技术领域本发明涉及光伏发电系统技术领域，特别是涉及一种基于预测电流的光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法。
背景技术：
太阳能作为一种取之不竭用之不尽的能源，其发电市场发展迅猛，光伏并网技术已成为研究的焦点。其中低电压穿越技术被认为是光伏并网发电控制技术上的最大挑战之一。在风电领域，对低电压穿越控制技术的研究比较多，然而，目前对光伏低电压穿越的研究成果相对较少，而且现有控制方案大都是基于电网侧发生对称故障的情况下提出的低电压穿越控制方法，但是这一假设并非总是成立的，大量的现场统计数据表明，不对称跌落发生的次数远远高于三相对称跌落次数。所以，国内外的学者对电网发生不对称跌落下光伏逆变器的控制方法也做了相关研究，提出了抑制负序电流的控制策略，该策略可以有效地抑制交流侧负序电流，使三相电流平衡，但是由于存在负序电压，不能消除直流侧电压的2倍于工频的波动。
技术实现要素：
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于预测电流的光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法，以减少直流侧电压的波动，使直流侧的电压保持稳定，保证整个系统的稳定运行。为达上述及其它目的，本发明提出一种光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：步骤一，建立电网不平衡时光伏逆变器的数学模型；步骤二，分析交流侧电流控制，当电网电压发生不对称跌落时，以消除有功功率的2倍工频波动为控制目标，对光伏逆变器进行控制；步骤三，强迫光伏逆变器的输出电流在一个开关周期内跟随预先给定的电流命令值，从而抑制直流侧电压波动。进一步地，于步骤三中，还包括根据检测到的电压跌落深度，实时修正无功功率给定值的大小以调节无功功率的输出，满足并网的无功支撑要求的步骤。进一步地，步骤一进一步包括：步骤1.1，当电网发生不对称故障导致三相电压不平衡时，将三相不平衡电压和三相不平衡电流通过对称分量法分解成正序、负序和零序分量；步骤1.2，在三相电压不平衡时只考虑基波分量，则将电网电压ea、eb、ec描述为正序电压和负序电压的合成；步骤1.3，将电网电压经过3s/2r坐标变换得到正、负序分量在两相旋转的dq定向坐标系下的数学模型。进一步地，于步骤1.2中，电网电压ea、eb、ec描述为：其中，为电网电压正序、负序基波电压峰值；为正序、负序基波电压的初始相位角。进一步地，于步骤1.3中，定义静止坐标变换阵为C23，正序旋转坐标变换矩阵为R(θ)，负序旋转坐标变换矩阵为R(-θ)，则，eaebec=C23R(θ)ed+eq++C23R(-θ)ed-eq-]]>将上式经dq变换可以得到edeq=ed+eq++C23R(-θ)ed-eq-.]]>进一步地，进一步地，于步骤1.3中，正、负序分量在两相同步旋转坐标系下的数学模型为：ud+=ed++Rid++Ldid+dt-ωLiq+uq+=eq++Riq++Ldiq+dt+ωLid+ud-=ed-+Rid-+Ldid-dt+ωLiq-uq-=eq-+Riq-+Ldiq-dt-ωLid-]]>其中，上标+、-分别表示正、负序分量；下标d、q分别表示有功和无功分量；ω表示电网电压角频率。进一步地，步骤三进一步包括：将步骤二得到的交流侧正负序指令电流经过坐标变换可以得到在两相静止坐标系下的指令电流即获得预先给定的电流命令值；将逆变器输出的电流进行3/2变换，可以得到αβ坐标下的电流iα和iβ；将预先给定的电流命令值与与逆变器输出电流iα、iβ做差可以得到在一个采样周期的电流差值，得出光伏并网逆变器α轴和β轴的输出电压；将两相静止坐标系下逆变器的输出电压进行SVPWM调制，输出PWM脉冲，实现最终的控制目的。进一步地，交流侧正负序指令电流经过如下坐标变换得到在两相静止坐标系下的指令电流iαβ*=iαβ+*+iαβ-*=idq+*ejωt+idq-*e-jωt=iα*+jiβ*.]]>进一步地，光伏并网逆变器α轴和β轴的输出电压分别为：Uα=eα-Ld(iα*-iα)dt-Riα]]>Uβ=eβ-Ld(iβ*-iβ)dt-Riβ.]]>与现有技术相比，本发明一种光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法提出了一种基于预测电流的低电压穿越控制策略，抑制了直流侧电压波动,同时,根据检测到的电压跌落深度,实时修正无功功率给定值的大小以调节无功功率的输出,满足并网无功支撑要求，为电网故障情况下提高光伏并网系统的低电压穿越能力和保持稳定运行提供了理论依据。附图说明图1为本发明一种光伏发电系统的低电压穿越控制方法的流程示意图；图2为三相光伏并网发电系统的拓扑图；图3为光伏并网发电系统的功率关系图；图4为基于预测电流的控制框图。具体实施方式以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。本发明以光伏并网发电系统中的核心组成部件光伏逆变器为研究对象,首先对其数学模型进行分析，得出三相ABC静止坐标系下的数学模型，然后通过坐标变换理论，分别分析了两相αβ静止坐标系和两相而同步旋转坐标系下数学模型，为接下来提出的低电压穿越控制策略奠定理论基础。对于电网发生不对称故障，本发明提出了基于预测电流的低电压穿越控制策略。该策略在分析了电网发生不对称跌落时光伏逆变器的正、负序数学模型的基础上，以消除有功功率的2倍工频波动为控制目标，对光伏逆变器进行控制，接着强迫光伏逆变器的输出电流在一个开关周期内跟随预先给定的电流命令值，从而抑制直流侧电压波动，同时，根据检测到的电压跌落深度，实时修正无功功率给定值的大小以调节无功功率的输出，满足并网无功支撑要求。图1为本发明一种光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法，包括如下步骤：步骤101，建立电网不平衡时光伏逆变器的数学模型。当电网发生不对称故障导致三相电压不平衡时，三相不平衡电压和三相不平衡电流可以通过对称分量法分解成正序、负序和零序分量，这三个序分量相互独立，有利于对系统的分析。对称分量法，其实质是通过线性变换将不平衡的三相部分变成平衡的三相部分。为了便于分析，在三相电压不平衡时只考虑基波分量。则电网电压ea、eb、ec。可以描述为正序电压和负序电压的合成，即上式中，为电网电压正序、负序基波电压峰值；为正序、负序基波电压的初始相位角。与电网发生三相对称跌落时采用的控制策略一样，静止坐标系下的交流量不便于控制系统的设计，需要经过3s/2r坐标变换得到正、负序分量在两相旋转的dq定向坐标系下的数学模型。定义静止坐标变换阵为C23，正序旋转坐标变换矩阵为R(θ)，负序旋转坐标变换矩阵为R(-θ)，矩阵形式如下：C23=10-1232-12-32,R(θ)=cosθ-sinθsinθcosθ,R(-θ)=cosθsinθ-sinθcosθ---(2)]]>所以，在两相dq同步旋转坐标系下，(1)式可以描述为eaebec=C23R(θ)ed+eq++C23R(-θ)ed-eq----(3)]]>将上式经dq变换可以得到edeq=ed+eq++C23R(-θ)ed-eq----(4)]]>图2为三相光伏并网发电系统的拓扑图。根据图2的光伏并网发电系统的拓扑结构，可以得到如下正、负序分量在两相同步旋转坐标系下的数学模型为：ud+=ed++Rid++Ldid+dt-ωLiq+uq+=eq++Riq++Ldiq+dt+ωLid+ud-=ed-+Rid-+Ldid-dt+ωLiq-uq-=eq-+Riq-+Ldiq-dt-ωLid----(5)]]>式中，u分别为光伏并网逆变器的电压，上标+、-分别表示正、负序分量；下标d、q分别表示有功和无功分量；ω表示电网电压角频率。由上式可以看出，正序和负序分量相互独立解耦，R、L为电阻和电感。步骤102，分析交流侧电流控制。在电网发生不对称跌落引起三相电网电压不平衡时，光伏并网逆变器输送到电网的复功率为：S‾=P+jQ32eαβiαβ‾=32(edq+ejωt+edq-e-jωt)(idq+ejωt+idq-e-jωt‾)---(6)]]>求解上式，可以推出并网逆变器输送到电网的瞬时有功、无功功率为：P=P0+Pcos2cos(2ωt)+Psin2sin(2ωt)Q=Q0+Qcos2cos(2ωt)+Qsin2sin(2ωt)---(7)]]>式中，P0、Q0分别为瞬时有功功率、无功功率的平均值；Pcos2、Psin2分别为二次有功余弦、正弦项谐波峰值；Qcos2、Qsin2分别为二次无功余弦、正弦项谐波峰值。展开为：P0=32(ed+id++eq+iq++ed-id-+eq-iq-)Pcos2=32(ed+id-+eq+iq-+ed-id++eq-iq+)Psin2=32(ed+iq--eq+id--ed-iq++eq-id+)---(8)]]>Q0=32(eq+id+-ed+iq++eq-id--ed-iq-)Qcos2=32(eq-id+-ed-iq++eq+id--ed+iq-)Qsin2=32(ed+id-+eq+iq--ed-id++eq-iq+)---(9)]]>由上两式可知，当电网发生三相对称跌落时，有功、无功功率都是恒定的平均功率P0、Q0，不存在2倍工频波动；当电网发生不对称跌落时，光伏并网发电系统输送到电网的有功和无功才存在2倍工频波动分量。由图3得出以下关系式：Ppv＝PC+Pg(10)式中，Ppv为光伏并网发电系统电池板输出的功率,PC为直流侧电容功率,Pg为光伏逆变器输出的功率从图3和(10)式知Pg就是(7)式中的P，从而得到如下的公式：Ppv-(P0+Pcos2+Psin2)=d(12Cudc2)dt---(11)]]>式中，udc为直流侧电网电压的瞬时值当电网发生不对称跌落时，由于交流侧电感的存在以及对交流输出电流幅值的限制，Pg将减小，由式(11)可知直流侧电压必然上升；逆变器输出的2倍工频的有功功率会使得直流侧电压以2倍工频振荡。所以，以消除有功功率的2倍工频波动为控制目标，对光伏并网逆变器进行控制。假设有功、无功功率指令给定为则相应的电流指令由式(8)和式(9)可得P0*Q0*00=32ed+eq+ed-eq-eq+-ed+eq--ed-eq--ed--eq+ed+ed-eq-dd+eq+id+*iq+*id-*iq-*---(12)]]>上式中,和分别为电网电压的正、负序分量。由式(12)可以得到交流侧电流指令为id+*iq+*id-*iq-*=ed+eq+ed-eq-eq+-ed+eq--ed-eq--ed--eq+ed+ed-eq-ed+eq+-123P0*23Q0*00=2P0*3D1ed+eq+-ed--eq-+2Q0*3D2eq+-ed+eq--ed----(13)]]>式中，在本步骤中，在以前的研究基础上，结合光伏并网逆变器的应用提出了新的控制算法，以实现下述功能：(1)抑制直流侧电压波动。由于光伏并网逆变器直接连于电网，当电网发生不对称故障引起电网电压不平衡时，直流侧电压产生波动，影响交流侧输出的电流，使之产生谐波，这会对电网造成污染。所以需要保证在电网电压不平衡时光伏并网逆变器直流侧电压的控制精度。(2)简化控制算法。双电流闭环控制算法理论上比较成熟，但是需要检测三相电压和电流并需要在线进行分解，需要在正序和负序坐标系下进行前馈解耦控制，控制算法复杂；同时双电流控制内外环共有5个PI调节器，实际调节起来比较复杂。因此，有必要对控制算法进行简化。从上述两点出发，本发明提出了两相静止坐标系下基于预测电流的控制方法。步骤103，基于预测电流的控制。预测电流控制，就是强迫逆变器输出电流ik(k＝a,b,c)在一个开关周期内跟随一个预先给定的电流命令值im变化。以三相光伏并网逆变器拓扑图中的a相为例，可写出电网电压的瞬态电压方程为：ea=Ldiadt+Ria+ua---(14)]]>设一个开关周期的占空比为dk(k＝a,b,c)，则由逆变器输出侧的电压与直流侧电容电压Udc的关系可以得出(以a相为例)：ua=udc(da-12)---(15)]]>式中，ua为光伏并网逆变器a相输出电压，即需要进行调制的电压。令一个周期内，ik跟随im变化，则电流的变化率为diadt=im-iaTs---(16)]]>式中，Ts为采样周期。由式(14)(15)(16)得到预测电流控制规律：dk=1udc[ea-(R-LTs)ia-LTsim]+12---(17)]]>上式的含义是：以此占空比控制开关管，则并网电流将在一个开关周期内跟随指令电流。上面是对预测电流控制原理的分析，下面将具体介绍预测电流控制的设计思路。将式(13)所得的正负序指令电流经过坐标变换可以得到在两相静止坐标系下的指令电流即iαβ*=iαβ+*+iαβ-*=idq+*ejωt+idq-*e-jωt=iα*+jiβ*---(18)]]>式(18)就是经过预测的下一个时刻的电流值，即就是预先给定的电流命令值。然后将逆变器输出的电流进行3/2变换，可以得到αβ坐标下的电流iα和iβ。在两相静止坐标系下以α轴为例，将预先给定的电流命令值与逆变器输出电流iα做差可以得到在一个釆样周期的电流差值，由此可以得出光伏并网逆变器α轴的输出电压为Uα=eα-Ld(iα*-iα)dt-Riα---(19)]]>同理可以得到β轴上的光伏并网逆变器的输出电压为Uβ=eβ-Ld(iβ*-iβ)dt-Riβ---(20)]]>将两相静止坐标系下逆变器的输出电压进行SVPWM调制，输出PWM脉冲，实现最终的控制目的，控制框图如图4所示。图中，当电网正常运行时，平均无功功率给定值可以单独给出，为使光伏并网系统单位功率因数运行，使当电网电压发生跌落时，需根据检测到的电压跌落深度，实时修改的大小从而调节逆变器的无功功率输出。平均有功功率给定值和直流侧电压给定值有关，关系式如下：P0*=Udc*[(KP+Kls)(Udc*-Udc)]---(21)]]>由图可知，基于预测电流的控制策略不需要对电流进行正负序分解，与一般的双电流闭环控制相比，实现起来比较容易，控制方法简单。综上所述，本发明一种光伏并网发电系统的低电压穿越控制方法提出了一种基于预测电流的低电压穿越控制策略，抑制了直流侧电压波动,同时,根据检测到的电压跌落深度,实时修正无功功率给定值的大小以调节无功功率的输出,满足并网无功支撑要求，为电网故障情况下提高光伏并网系统的低电压穿越能力和保持稳定运行提供了理论依据。上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。