一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统

1.本发明涉及新能源发电并网控制领域，特别是关于一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统。


背景技术：

2.随着光伏电站在电力系统中的渗透率不断增加，其输出功率的波动对并网点电压的影响也不断增大。以往光伏电站在电力系统中所占比重较低，当电网遇到故障导致电压跌落时，由于电力电子器件承受电压和电流的能力有限，所以光伏电站可以直接从电网中切出。但是当光伏电站在电力系统中所占比重较高时，倘若光伏电站直接脱网，就会导致大量的有功功率缺额，从而对电网的频率和电压稳定性产生不利影响。
3.目前，并网光伏系统主要包括单级式和两级式拓扑两种拓扑结构，与光伏直接连接到逆变器的单级式并网光伏系统相比，两级式并网光伏系统的结构为先将光伏板连接至前级变换器，前级变换器再连接至直流母线，再通过逆变器接入交流电网。从拓扑结构来看，单级式并网光伏系统拓扑结构相对简单，能量传输效率高，但是光伏面板的最大功率点跟踪控制与逆变器控制耦合，增加了控制策略的复杂度。两级式并网光伏系统通过增加前级变流器，将光伏电池板的最大功率点跟踪控制与逆变器的有功无功控制解耦，降低了控制难度。因此，目前的光伏并网方式多采用两级式。
4.传统的两级式并网光伏系统低电压穿越方法分为两种：一种是通过增加额外的电路来吸收直流母线两端不平衡的功率，但是增加硬件电路会使成本提高；另一种是通过前级变换器和逆变器协同控制限制逆变器的输出电流和直流母线电压。现有的低电压穿越控制方法主要是通过逆变器的最大输出电流来限制输出有功功率，前端变流器和后端变流器的控制相互独立。当电网侧发生低电压时，前级变流器的控制目标是保持直流母线电压恒定，后级变流器的控制目标是降低输出的有功功率和补偿无功功率，即光伏电站根据直流母线电压的波动被动调节其输出功率，响应速度相对较慢。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明的目的是提供一种响应速度快的两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统。
6.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一方面，提供一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法，包括：
7.获取并网光伏系统的运行数据；
8.根据获取的并网光伏系统的运行数据，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值；
9.计算低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率，并得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的有功电流参考值；
10.将计算的有功功率作为前馈参数发送至前级升压变换器，得到光伏阵列的输出电
流指令，并根据得到的光伏阵列的输出电流指令，控制逆变器的工作，完成并网光伏系统的低电压穿越控制。
11.进一步地，所述并网光伏系统的运行数据包括光伏阵列的输出电压v
pv
、输出电流i
pv
和输出功率p
pv
，直流母线电压u
dc
，并网点电压v
pcc
，电网电压v
grid
以及电网侧的有功功率p
grid
和无功功率q
grid
。
12.进一步地，所述根据获取的并网光伏系统的运行数据，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值，包括：
13.基于并网点电压跌落程度以及光伏电站低电压穿越要求，根据获取的并网光伏系统的并网点电压，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值。
14.进一步地，所述低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值i
gref
为：
[0015][0016]
其中，in为光伏电站正常运行时额定电流的有效值；v
pcc
(pu)为并网点电压。
[0017]
进一步地，所述低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
：
[0018][0019]
其中，v
rms
为交流侧相电压有效值；i
pu，max
为逆变器最大输出电流；pn为逆变器正常运行时的输出功率；vn为额定相电压，为功率因数；n为网侧接入的电网结构，当网侧接入三相交流电源时n＝3，当网侧接入单相交流电源时n＝1。
[0020]
进一步地，所述低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的有功电流参考值i
dref
为：
[0021][0022]
其中，vg为网侧电压幅值。
[0023]
进一步地，所述将计算的有功功率作为前馈参数发送至前级boost变换器，得到光伏阵列的输出电流指令，并根据得到的光伏阵列的输出电流指令，控制逆变器的工作，完成并网光伏系统的低电压穿越控制，包括：
[0024]
将低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
作为前馈参数发送至前级升压变换器；
[0025]
根据前馈参数和前级升压变换器直流母线电压控制器的输出量，得到光伏阵列的输出电流指令i
pvref
：
[0026]ipvref
＝i
pvref0
δp
[0027]
其中，i
pvref0
为前级boost变换器直流母线电压控制器的输出量，作为光伏阵列的电流参考指令；δp为误差量，且δp＝p
ref-p
pv
，p
pv
为光伏阵列的输出功率。
[0028]
第二方面，提供一种两级并网光伏系统低电压穿越控制系统，包括：
[0029]
数据获取模块，用于获取并网光伏系统的运行数据；
[0030]
无功电流参考值计算模块，用于根据获取的并网光伏系统的运行数据，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值；
[0031]
有功电流参考值计算模块，用于计算低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率，并得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的有功电流参考值；
[0032]
输出电流指令计算模块，用于将计算的有功功率作为前馈参数发送至前级升压变换器，得到光伏阵列的输出电流指令，并根据得到的光伏阵列的输出电流指令，控制逆变器的工作，完成并网光伏系统的低电压穿越控制。
[0033]
第三方面，提供一种处理设备，包括计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理设备执行时用于实现上述两级并网光伏系统低电压穿越控制方法对应的步骤。
[0034]
第四方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时用于实现上述两级并网光伏系统低电压穿越控制方法对应的步骤。
[0035]
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明中光伏电站在低电压穿越期间计算逆变器的有功输出能力快速调整光伏阵列的输出功率，可明显减小光伏阵列的输出电压、电流的波动，维持直流母线电压稳定，同时保证逆变器并网电流幅值不超过额定值的1.2倍，本发明可以广泛应用于新能源发电并网控制领域中。
附图说明
[0036]
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：
[0037]
图1是本发明一实施例提供的两级式光伏并网系统的拓扑结构示意图；
[0038]
图2是本发明一实施例提供的光伏电站低电压穿越要求示意图；
[0039]
图3为本发明一实施例提供的控制方法的原理框图；
[0040]
图4为本发明一实施例提供的传统控制方法的原理框图；
[0041]
图5是本发明一实施例提供的交流侧电压和电流的仿真结果对比示意图，其中，图5(a)为采用传统控制方法时的交流侧电压和电流的仿真结果对比示意图，图5(b)为采用本发明方法时的交流侧电压和电流的仿真结果对比示意图；
[0042]
图6是本发明一实施例提供的交流侧功率的仿真结果对比示意图，其中，图6(a)为采用传统控制方法时的交流侧功率的仿真结果对比示意图，图6(b)为采用本发明方法时的交流侧功率的仿真结果对比示意图；
[0043]
图7是本发明一实施例提供的光伏输出电压、电流和功率的仿真结果对比示意图，其中，图7(a)为采用传统控制方法时的光伏输出电压、电流和功率的仿真结果对比示意图，图7(b)为采用本发明方法时的交流侧功率的光伏输出电压、电流和功率的仿真结果对比示意图；
[0044]
图8是本发明一实施例提供的采用本发明方法时直流母线电压的仿真结果示意图。
具体实施方式
[0045]
下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
[0046]
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
[0047]
本发明实施例中所应用的两级式并网光伏系统的拓扑结构如图1所示，本发明实施例提供的两级并网光伏系统低电压穿越控制方法及系统在电网电压发生跌落故障时，可以根据网侧压降深度动态调整逆变器的有功功率指令，同时使光伏阵列主动根据有功功率指令降低其发电量，并保持直流母线电压恒定。
[0048]
实施例1
[0049]
本实施例提供一种两级并网光伏系统低电压穿越控制方法，包括以下步骤：
[0050]
1)获取并网光伏系统的运行数据。
[0051]
具体地，并网光伏系统的结构如图1所示，并网光伏系统的运行数据包括光伏阵列的输出电压v
pv
、输出电流i
pv
和输出功率p
pv
，直流母线电压u
dc
，并网点电压v
pcc
，电网电压v
grid
以及电网侧的有功功率p
grid
和无功功率q
grid
。
[0052]
2)如图2所示，基于并网点电压跌落程度以及光伏电站低电压穿越要求，根据获取的并网光伏系统的运行数据，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值i
qref
。
[0053]
具体地，低电压穿越期间逆变器需要能够向电网输送一定量的无功功率以帮助电网电压恢复，因此基于并网点电压跌落程度以及光伏电站低电压穿越要求，根据获取的并网光伏系统的并网点电压v
pcc
，得到的低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值i
qref
为：
[0054][0055]
其中，in为光伏电站正常运行时额定电流的有效值；v
pcc
(pu)为并网点电压。
[0056]
3)计算低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
，并得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的有功电流参考值i
dref
，具体为：
[0057]
3.1)计算低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
：
[0058][0059]
其中，v
rms
为交流侧相电压有效值；i
pu，max
为逆变器最大输出电流；pn为逆变器正常
运行时的输出功率；vn为额定相电压，为功率因数；n为网侧接入的电网结构，当网侧接入三相交流电源时n＝3，当网侧接入单相交流电源时n＝1。
[0060]
3.2)根据低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的有功电流参考值i
dref
：
[0061][0062]
其中，vg为网侧电压幅值，即电网电压v
grid
幅值。
[0063]
4)根据低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
、并网光伏系统的运行数据中的光伏阵列的输出功率p
pv
以及前级boost(升压)变换器直流母线电压控制器的输出量，得到光伏阵列的输出电流指令i
pvref
，并根据得到的光伏阵列的输出电流指令i
pvref
，控制逆变器的工作，以改善低电压穿越时的性能，完成并网光伏系统的低电压穿越控制。
[0064]
具体地，将计算出的功率指令作为前馈参数发送至前级boost变换器，得到光伏阵列的输出电流指令i
pvref
，具体为：
[0065]
4.1)将低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率p
ref
作为前馈参数发送至前级boost(升压)变换器。
[0066]
4.2)根据前馈参数和前级boost变换器直流母线电压控制器的输出量，得到光伏阵列的输出电流指令i
pvref
：
[0067]ipvref
＝i
pvref0
δp
ꢀꢀ
(4)
[0068]
其中，i
pvref0
为前级boost变换器直流母线电压控制器的输出量，作为光伏阵列的电流参考指令；δp为误差量，且δp＝p
ref-p
pv
。
[0069]
为保证低电压穿越结束后并网光伏系统的稳定性，当并网光伏系统的控制模式从正常运行模式切换到低电压穿越运行模式时，应闭锁正常运行下最大功率点跟踪模式输出的电压参考值v
ref
，使其不再随时间变化，从而加快光伏输出功率在电网侧故障清除后的恢复速度。
[0070]
下面详细说明图3中本发明穿越控制方法的框图的具体过程：
[0071]
如图3所示，该图将正常运行和低电压穿越运行两种工况结合在一起，其中，图3下部的控制为逆变器的控制：首先，在正常运行时，i
dref0
由带有“正常运行”标识的vdc控制环决定，i
gref0
由无功功率控制环q决定，此时图3中方框的输出i
dref
＝i
dref0
，i
qref
＝i
qref0
，也就是输入输出保持一致；其次，如果某一个时刻故障出现，则控制是从正常运行工况切换到低电压穿越运行工况，此时图3中方框的输入i
dref0
发生变化，从vdc控制环变成有功功率控制环p，意味着i
dref0
发生变化，但是i
qref0
没有发生变化，它仍然由无功控制环q决定。但是，在低电压穿越过程中，逆变器需要按照并网要求输出一定的无功量，因此，按照上述步骤2)中公式(1)确定，即图3方框中的i
gref
＝f(vrms，in)，该表达式即为公式(1)。最后，根据公式(2)计算出的有功功率p
ref
，它有另外一种表达形式，即公式(3)，公式(3)表明有功功率p
ref
和有功电流参考值i
dref
之间存在线性关系，因此通过公式(3)直接算出i
dref
的值作为方框的输出，则可省掉有功功率控制环p，提高计算效率。
[0072]
图3上部的控制为前级boost变换器的控制，首先是最外环的直流母线电压vdc控制，其目的是让直流母线电压跟随设定的直流母线电压参考值vdc
ref
，外环的输出原先为光
伏的输出电流参考值i
pvref0
，叠加逆变器传输的有功功率p
ref
与光伏实际输出功率p
pv
的差值δp后，变为修正后的光伏输出电流参考值即输出电流指令i
pvref
，该参考值与光伏实际输出电流i
pv
构成boost变换器的电流控制内环，其目的是让光伏的输出电流跟随设定的参考值i
pvref
，最后的输出就是boost电路中开关的占空比。
[0073]
下面采用simulink搭建两级并网光伏系统的仿真模型对本发明的方法进行说明有效性：
[0074]
具体地，光伏阵列在温度t＝25℃和光强i＝1000w/m2的标准条件下运行，最大功率点跟踪控制采用电导增量法，最大功率点电压v
mpp
为348v，对应电流i
mpp
为14.7a，最大输出功率为5116w。
[0075]
如图3所示，为本发明穿越控制方法的框图。如图4所示，为传统穿越控制方法的框图。如图5所示，其中，图5(a)为采用传统穿越控制方法时的网侧电压、电流波形，图5(b)为采用本发明穿越控制方法时的网侧电压、电流波形。模拟过程中，两级并网光伏系统的网侧电压分别在0.1s、1.1s、2.1s时分别下降到额定值的25％、50％、75％，并在3.1s时恢复到额定值。
[0076]
如图6所示，当两级并网光伏系统的网侧电压从0.25p.u起跳变到0.50p.u，采用传统的穿越控制方法有功功率稳定需要0.25s，采用本发明的穿越控制方法稳定时间为0.08s。
[0077]
如图7(a)所示，最小和最大电压波动分别为8.3v和25.7v，而电流波动为1.8a和5.5a，光伏阵列的最小和最大输出功率波动分别为624w和2261w。从图7(b)可以看出，与传统的穿越控制方法下的波形相比，在本发明的穿越控制方法下光伏阵列的输出电压、电流和功率波动均要小得多。
[0078]
如图8所示，直流母线电压在电网侧电压下降和恢复的整个过程中可以保持稳定，光伏阵列不会因过电压而与电网断开。
[0079]
实施例2
[0080]
本实施例提供一种两级并网光伏系统低电压穿越控制系统，包括：
[0081]
数据获取模块，用于获取并网光伏系统的运行数据。
[0082]
无功电流参考值计算模块，用于根据获取的并网光伏系统的运行数据，得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的无功电流参考值。
[0083]
有功电流参考值计算模块，用于计算低电压穿越期间逆变器输出最大电流时的有功功率，并得到低电压穿越过程中并网光伏系统对电网输出的有功电流参考值。
[0084]
输出电流指令计算模块，用于将计算的有功功率作为前馈参数发送至前级升压变换器，得到光伏阵列的输出电流指令，并根据得到的光伏阵列的输出电流指令，控制逆变器的工作，完成并网光伏系统的低电压穿越控制。
[0085]
实施例3
[0086]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的两级并网光伏系统低电压穿越控制方法对应的处理设备，处理设备可以是用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例l的方法。
[0087]
所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理设备上运行的计算机程序，
处理设备运行计算机程序时执行本实施例1所提供的两级并网光伏系统低电压穿越控制方法。
[0088]
在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器(ram：random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0089]
在另一些实现中，处理器可以为中央处理器(cpu)、数字信号处理器(dsp)等各种类型通用处理器，在此不做限定。
[0090]
实施例4
[0091]
本实施例提供一种与本实施例1所提供的两级并网光伏系统低电压穿越控制方法对应的计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行本实施例1所述的两级并网光伏系统低电压穿越控制方法的计算机可读程序指令。
[0092]
计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。
[0093]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。