电流分量后经过比例控制器运算。所得的dq0三轴计算的结果通过坐标变 换和载波调制后驱动开关管。dq0轴控制策略对光伏模块接地故障带来的直流偏量和三次谐 波进行有效抑制，从而提高光伏模块的接地故障容错能力。
本发明的优点有：
(1)本发明能够解决阴影问题带来的光伏***功率大幅度下降问题。
(2)本发明能够解决光伏模块短路故障带来的***失稳问题。
(3)本发明能够解决光伏模块接地故障带来的交流侧电压中直流偏量和三次谐波问题。
附图说明
图1为本发明的基于改进拓扑和控制策略的光伏逆变***结构，其中，(a)为光伏模块及 其控制策略；(b)为光伏模块逆变***；
图2为传统的光伏逆变***结构；
图3为阴影影响下的光伏***输出特性的仿真波形，其中，(a)为光伏模块独立工作的输 出功率特性；(b)为串联模块中阴影影响下的功率特性；
图4为阴影影响下光伏***改进前后输出电压和功率实验波形，其中，(a)为阴影影响下 传统的拓扑和控制策略的光伏模块端口电压和输出功率波形；(b)为阴影影响下改进的拓扑和 控制策略的光伏模块端口电压和输出功率波形；
图5为光伏模块短路影响的光伏***改进前后输出电压和功率实验波形，其中，(a)为光 伏模块短路故障影响下传统的拓扑和控制策略的光伏模块端口电压和输出功率波形；(b)为光 伏模块短路故障影响下改进的拓扑和控制策略的光伏模块端口电压和输出功率波形；
图6为光伏模块接地故障影响的光伏***改进前后输出电压和功率实验波形，其中，(a) 为光伏模块接地故障影响下传统的拓扑和控制策略的光伏模块端口电压和输出功率波形；(b) 为光伏模块接地故障影响下改进的拓扑和控制策略的光伏模块端口电压和输出功率波形。
具体实施方式
本发明针对光伏***中的阴影遮挡问题、光伏模块短路问题，提出一种基于改进拓扑和 控制策略的光伏模块故障容错方法，该方法通过改进拓扑将光伏模块和故障线路隔离从而实 现故障容错；改进拓扑具体为：如图1所示，将第i(i＝1，2…m)个光伏模块输出端的正极分 别连接第i(i＝1，2…m)个Buck-Boost变流器输入端的正极，第i(i＝1，2…m)个光伏模块输出 端的负极连接第i(i＝1，2…m)个Buck-Boost变流器输入端的负极；第i个Buck-Boost变流器 的输出端正极连接第(i-1)个Buck-Boost变流器的输出端负极，第i个Buck-Boost变流器的输 出端负极连接第(i+1)个Buck-Boost变流器的输出端正极。所述光伏***由n列光伏模块并联， 每列由m个光伏模块串联组成，其中n和m为自然数；所述光伏***直接通过三相逆变器并 网。相比于传统的光伏逆变***中，先经过Boost变流器，再经过三相DC/AC逆变器并联到 电网的结构(图2)，本发明的改进拓扑能够有效地将光伏模块和故障线路隔离，从而提高光 伏模块对阴影故障和短路故障的容错能力。
另外，作为优选，光伏***中交流侧为dq0轴控制策略。具体为：dq轴控制策略均为电 压-电流双闭环控制，即d轴和q轴上的参考电压减去实际的电压分量，经过比例积分控制器 补偿运算后，其结果作为内环电流分量的参考值，经过比例控制器运算得出d轴和q轴结果。 本发明在0轴基础上增加控制策略，即将参考电压减去零轴电压分量后经过比例-谐振控制器 进行补偿运算，所得结果减去零轴电流分量后经过比例控制器运算得出0轴计算结果。所得 的dq0三轴计算的结果通过坐标变换和载波调制后驱动开关管。dq0轴控制策略能实现对光 伏模块接地故障带来的直流偏量和三次谐波进行有效抑制，从而提高光伏模块的接地故障容 错能力。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述：
实施例1：阴影对光伏***输出功率的影响，以及改进前后的实验波形对比结果。
原理分析：以m＝4，n＝1为例，设置光伏模块PVmn中各光伏模块PV11、PV21、PV31、PV41的光照强度分别为G11＝1000W/m2,G21＝800W/m2,G31＝600W/m2,G41＝400W/m2。由图3可看出其I-V特性曲线呈现出多膝下降趋势，其P-V特性曲线呈现出多峰现象。图3(a)为各模块串联一起工作，受阴影遮挡下其输出总功率为P＝PB＝12.5kW。图3(b)中由于其各个光伏模块经 过Buck-Boost变流器后再串联在一起，由于Buck-Boost变流器既能升压也能降压，因此当某 光伏模块受到阴影遮挡时，只是改变该光伏模块的工作点电压，降低该光伏模块的输出功率， 但是Buck-Boost变流器能够迅速调节其端口电压保持功率平衡，而不影响该串联电路中其他 光伏模块的输出功率，其受阴影遮挡下其输出总功率为P＝P11_max+P21_max+P31_max+ P41_max＝18kW；对比可得阴影遮挡使得光伏***整体输出功率出现大幅度下降现象。进一步 分析，当PV41未投入工作时，工作点在B点，其输出功率为PB，当PV41投入工作时，工作 点在A点，其输出功率为PA，对比发现PB>PA。这是因为PV41的阴影遮挡比较严重，如果其串联***中，***整体的工作电流将大幅下降，导致整体的输出功率特性有所下降，形成短板效应。
实验结果：图4为受阴影遮挡影响下，改进前后光伏模块输出电压和功率的波形，为了 更清楚地看到细节，其电压波形向下偏移110V。由图可以看出，当光伏***正常工作时，光 伏模块均工作在最大功率点，其端口电压约150V，输出功率约30kW。在传统的光伏拓扑结 构中，阴影出现在PV41模块上，其端口电压迅速下降，而其他光伏模块提升其工作电压来满 足电压平衡，因此都将偏离其最大功率点，整体光伏功率跌落约15kW。在基于改进拓扑和 控制策略的光伏***中，由于Buck-Boost变流器能够迅速调整其端口电压，因此其他光伏模 块将继续工作在最大功率点模式，整体光伏功率跌落约8kW。
实施例2：光伏模块短路故障对光伏***输出功率和***稳定性的影响，以及改进前后的实 验波形对比结果。
原理分析：下面分析光伏模块短路故障对光伏系稳定性的影响。以第一列组串为研究对 象，当各光伏模块正常工作时，其端口电压约束方程为
其中，i＝1，2，3，4；V11，V21，V31，V41是光伏模块端口电压；Vdc为光伏组串端口电压，Voc为每个光伏模块开路电压。
当PV41模块出现短路故障时候，其端口电压约束方程为
由式(2)分析可得，由于PV41的端口电压为零，短路光伏模块易引发二次故障和火灾问题， 此外其他三个模块要迅速抬高其端口电压以平衡由于PV41短路故障所带来的电压跌落。一方 面，其他三个模块都将偏离其最大工作点，其输出功率将相应下降；另一方面，如果其他三 个模块端口电压升高至开路电压，仍然不能满足电压约束方程，则***将会出现失稳现象。
改进后拓扑对光伏模块短路故障的容错能力分析如下：当PV41光伏模块出现短路故障后， 其Buck-Boost变流器占空比d41将降为零，也即PV41模块将处于开路状态，如式(6)所示。对 于该串联电路中其他光伏模块将继续工作在最大功率点模式，其内部的Buck-Boost变流器将 工作于升压模式来保持该组串的电压等于Vdc。
其中，Vo11，Vo21，Vo31，Vo41是Buck-Boost变流器端口电压；Vdc为光伏组串端口电压，d41为第1列第4个光伏模块***中Buck-Boost变流器占空比。
实验结果：图5是受光伏模块短路故障影响下，改进前后光伏模块输出电压和功率的波 形。光伏模块短路故障出现在PV41模块上，其端口短路，因此可能引发二次故障和火灾问题， 其整体功率下降约7kW。在基于改进拓扑和控制策略的光伏***中，由于其端口短路而电压 为零，因此Buck-Boost变流器能够迅速调整其占空比为零，也即该变流器将光伏模块和故障 位置隔离开，该光伏模块处于开路状态，整体光伏功率跌落约7kW。
实施例3：光伏模块接地故障对光伏***直流侧和交流侧电流影响，以及改进前后的实验波 形对比结果。
原理分析：下面析光伏模块接地故障对光伏***的影响。当***未出现接地故障时，输 出相电压UAN为
其中，ω是角频率，并且n＝6k±1，k＝1，2….，Vdc为光伏组串端口电压。
以第一列组串为研究对象，设PV31和PV41连接处出现接地故障时，由于交流侧三相电 容中性点是接地的，因此则该故障点和三相电容中性点连接在一起，则相电压为
其中，k是自然数，T是基波周期，并且Vdc为光伏组串端口电压。
将式(4)进行傅里叶分解可得到，
其中n＝2k+1(k＝1,2,3……)。
由式(5)可以看出，故障后的相电压中含有直流偏置分量和三次谐波分量。
改进控制策略对光伏模块接地故障的容错能力。故障后的相电压中含有直流偏置分量和 三次谐波分量，上述分量都反映在零轴方向上，因此增加零轴控制策略，即外环使用比例- 谐振控制器如式(7)所示，可以有效抑制直流偏置分量和三次谐波分量。
其中，G0是零轴比例-谐振控制器表达式，其中k0_vp是比例系数，k0_vi是谐振系数，s是拉布 拉斯算子。
实验结果：图6受光伏模块接地故障影响下，改进前后光伏模块输出电压和功率的波形。 光伏模块接地故障出现在PV41模块和PV31模块的连接处，由图6(a)可以看出直流侧光伏模块 端口电压出现振动现象，从交流侧看其三相电压出现直流偏置分量和三次谐波分量。基于改 进拓扑和控制策略的电压和功率波形如图6(b)所示，为了对比控制效果，将波形分为三个阶 段。第一个阶段光伏***正常工作，第二个阶段光伏***出现接地故障，第三个阶段所述的 改进控制策略施加进去，可以看出改进的控制策略能够有效的抑制相电压中的直流偏置分量 和三次谐波分量。
综上所述，本发明涉及一种光伏***中光伏模块的故障容错方法，该方法通过改进拓扑 将光伏模块和故障线路隔离使得各光伏模块独立工作，从而提高光伏模块对阴影故障和短路 故障的容错能力；在所述改进拓扑的基础上通过增加改进控制策略从而实现对光伏模块接地 故障带来的直流偏量和三次谐波进行有效抑制，从而提高光伏模块的接地故障容错能力。

Claims (2)

1.一种光伏***中光伏模块的故障容错方法，其特征在于：该方法通过改进拓扑将光伏模块和故障线路隔离使得各光伏模块独立工作，从而实现故障容错；改进拓扑具体为：将第i(i＝1，2…m)个光伏模块输出端的正极分别连接第i(i＝1，2…m)个Buck-Boost变流器输入端的正极，第i(i＝1，2…m)个光伏模块输出端的负极连接第i(i＝1，2…m)个Buck-Boost变流器输入端的负极；第i个Buck-Boost变流器的输出端正极连接第(i-1)个Buck-Boost变流器的输出端负极，第i个Buck-Boost变流器的输出端负极连接第(i+1)个Buck-Boost变流器的输出端正极。所述光伏***由n列光伏模块并联，每列由m个光伏模块串联组成，其中n和m为自然数；所述光伏***直接通过三相逆变器并网。
2.根据权利要求1所述的故障容错方法，其特征在于，光伏***中交流侧为dq0轴控制策略，其中，dq轴控制策略均为电压-电流双闭环控制，d轴和q轴上的参考电压减去实际的电压分量，经过比例积分控制器补偿运算后，其结果作为内环电流分量的参考值，经过比例控制器运算得出d轴和q轴结果。0轴控制策略具体为：将参考电压减去0轴电压分量后经过比例-谐振控制器进行补偿运算，所得结果作为电流内环的参考值，经过比例控制器运算得出0轴结果。所得的dq0三轴计算的结果通过坐标变换和载波调制后驱动开关管。
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