附加阻尼控制的光伏并网系统及控制方法与流程

1.本发明属于光伏发电并网领域，涉及一种光伏并网逆变器，具体地说是一种附加阻尼控制的光伏并网系统，本发明还提供了一种附加阻尼控制的光伏并网系统的控制方法。


背景技术：

2.随着能源的不断消耗，新能源的探索不断加强，尤其是电能，已由原来传统的煤炭发电发展为煤炭发电、风力发电、光伏发电等多种方式并存的模式。其中以光伏发电为代表的能源发电所利用的是自然界存在的绿色能源，因而近年来备受推崇。由于我国目前的电力系统已经成熟，因此光伏发电系统输出的电能想要并入现有的电网，需要设计并网系统对光伏发电系统输出的电能进行处理后再并入电力系统中，以保证并网后电力系统的稳定。
3.目前光伏发电通过并网系统将光伏电池板产生的直流电进行处理，最终形成与电网同步的三项交流电输入电网中。而并网系统中使用大量电力电子器件，繁杂的电子器件相互协调控制为电网带来新的扰动因素及安全稳定问题。因此，需要设计可靠的并网系统，以保证电力系统的稳定性。


技术实现要素：

4.本发明的目的，是要提供一种附加阻尼控制的光伏并网系统，以实现光伏并网系统稳定运行的同时，提高交流系统的阻尼水平。
5.本发明的另一目的是，提供一种附加阻尼控制的光伏并网系统的控制方法，该方法能够增强交流系统的稳定特性。
6.本发明为实现上述目的，所采用的技术方案如下：
7.一种附加阻尼控制的光伏并网控制系统，包括光伏板、升压电路、用于控制光伏板发电工作处于最大功率点处的最大功率点跟踪控制电路、逆变器、输出电路，所述光伏板的输出信号依次通过升压电路、逆变器、输出电路连接至三相电网，所述最大功率点跟踪控制电路的输入端连接光伏板的输出端，其输出端控制连接逆变器，其特征在于，它还包括并网逆变器阻尼控制模块，所述并网逆变器阻尼控制模块包括fpd控制器、解耦电容、pi控制器、电流内环控制器，以及spwm驱动电路，所述解耦电容并接于逆变器的输入端，fpd控制器的信号输入端接收并网系统侧的角频率偏差，输出电流内环无功电流补偿值至电流内环控制器，同时输出逆变器直流电压补偿值至pi控制器；所述pi控制器的输入端还输入逆变器直流电压实际值和逆变器直流电压参考值，pi控制器的输出信号传送至电流内环控制器；并网系统交流侧电压、电流均作为电流内环有功、无功解耦输送至电流内环控制器；电流内环控制器的输出信号通过spwm驱动电路控制连接逆变器。
8.作为对本发明的限定：所述升压电路包括串接的升压电感和储能电容，所述储能电容并接于光伏板输出信号的两端，储能电容连接光伏板正极输出端的一端串接升压电
感。
9.作为对本发明的进一步限定：所述最大功率点跟踪控制电路包括太阳能控制器、第七调制解调器、第七开关管，所述太阳能控制器的信号输入端连接光伏板的负极输出，其输出端通过第七调制解调器连接第七开关管的发射集，第七开关管的集电极连接升压电感未连接储能电容的一端。
10.作为对本发明的更进一步限定：所述解耦电容与二极管的串联电路并接于升压电路的两端，其中解耦电容的一端连接二极管的阴极，二极管的阳极连接升压电路的正极输出端，解耦电容的另一端连接升压电路的负极输出端，所述解耦电容的端输出直流侧电压实际值；
11.所述输出电路包括逆变侧电感、网侧电感，逆变器的输出端依次串接逆变侧电感、网侧电感连接三相电网。
12.本发明还提供了一种控制方法，用于对上述的附加阻尼控制的光伏并网系统进行控制，该方法以并网系统侧的角频率偏差作为fpd控制器的输入，分别得到逆变器直流电压补偿值、电流内环无功电流补偿值；然后将逆变器直流电压补偿值、逆变器直流电压实际值和逆变器直流压参考值作为外环输入至pi控制器，pi控制器输出用来维持直流侧电压恒定的电流内环指令值，同时，pi控制器辨识并将并网系统交流侧电压、电流作为电流内环控制器有功、无功解耦控制输入值；最后，逆变器在附加pdk控制方式下触发spwm驱动电路进行阻尼调整与并网控制。
13.作为对上述方法的限定：所述逆变器直流电压参考值由以下公式求得：
14.u
dcref
＝um(1-0.00288
△
t)
·
ln(e+0.5
△
s)
ꢀꢀꢀ
(1)
15.其中，s为光照强度，um为光伏最大功率输出对应的电压值，
△
t为温度差，
△
s为光照差。
16.作为对上述方法的进一步限定：所述pi控制器输出的用来维持直流侧电压恒定的电流内环指令值包括d轴参考电流i
dref
、d轴参考电压u
dref
，q轴参考电流i
qref
、q轴参考电压u
qref
，其中d轴参考电流i
dref
通过以下公式求得：
17.i
dref
＝kp1(u
dcref-u
dc
+
△
p)+ki1·
y1ꢀꢀꢀ
(2)；
18.d轴参考电压u
dref
通过以下公式求得：
19.u
dref
＝kp2(i
dref-id)+ki2·y2-ωl iq+udꢀꢀꢀ
(3)
20.式(2)、(3)中u
dc
为逆变器直流电压实际值，p1为d轴比例系数，
△
p为逆变器直流电压补偿值，k为增益，i1为d轴积分系数，id为并网系统交流侧输出电流，iq为并网系统交流侧d轴电流，ud为并网系统交流侧输出电压，i2为q轴积分系数，y1、y2为变量，所述y1、y2变量满足以下公式：
[0021][0022]
q轴参考电流i
qref
通过以下公式求得：
[0023]iqref
＝kp3(q
ref-q+
△
q)+ki3·
y3ꢀꢀꢀ
(5)；
[0024]
q轴参考电压u
qref
通过以下公式求得：
[0025]uqref
＝kp4(i
qref-iq)+ki4·y4-ωl id+uqꢀꢀꢀ
(6)
[0026]
式(5)、(6)中q
ref
为无功参考值，q为无功输出值，
△
q电流内环无功电流补偿值，i3为内环积分系数，p4为内环比例系数，i4为内环积分系数，ω为角频率，l为电感id、uq为并网系统交流侧d轴输出电流，y3、y4为变量，所述y3、y4变量满足以下公式：
[0027][0028]
所述ω由待补偿相位α整定公式求得：
[0029][0030]
式中t1为pdk控制系统中的时间常数，t2为滞后系数，θ为相角度。
[0031]
作为对上述方法的最后一种限定：所述电流内环无功电流补偿值由以下公式求得：
[0032]
δq＝kqδω＝kqpδδ
ꢀꢀꢀ
(9)；
[0033]
式中kq为无功补偿增益，p为微分算子，
△
δ为功角差。
[0034]
本发明由于采用了上述的技术方案，其与现有技术相比，所取得的技术进步在于：
[0035]
(1)本发明设置有并网逆变器阻尼控制模块，该模块通过将阻尼附加于逆变器电压外环以及电流内环作为无功电流的参考输入，在保证光伏并网系统稳定运行的同时，提高交流系统的阻尼水平，增强系统的稳定性。
[0036]
(2)本发明设置有最大功率点跟踪控制电路，根据光伏板发出的直流电压和直流电流得到spwm信号，燃控利用spwm信号控制开关管的通断，从而控制光伏板发电工作在最大功率点处。
[0037]
(3)本发明的控制方法将并网系统侧的角频率偏差作为fpd控制器的输入，分别得到逆变器直流电压补偿值、电流内环无功电流补偿值，然后将逆变器直流电压补偿值、逆变器直流电压实际值、逆变器直流电压参考值作为输入值传送至pi控制器进行处理后输出d轴电流参考值，并将上述的d轴电流参考值作为电流内环指令，以维持逆变器直流侧电压的恒定；同时，pi控制器辨识并将并网系统交流侧电压、电流作为电流内环控制器有功、无功解耦控制输入值；最后，逆变器在附加pdk控制方式下触发spwm驱动电路进行阻尼调整与并网控制。上述通过将阻尼附加于逆变器电压外环以及电流内环作为无功电流的参考输入的控制方法，既保证了光伏并网系统的稳定运行，又提高了交流系统的阻尼水平，增强了交流系统动态稳定性。
[0038]
综上所述，本发明的控制系统结构简单，能够有效协调各电子器件对电网带来的
新的扰动，保证系统安全稳定；本发明的控制方法既保证了光伏并网系统的稳定运行，又提高了交流系统的阻尼水平，增强了交流系统动态稳定性。
附图说明
[0039]
图1为本发明实施例1的电路原理图；
[0040]
图2为实施例1中光伏逆变器附加阻尼控制策略的简化模型图；
[0041]
图3为本发明pdk控制环节的原理框图；
[0042]
图4为将实施例1的控制系统并入系统电网的等值电路图；
[0043]
图5为本发明实施例3中搭建的2区域4机系统仿真等值电路图；
[0044]
图6为本发明实施例3中光伏电站附加控制下线路有功功率波形图；
[0045]
图7为本发明实施例3中发电机g2′
的有功功率波形图；
[0046]
图8为本发明实施例3中光伏板附加pdk阻尼控制下并网功率波形图；
[0047]
图9为本发明实施例3中光伏板辐照度突变波形图；
[0048]
图10为本发明实施例3中光伏电站光照突变同步机组有功功率波形图；
[0049]
图11为本发明实施例3中光伏电站光照度突变并网母线电压响应波形图。
具体实施方式
[0050]
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
[0051]
实施例1附加阻尼控制的光伏并网系统
[0052]
本实施例中所述的“前”“后”“左”“右”均是为了方便描述而定义，不构成对本发明保护范围的限制。
[0053]
本实施例提供一种附加阻控制的光伏并网系统，该系如图1所示，包括：
[0054]
一、光伏板pv，所述光伏板pv为现有技术中的光伏发电板，光伏板pv的两端分别为正极输出端与负极输出端。
[0055]
二、升压电路，用于将光伏板pv产生的直流电压uv进行升压，转换为逆变器的额定电压。本实施中的升压电路由升压电感lv和储能电容cv构成，所述储能电容cv并接于光伏板pv输出信号的两端，储能电容cv连接光伏板pv正极输出端的一端串接升压电感lv。
[0056]
三、逆变器，用于将输入的直流电转换为三项交流电，本实施例中的逆变器采用现有技术中的逆变器，即如图1所示，包括第一开关管v1～第六开关管v6，所述每一开关管的集电极与发射集之间串接有一二极管。
[0057]
四、输出电路，用于将逆变器转换出的三项交流电进行处理后并网至三项电网。本实施例中的输出电路包括逆变器侧电感l
p
、网侧电感lm，所述逆变器的输出端依次串接逆变侧电感、网侧电感后连接三相电网。为保证输出的电压没有干扰，所述输出电路还包括滤波器，所述滤波器的信号输出端连接逆变器侧电感l
p
与网侧电感lm连接的线路上。
[0058]
五、最大功率点跟踪控制电路，用于控制光伏板pv发电工作处于最大功率点处。本实施例中的最大功率点跟踪控制电路包括太阳能控制器mppt、第七调制解调器spwm7、第七开关管v7，其中太阳能控制器mppt的信号输入端连接光伏板pv的负极输出，其输出端通过第七调制解调器spwm7连接第七开关管v7的发射集，第七开关管v7的集电极连接升压电感lv未连接储能电容cv的一端。
[0059]
六、并网逆变器阻尼控制模块，包括fpd控制器、并接于逆变器输入端的解耦电容c
dc
、pi控制器、电流内环控制器，以及spwm驱动电路，所述解耦电容c
dc
的一端连接光伏板pv的负极输出端，另一端通过第一二极管vd1连接光伏板pv的负极输出端，同时解耦电容c
dc
还并接逆变器的输入端；fpd控制器的信号输入端由解耦电容c
dc
接收并网系统侧的角频率偏差
△
ω，输出电流内环无功电流补偿值
△
q至电流内环控制器，同时输出逆变器直流电压补偿值
△
p至pi控制器；所述pi控制器的输入端还输入直流侧电压实际值u
dc
和逆变器直流电压参考值u
dcref
。本实施中所述逆变器直流电压参考值u
dcref
由以下公式求得：
[0060]udcref
＝um(1-0.00288
△
t)
·
ln(e+0.5
△
s)
ꢀꢀꢀ
(1)
[0061]
其中，s为光照强度，um为光伏最大功率输出对应的电压值，
△
t为温度差，
△
s为光照差。
[0062]
pi控制器输出的用来维持直流侧电压恒定的电流内环指令值，该指令值参考图2所示，包括d轴参考电流i
dref
、d轴参考电压u
dref
，q轴参考电流i
qref
、q轴参考电压u
qref
，其中d轴参考电流i
dref
通过以下公式求得：
[0063]idref
＝kp1(u
dcref-u
dc
+
△
p)+ki1·
y1ꢀꢀꢀ
(2)；
[0064]
d轴参考电压u
dref
通过以下公式求得：
[0065]udref
＝kp2(i
dref-id)+ki2·y2-ωl iq+udꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
式(2)、(3)中u
dc
为逆变器直流电压实际值，p1为d轴比例系数，
△
p为逆变器直流电压补偿值，k为增益，i1为d轴积分系数，id为并网系统交流侧输出电流，iq为并网系统交流侧d轴电流，ud为并网系统交流侧输出电压，i2为q轴积分系数，y1、y2为变量，所述y1、y2变量满足以下公式：
[0067][0068]
q轴参考电流i
qref
通过以下公式求得：
[0069]iqref
＝kp3(q
ref-q+
△
q)+ki3·
y3ꢀꢀꢀ
(5)；
[0070]
q轴参考电压u
qref
通过以下公式求得：
[0071]uqref
＝kp4(i
qref-iq)+ki4·y4-ωl id+uqꢀꢀꢀ
(6)
[0072]
式(5)、(6)中q
ref
为无功参考值，q为无功输出值，
△
q电流内环无功电流补偿值，i3为内环积分系数，p4为内环比例系数，i4为内环积分系数，ω为角频率，l为电感id、uq为并网系统交流侧d轴输出电流，y3、y4为变量，所述y3、y4变量满足以下公式：
[0073][0074]
所述ω由待补偿相位α整定公式求得：
[0075][0076]
式中t1为pdk控制系统中的时间常数，t2为滞后系数，θ为相角度。
[0077]
上述公式(8)中的数据是以pdk控制所得到的，具体pdk控制环节如图3所示进行测量环节，图中t1为时间常数，隔离直流分量模块，tw取值4～8s，补偿相位模快通过相角补偿得到坐标轴虚轴的极点增加系统稳定，比例放大k控制阻尼强度。
[0078]
并将传送至电流内环控制器；并网系统交流侧电压、电流ud、uq、id、iq均作为电流内环有功、无功解耦输送至电流内环控制器；电流内环控制器的输出信号通过spwm驱动电路控制连接逆变器。
[0079]
本实施例中的spwm驱动电路包括第一调制解调器spwm1～第六调制解调器spwm6，每一调制解调器对应控制逆变器中的一个开关管。
[0080]
而利用本实施例中所述电流内环无功电流补偿值
△
q由以下公式求得：
[0081]
δq＝kqδω＝kqpδδ
ꢀꢀꢀ
(9)；
[0082]
式中kq为无功补偿增益，p为微分算子，
△
δ为功角差。
[0083]
上式(9)可知，通过调节控制器相关参数即可增加系统阻尼特性。
[0084]
本实施例的控制原理为：以并网系统侧的角频率偏差
△
ω作为fpd控制器的输入，分别得到逆变器直流电压补偿值
△
p、电流内环无功电流补偿值
△
q；然后将逆变器直流电压补偿值
△
p、逆变器直流电压实际值u
dc
和逆变器直流压参考值u
dcref
作为外环输入至pi控制器，pi控制器输出用来维持直流侧电压恒定的电流内环指令值，同时，pi控制器辨识并将并网系统交流侧电压、电流ud、uq、id、iq作为电流内环控制器有功、无功解耦控制输入值；最后，逆变器在附加pdk控制方式下触发spwm驱动电路进行阻尼调整与并网控制。
[0085]
实施例2具有附加阻尼控制的光伏并网系统的并网电路
[0086]
本实施例将实施例1提供的附加阻尼控制的光伏并网系统并入电网中，具体并网的电路如图4所示，所述光伏板pv获得的直流信号经由逆变器转换后，通过升压变压器并网。图中g1为同步发电机组；g2为无穷大系统；ug为光伏电站并网点电压；e
′
为g1的暂态电势；u为g2端电压；θ为e
′
与ug的相角差；δ为e
′
与u的相角差；x1、x2为线路电抗。
[0087]
上述电路中，通过dc/ac逆变器并网的光伏电站接入电网后改变了系统潮流分布、无功电压及有功频率特性，但通过对光伏进行合理控制可以增强接入同步发电机组系统的
阻尼特性并加强大电网暂态稳定能力。
[0088]
基于有功、无功解耦的光伏逆变器在保证直流侧电压稳定的条件下通过附加控制可以调整与系统交换的功率，调节并网电压水平，鉴于此，推理基于pdk附加控制策略的光伏电站通过逆变器双环阻尼控制实现增强与同步发电机组并网系统的阻尼水平，改善优化阻尼特性能力，提高光伏并网系统稳定运行水平与可靠供电能力。
[0089]
其中，同步发电机组g1的功率输出分别表示为：
[0090][0091]
不计同步发电机组励磁、调速因素，二阶经典模型的同步发电机组小扰动方程为：
[0092]
hgp2δδ+dpδδ+δpg＝0
ꢀꢀꢀ
(11)
[0093]
式中hg为惯量系数，p为微分算子，d为阻尼系数，
△
δ为功角差值，
△
pg为有功功率差值。
[0094]
由同步发电机组、光伏板及大电网功率平衡关系得：
[0095][0096]
逆变器装置附加pdk控制作用下动态无功功率增量为
△
qg，所述
△
qg由以下公式求得：
[0097]
δqg＝δq＝-kqδω
ꢀꢀꢀ
(13)
[0098]
上式中-kq为无功环阻尼控制器值，
△
ω为光伏附加阻尼控制器输入为系统角频率变化量。
[0099]
光伏附加阻尼控制器输入为系统角频率变化量
△
ω，入网汇集点(pcc)测得的角频率变化范围视为发电机角频率的变化量，控制器输出的有功功率阻尼增量如下:
[0100]
式中：k为有功阻尼控制系数，
△
ω即为pcc处角频率变化值，即光伏附加阻尼控制器输入系统的角频率变换量。则对式(12)求小扰动量
[0101][0102]
δθ＝kδδ+a1δug+a2kkqpδδ
ꢀꢀꢀ
(16)
[0103]
本实施例中极点配置为-1.42+j6.21，阻尼比为18.02％，按式整定控制器参数得
[0104][0105]
联立求得小扰动方程为
[0106][0107]
式中a1、a2具有以下关系：
[0108][0109]
式(18)(19)中hg为惯量系数，p微分算子，δδ功角差，d阻尼系数，ug0为光伏电站并网点电压，δ0、θ0分别为对应角度的初始值。
[0110]
由式(18)可知，调节整定控制器k的值在合理区间；光伏电站附加阻尼控制器通过功率调节控制效能显著增强了系统阻尼特性。设置无功环阻尼控制器值kq》0，系统特征根继续左移进一步提高了阻尼能力，保证了并网系统的坚强稳定。
[0111]
实施例3仿真分析
[0112]
本实施例依托digsilent平台完成实施例1的附加阻尼控制光伏并网系统并入4机2区域系统的搭建，搭建的模型具体如图5所示，图5中mppt采用算法，附加阻尼控制的光伏电站经逆变后，与同步机组g2′
通过母线6并入电网，阻尼控制器输入信号为系统角速度偏差δωs。光伏电站正常方式有功最大功率为250mw。设定电站辐照强度初始值为800w/m2，同步发电机组未装设pss，机组容量900mw，正常运行方式下有功发出600mw。区域1向区域2的传输功率正常为220mw。
[0113]
一、正常运行方式光伏附加控制仿真
[0114]
设定光伏电站光照强度、温度不突变，节点7、节点8第一回联络线在1.8s发生三相短路故障，0.05s后切除故障；仿真光伏逆变器无附加阻尼控制pv-npd，附加前馈功率阻尼控制pv-pd下，联络线有功功率见图6，发电机g2′
的有功功率见图7，而光伏板附加阻尼控制方式下输出功率与并网功率波形如图8所示。由图6，图7可知，光照恒定且正常运行方式下，光伏电站逆变器装置附加前馈阻尼控制有效增强优化了并网系统的阻尼，小干扰开始后联络线功率、同比机组在8s内得到平抑大幅度缩短了功率振荡的持续时间。由图8可知，光伏板输出功率为248.6mw，并网功率为246.5mw，表明附加阻尼逆变器在提高阻尼特性能力的同时可以提供较高功率因数，保证并网系统可靠高质量运行。
[0115]
二、光照突变方式光伏电站附加控制仿真
[0116]
设定光伏电站在恒定温度25℃条件下，在1.8s时辐照度从1500w/m2突变至800w/m2，研究附加控制动态响应效果；图9为25℃时辐照度变化曲线，光伏突变方式下发电机g2′
有功功率如图10所示，并网点电压见图11。
[0117]
由图10和图11可知，光伏板在辐照度变化时，与传统光伏逆变器电压外环、电流内环控制相比较，附加阻尼控制可以很好响应系统动态调节响应，阻尼控制器通过附加有功功率、无功功率补偿于逆变器解耦双环形成了显著的应对外界环境干扰机制，增强了并网同步机组平抑功率波动能力。同时阻尼控制器通过无功电压调节能力有效抑制了并网系统电压波动，为大电网提供了高质量可靠的动态稳定支撑能力。
[0118]
上述仿真试验通过光伏-同步机并网系统推理了逆变器附加控制增加系统阻尼转矩的机理，结合阻尼转矩分析整定控制参数。仿真光伏逆变器附加阻尼控制策略提高了并网系统阻尼水平，设置光照突变等扰动因素进一步表明所提控制策略具有较强鲁棒性能，可以有效稳定并网母线电网，大力提升了光伏并网系统稳定运行能力和性能。上述描述仅是对本实施例的最佳描述，并不构成对本发明保护范围的限定。