CN112531774A - 一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法 - Google Patents

Abstract

一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，对采集数据的分离与变换，然后进行判断；基于不同的判断结果给出不同的措施，对不满足低电压穿越特性曲线的情况，即直接把分布式电源切除。对于满足低电压穿越特性曲线的情况，对电压跌落的程度进行进一步判断，电压跌落不大于10％的情况，直接用常规的电压外环电流内环的控制策略，对于电压跌落超过10％的情况，采用低电压穿越运行控制方法，断开电压外环，基于电压的跌落程度进行分类处理，给予不同的电压跌落程度调节无功功率的参考值，最后根据无功电流参考值和器件的承受能力设定有功电流参考值。本发明可以在电网不平衡情况下灵活的为电网输送无功功率，实现电网的低电压穿越稳定运行。

Description

一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法

技术领域

本发明属于新能源并网控制领域，特别涉及低电压穿越运行控制。

背景技术

随着光伏并网发电***渗透率的不断提高，其对电网的暂态稳定性的影响越来越大，当电网发生故障导致电压跌落时，光伏***的脱网会严重影响电网的暂态稳定性，甚至引起连锁反应导致大面积断电事故。因此，光伏发电***须具备与常规发电机一样的低电压穿越(Low Voltage Ride Through,LVRT)能力，在故障发生后支撑电网电压。

在电网发生不对称故障时，电网电压中的负序分量会使逆变器输出的有功功率和无功功率中存在二次谐波分量，这会严重影响并网***的稳定性，为消除网侧电压负序分量对并网***的影响，传统的正负序双环控制方法将并网逆变器输出电流的负序分量作为控制目标，把dq轴下负序电流的参考值设为零，并根据不平衡电网下的功率表达式设置dq轴下正序电流的参考值，外环采用电压控制，其输出与正序电流内环输入相对应，同时为实现dq轴电流的独立调节，采用电流前馈进行解耦。这种以抑制负序电流为控制目标的正负序双环控制方法可以使公共耦合点处的电流电压没有负序分量，进而提高并网***的稳定性。然而根据最新的并网规定，要求逆变型分布式电源在电网发生故障时，向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压，实现低电压穿越，但传统的正负序双环控制方法并未考虑到这一点，而是采用单位功率因数控制，无法向电网输送无功功率。

为解决上述控制方法无法为电网输送无功功率的问题，大多数控制方法会根据公共耦合点的电压跌落情况，直接控制逆变器输出的有功功率和无功功率，这种方法可以有效的抑制逆变器输出功率中的二次谐波，但同时却忽略了并网电流的不平衡情况。也有其他控制方法采用比例谐振的控制方法来实现输出无功功率的目的，但比例谐振器很难达到理想状态，因此这种方法实用性不强。

发明内容

发明创造提供一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，通过调整无功电流来控制无功功率，可以很好的解决现有技术中存在的抑制不平衡电流效果不好的技术问题上述问题。本发明根据公共耦合点的电压跌落情况设定不同的无功电流参考值，进而向电网输送其需要的无功功率，电网故障程度越严重，向电网输送其需要的无功功率就越多。与此同时为了尽量减少有功功率的损失，在保证输出一定的无功功率同时，尽可能地输出最大的有功电流。依据这种控制方法，就可以在电网不平衡情况下灵活的为电网输送无功功率，实现电网的低电压穿越稳定运行。

为了实现上述目的，本发明创造采用了如下技术方案：

一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对逆变型分布式电源并网点电压进行电压跌落检测；

步骤2：基于步骤1所检测的电压跌落值，对电压跌落的情况进行判断，当逆变型分布式电源所接入的配电网的电压在逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线下方的区域时，则分布式电源立即从配电网中切除；

步骤3：基于步骤1所检测的电压跌落值，对电压跌落的情况进行判断，当逆变型分布式电源所接入的配电网的电压在逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线上方的区域时，则逆变型分布式电源一直保持并网运行；

步骤3.1：在电网发生不对称故障时，在同步旋转dq坐标系中，电网电压的正负序分量分别进行定向控制，抑制逆变型分布式电源的输出负序电流分量；

步骤3.2：在逆变型分布式电源一直保持并网运行时，逆变型分布式电源采用低电压穿越控制方法进行控制，控制过程中，通过根据并网的要求调整无功电流，在确保逆变型分布式电源安全运行的前提下，让逆变型分布式电源输出有功功率，使得电网的功功率保持在平衡状态。

所述的步骤1中，电压跌落检测的方法具体为：

步骤1.1：首先对采集的电网的电压进行正负序分量分离：采用T/4延时算法对逆变器输出的电流和并网点电压的正序和负序进行分离，在αβ坐标系下，t时刻在α轴和β轴上的电网电压U_α(t)、U_β(t)可以表示为：

其中，

表示t时刻电网电压在α轴上的正序分量，

表示t时刻电网电压在α轴上的负序分量，

表示t时刻电网电压在β轴上的正序分量，

表示t时刻电网电压在α轴上的负序分量；

其中，U₁表示电网电压正序分量的幅值，θ⁺表示电网电压正序分量的初相位，U₂表示电网电压负序分量的幅值，θ^-表示电网电压负序分量的初相位；

把(2)式带入(1)式则可以得到

把电网电压U_α(t)、U_β(t)延时T/4根据以上过程可以的得到：

根据上式(3)、(4)，可以求得

的表示式；

步骤1.2：将步骤1.1中所得到的电网正负序电压的α轴分量和β轴分量分别转换成正负序dq坐标系中，依次求出电网电压d轴的正序分量

和负序分量

q轴的正序分量

q轴的负序分量

步骤1.3：对步骤1.2所得到的数据进行低通滤波处理得到所要的直流分量，并对处理完的三相序直流分量进行傅里叶计算，得到各序分量的有效值和相位角，通过最后得到的相位角进行反派克变换，得到每相的电压幅值和相位跳变情况。

所述的步骤3.1)中，具体方法如下：

步骤3.1.1：基于步骤1.2所得到的电网正负序电压的d轴、q轴分量，表示出dq坐标系中电网的正负序电压复矢量：

根据逆变型分布式电源在αβ坐标系下的复矢量模型关系：

对应的得到分布式电源正序负序在同步旋转dq坐标系下的数学模型：

逆变型分布式电源输出的三相瞬时有功功率和无功功率，是由其并网点三相电压和分布式电源的输入电网电流决定，基于有功功率和无功功率的概念，有功功率p可表示为电网电压与电流的点乘积，无功功率q表示为电网电压与电流的叉乘积，表示成如下形式：

对其化简可以得到以下式：

式中p₀为有功功率的平均值、q₀为无功功率的平均值、p₁为有功功率余弦二次谐波的幅值，q₁为无功功率余弦二次谐波的幅值、p₂为有功功率正弦二次谐波的幅值、q₂为无功功率正弦二次谐波的幅值；从中发现，电网发生不对称故障，分布式电源输出的有功功率和无功功率均含有二次谐波，根据上述公式可以得到p₀、q₀、p₁、q₁、p₂、q₂对应的表达式：

基于电网电压定向矢量控制原则

公式(12)一步简化为：

步骤3.1.2：将负序电流分量的在dq坐标系下参考值都赋为0，即：

步骤3.1.3：根据步骤3.1.1功率表达式和步骤3.1.2负序电流分量在dq坐标系下参考值，近而求解正序电流分量的在dq坐标系下参考值，即：

分布式电源逆变器的控制采用电压外环电流内环的结构形式，电压外环采用PI调节器，令其调节器输出与正序电流内环输入对应：

在不考虑低电压穿越时，分布式电源逆变器采用单位功率控制，即令q₀＝0，则计算得到不考虑低电压穿越时的正序电流和负序电流的有功无功分量的参考值：

所述的步骤3.2)中，具体方法为：

步骤3.2.1：基于逆变型分布式电源低电压穿越要求，在配电网故障并网正序电压的标幺值大于0.9时，则令分布式电源只输出恒定的有功功率，保持正常的控制方式，即令

步骤3.2.2：在配电网故障并网正序电压的标幺值处于[0.2，0.9]时，正序电压每跌落1％则至少提供2％的无功电流；则先断开电压外环，然后基于此时电网电压自适应调整无功电流的指令，最后再根据分布式电源逆变器承受的承受能力直接给定有功电流的指令；

在配电网故障并网正序电压的标幺值处于[0，0.2]时，则分布式电源不输出有功功率，输出流过变压器的最大允许短路电流，即2倍额定电流的无功电流；先断开电压外环，然后基于此时电网电压自适应调整无功电流的指令，最后再根据分布式电源逆变器承受的承受能力直接给定有功电流的指令；

步骤3.2.3：在电网发生短路故障时，对应的正负序电流分量的参考值都会增大，但受到短路电流的限制不会无限增大，可得到其边界解方程：

计算到边界电压使得分布式电源输出有功电流恰好达到便捷约束条件；

在正序电压的标幺值处于[0.54，0.9)时，分布式电源在能够优先输出无功功率的条件下满足裕度输出有功功率；

在正序电压的标幺值处于[0.2，0.54)时，则分布式电源无法满足裕度输出有功功率，因此最终计算的正序负序电流有功无功参考值为：

本发明创造的有益效果：本发明采用的种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法,对于采集到的物理量不直接进行dq变换，在进行正负序分离后得到正负序分量，然后单独进行dq变换。正负序分离采用的是T/4延时算法，该算法仅仅是通过数学推到的方式实现对电压和电流的正序分量和负序分量的分离，而且并未增加控制***的阶数，对其控制***稳定性基本不影响。该方案可以有效解决dq变换法检测电压跌落特征量的检测中遇到的问题。最大的特点是可以有效地避免不对称故障下负序分量对dq法的影响。本发明采用的是在正负序同步旋转dq坐标系中，电网电压的正序分量和负序分量分别定向的控制方法，主要是在电网发生不对称故障时，直接抑制负序分量，使得电流中只包含正序分量，有效地避免了电流质量不对称，影响电能质量的问题。

附图说明

图1是本发明内容中的逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线图；

图2是本发明内容中的逆变型分布式电源逆变器电流内环控制***的结构图；

图3是本发明内容中的低电压穿越控制方法的流程图；

图4是本发明具体实施中逆变型分布式电源接入到配电网的结构图；

图5是本发明具体实施中整个逆变型分布式电源并网逆变器的控制结构框图。

具体实施方式

下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。

整体流程如图3所示。

一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，包括以下步骤：

步骤1：对逆变型分布式电源并网点电压进行电压跌落检测。

电压跌落检测的方法具体为：

步骤1.1：首先对采集的电网的电压进行正负序分量分离：采用T/4延时算法对逆变器输出的电流和并网点电压的正序和负序进行分离，在αβ坐标系下，t时刻在α轴和β轴上的电网电压U_α(t)、U_β(t)可以表示为：

其中，

表示t时刻电网电压在α轴上的正序分量，

表示t时刻电网电压在α轴上的负序分量，

表示t时刻电网电压在β轴上的正序分量，

表示t时刻电网电压在α轴上的负序分量；

其中，U₁表示电网电压正序分量的幅值，θ⁺表示电网电压正序分量的初相位，U₂表示电网电压负序分量的幅值，θ^-表示电网电压负序分量的初相位；

把(2)式带入(1)式则可以得到

把电网电压U_α(t)、U_β(t)延时T/4根据以上过程可以的得到：

根据上式(3)、(4)，可以求得

的表示式；

步骤1.2：将步骤1.1中所得到的电网正负序电压的α轴分量和β轴分量分别转换成正负序dq坐标系中，依次求出电网电压d轴的正序分量

和负序分量

q轴的正序分量

q轴的负序分量

步骤1.3：对步骤1.2所得到的数据进行低通滤波处理得到所要的直流分量，并对处理完的三相序直流分量进行傅里叶计算，得到各序分量的有效值和相位角，通过最后得到的相位角进行反派克变换，得到每相的电压幅值和相位跳变情况。

步骤2：基于步骤1所检测的电压跌落值，对电压跌落的情况进行判断，当逆变型分布式电源所接入的配电网的电压在逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线下方的区域时，则分布式电源立即从配电网中切除；

步骤3：基于步骤1所检测的电压跌落值，对电压跌落的情况进行判断，当逆变型分布式电源所接入的配电网的电压在逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线上方的区域时，则逆变型分布式电源一直保持并网运行；

步骤3.1：在电网发生不对称故障时，在同步旋转dq坐标系中，电网电压的正负序分量分别进行定向控制，抑制逆变型分布式电源的输出负序电流分量。

具体方法如下：

步骤3.1.1：基于步骤1.2所得到的电网正负序电压的d轴、q轴分量，表示出dq坐标系中电网的正负序电压复矢量：

根据逆变型分布式电源在αβ坐标系下的复矢量模型关系：

对应的得到分布式电源正序负序在同步旋转dq坐标系下的数学模型：

逆变型分布式电源输出的三相瞬时有功功率和无功功率，是由其并网点三相电压和分布式电源的输入电网电流决定，基于有功功率和无功功率的概念，有功功率p可表示为电网电压与电流的点乘积，无功功率q表示为电网电压与电流的叉乘积，表示成如下形式：

对其化简可以得到以下式：

式中p₀为有功功率的平均值、q₀为无功功率的平均值、p₁为有功功率余弦二次谐波的幅值，q₁为无功功率余弦二次谐波的幅值、p₂为有功功率正弦二次谐波的幅值、q₂为无功功率正弦二次谐波的幅值；从中发现，电网发生不对称故障，分布式电源输出的有功功率和无功功率均含有二次谐波，根据上述公式可以得到p₀、q₀、p₁、q₁、p₂、q₂对应的表达式：

基于电网电压定向矢量控制原则

公式(12)一步简化为：

步骤3.1.2：将负序电流分量的在dq坐标系下参考值都赋为0，即：

步骤3.1.3：根据步骤3.1.1功率表达式和步骤3.1.2负序电流分量在dq坐标系下参考值，近而求解正序电流分量的在dq坐标系下参考值，即：

分布式电源逆变器的控制采用电压外环电流内环的结构形式，电压外环采用PI调节器，令其调节器输出与正序电流内环输入对应：

在不考虑低电压穿越时，分布式电源逆变器采用单位功率控制，即令q₀＝0，则计算得到不考虑低电压穿越时的正序电流和负序电流的有功无功分量的参考值：

步骤3.2：在逆变型分布式电源一直保持并网运行时，逆变型分布式电源采用低电压穿越控制方法进行控制，控制过程中，通过根据并网的要求调整无功电流，在确保逆变型分布式电源安全运行的前提下，让逆变型分布式电源输出有功功率，使得电网的功功率保持在平衡状态。

具体方法为：

步骤3.2.1：基于逆变型分布式电源低电压穿越要求如图1所示，在配电网故障并网正序电压的标幺值大于0.9时，则令分布式电源只输出恒定的有功功率，保持步骤3.1.3中的正常的控制方式，即令

步骤3.2.2：在配电网故障并网正序电压的标幺值处于[0.2，0.9]时，正序电压每跌落1％则至少提供2％的无功电流；则先断开电压外环，然后基于此时电网电压自适应调整无功电流的指令，最后再根据分布式电源逆变器承受的承受能力直接给定有功电流的指令；

在配电网故障并网正序电压的标幺值处于[0，0.2]时，则分布式电源不输出有功功率，输出流过变压器的最大允许短路电流，即2倍额定电流的无功电流；先断开电压外环，然后基于此时电网电压自适应调整无功电流的指令，最后再根据分布式电源逆变器承受的承受能力直接给定有功电流的指令；

步骤3.2.3：在电网发生短路故障时，对应的正负序电流分量的参考值都会增大，但受到短路电流的限制不会无限增大，可得到其边界解方程：

计算到边界电压使得分布式电源输出有功电流恰好达到便捷约束条件；

在正序电压的标幺值处于[0.54，0.9)时，分布式电源在能够优先输出无功功率的条件下满足裕度输出有功功率；

在正序电压的标幺值处于[0.2，0.54)时，则分布式电源无法满足裕度输出有功功率，因此最终计算的正序负序电流有功无功参考值为：

如图4所示逆变型分布式电源接入到配电网的结构图，在整个配电网确定后，配网***的所有数据都是确定的，在上结构图中正常运行对分布式电源逆变器正常控制可得到一组运行情况，在线路2的50％出给不对称故障中一种或者多种情况采用低电压穿越控制方法进行控制可得出所提控制方法的实现情况。

实施例1：

整个逆变型分布式电源并网逆变器的控制结构框图如图5所示：包括逆变模块整体结构、滤波环节、数据采样环节、正负序分量分离环节、电压外环控制环节、低电压穿越自适应调节环节、电流内环控制环节等。

步骤一：在分布式电源逆变器并网侧进行并网电压和并网电流采样，得到三相电压和三相电流；对采集到的电网数据进行正序分量和负序分量的分离，通过T/4延时算法进行分离三相电压和三相电流，分别得到实测的正序电压、负序电压、正序电流和负序电流的有功、无功分量。

步骤二：对电网电压量进行数据的判断，在电网在低电压穿越特性曲线下方时，直接切除分布式电源，在电网电压在低电压穿越特性曲线上方时，则满足并网的要足以，则采用低电压穿越控制方法进行控制。

步骤三：对于满足并网要求的情况下，根据故障情况的不同，电网电压数据变化也有一定的差别，对电网电压跌落的程度对其进行再度判断。对于电网电压跌落在20％以下的情况下，则采取正常的运行方式，电压外环控制正常运行，电流内环采用常规的运行方法；对于电网电压跌落超过20％的情况，首先断开电压外环控制，仅采用电流内环的控制方法。依据电网电压的跌落程度，在满足分布式电源并网技术要求的前提下，分别给出适用于当前跌落的情形的电流参考值。

Claims (4)

1.一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对逆变型分布式电源并网点电压进行电压跌落检测；

步骤2：基于步骤1所检测的电压跌落值，对电压跌落的情况进行判断，当逆变型分布式电源所接入的配电网的电压在逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线下方的区域时，则分布式电源立即从配电网中切除；

步骤3：基于步骤1所检测的电压跌落值，对电压跌落的情况进行判断，当逆变型分布式电源所接入的配电网的电压在逆变型分布式电源低电压穿越特性曲线上方的区域时，则逆变型分布式电源一直保持并网运行；

步骤3.1：在电网发生不对称故障时，在同步旋转dq坐标系中，电网电压的正负序分量分别进行定向控制，抑制逆变型分布式电源的输出负序电流分量；

步骤3.2：在逆变型分布式电源一直保持并网运行时，逆变型分布式电源采用低电压穿越控制方法进行控制，控制过程中，通过根据并网的要求调整无功电流，在确保逆变型分布式电源安全运行的前提下，让逆变型分布式电源输出有功功率，使得电网的功功率保持在平衡状态。

2.根据权利要求1所述的一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，其特征在于：所述的步骤1中，电压跌落检测的方法具体为：

步骤1.1：首先对采集的电网的电压进行正负序分量分离：采用T/4延时算法对逆变器输出的电流和并网点电压的正序和负序进行分离，在αβ坐标系下，t时刻在α轴和β轴上的电网电压U_α(t)、U_β(t)可以表示为：

其中，

表示t时刻电网电压在α轴上的正序分量，

表示t时刻电网电压在α轴上的负序分量，

表示t时刻电网电压在β轴上的正序分量，

表示t时刻电网电压在α轴上的负序分量；

其中，U₁表示电网电压正序分量的幅值，θ⁺表示电网电压正序分量的初相位，U₂表示电网电压负序分量的幅值，θ^-表示电网电压负序分量的初相位；

把(2)式带入(1)式则可以得到

把电网电压U_α(t)、U_β(t)延时T/4根据以上过程可以的得到：

根据上式(3)、(4)，可以求得

的表示式；

步骤1.2：将步骤1.1中所得到的电网正负序电压的α轴分量和β轴分量分别转换成正负序dq坐标系中，依次求出电网电压d轴的正序分量

和负序分量

q轴的正序分量

q轴的负序分量

步骤1.3：对步骤1.2所得到的数据进行低通滤波处理得到所要的直流分量，并对处理完的三相序直流分量进行傅里叶计算，得到各序分量的有效值和相位角，通过最后得到的相位角进行反派克变换，得到每相的电压幅值和相位跳变情况。

3.根据权利要求2所述的一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，其特征在于，所述的步骤3.1)中，具体方法如下：

步骤3.1.1：基于步骤1.2所得到的电网正负序电压的d轴、q轴分量，表示出dq坐标系中电网的正负序电压复矢量：

根据逆变型分布式电源在αβ坐标系下的复矢量模型关系：

对应的得到分布式电源正序负序在同步旋转dq坐标系下的数学模型：

逆变型分布式电源输出的三相瞬时有功功率和无功功率，是由其并网点三相电压和分布式电源的输入电网电流决定，基于有功功率和无功功率的概念，有功功率p可表示为电网电压与电流的点乘积，无功功率q表示为电网电压与电流的叉乘积，表示成如下形式：

对其化简得到以下式：

式中p₀为有功功率的平均值、q₀为无功功率的平均值、p₁为有功功率余弦二次谐波的幅值，q₁为无功功率余弦二次谐波的幅值、p₂为有功功率正弦二次谐波的幅值、q₂为无功功率正弦二次谐波的幅值；从中发现，电网发生不对称故障，分布式电源输出的有功功率和无功功率均含有二次谐波，根据上述公式得到p₀、q₀、p₁、q₁、p₂、q₂对应的表达式：

基于电网电压定向矢量控制原则

公式(12)一步简化为：

步骤3.1.2：将负序电流分量的在dq坐标系下参考值都赋为0，即：

步骤3.1.3：根据步骤3.1.1功率表达式和步骤3.1.2负序电流分量在dq坐标系下参考值，近而求解正序电流分量的在dq坐标系下参考值，即：

分布式电源逆变器的控制采用电压外环电流内环的结构形式，电压外环采用PI调节器，令其调节器输出与正序电流内环输入对应：

在不考虑低电压穿越时，分布式电源逆变器采用单位功率控制，即令q₀＝0，则计算得到不考虑低电压穿越时的正序电流和负序电流的有功无功分量的参考值：

。

4.根据权利要求1所述的一种逆变型分布式电源的低电压穿越运行控制方法，其特征在于，所述的步骤3.2)中，具体方法为：

步骤3.2.1：基于逆变型分布式电源低电压穿越要求，在配电网故障并网正序电压的标幺值大于0.9时，则令分布式电源只输出恒定的有功功率，保持正常的控制方式，即令

步骤3.2.2：在配电网故障并网正序电压的标幺值处于[0.2，0.9]时，正序电压每跌落1％则至少提供2％的无功电流；则先断开电压外环，然后基于此时电网电压自适应调整无功电流的指令，最后再根据分布式电源逆变器承受的承受能力直接给定有功电流的指令；

在配电网故障并网正序电压的标幺值处于[0，0.2]时，则分布式电源不输出有功功率，输出流过变压器的最大允许短路电流，即2倍额定电流的无功电流；先断开电压外环，然后基于此时电网电压自适应调整无功电流的指令，最后再根据分布式电源逆变器承受的承受能力直接给定有功电流的指令；

步骤3.2.3：在电网发生短路故障时，对应的正负序电流分量的参考值都会增大，但受到短路电流的限制不会无限增大，可得到其边界解方程：

计算到边界电压使得分布式电源输出有功电流恰好达到便捷约束条件；

在正序电压的标幺值处于[0.54，0.9)时，分布式电源在能够优先输出无功功率的条件下满足裕度输出有功功率；

在正序电压的标幺值处于[0.2，0.54)时，则分布式电源无法满足裕度输出有功功率，因此最终计算的正序负序电流有功无功参考值为：

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