参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路、装置及方法与流程

1.本发明涉及新能源并网领域，更具体的，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路、装置及方法。


背景技术：

2.光伏发电逆变器，能够将太阳能电池实现的直流电能输出经过交直流转换后传递给蓄电池充电，并通过蓄电池为电网中的交流负载进行供电。随着光伏发电系统、以及各类分布式新能源电站的大量应用，光伏并网逆变器成为了光伏发电技术必不可少的重要设备。
3.在光伏发电逆变器所实现的光伏并网系统中，系统的低电压穿越(lvrt，lowvoltageride-through)和高电压穿越(hvrt，highvoltageride-through)能力是光伏并网系统的两个重要参数，其表征着光伏发电逆变器在各种不同的发电情况下，能够实现的光伏并网运行能力。具体来说，如果逆变器不具备优良的电压穿越能力，则可能会在光伏发电机突然脱网或并网时，导致电力系统运行状态的恶化，并存在引发严重事故的风险。然而，若逆变器具备优良的电压穿越性能，则在光伏发电机并网或脱网过程中，则可以较大程度上保证电力系统的正常运行。
4.现有技术中，针对逆变器的电压穿越能力也存在相关的研究，例如，针对高电压穿越，采用虚拟阻抗、转子电流滞环等控制方法能够有效的改善电网电压骤升所激发的双馈电机自身的电磁暂态特性。
5.然而，现有技术中针对电压穿越能力的光伏发电系统模型和相关技术的计算过程均较为复杂，需要考虑和计算高频谐波才能使计算结果足够准确，因此模型仿真时间长，难以满足大规模光伏电站接入电力系统时的高速仿真要求。另外，现有技术中对于电压穿越能力的补偿通常是采用在光伏电站内加装无功补偿装置实现的，这种方式忽略了光伏逆变器本身的无功输出能力，无法对光伏逆变器的无功输出加以有效利用，造成了一定程度的浪费。
6.针对上述问题，本发明提供了一种新的参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路、装置及方法。


技术实现要素：

7.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路、装置及方法，该方法能够对光伏发电系统中输出电压的升高和降低的异常情况进行判断，并根据判断结果分别实现有功参考电流和无功参考电流的补偿。
8.本发明采用如下的技术方案。
9.本发明第一方面，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路，逆变器的控制电路中包括功率限制单元、有功参考电流发生单元、无功电流注入单元和坐标转换
单元；其中，功率限制单元为控制电路提供无功参考电压和有功参考电压，并基于电压生成无功参考电流和有功参考电流；有功参考电流发生单元，根据光伏发电系统输出电压的降低故障情况，选择生成新的有功参考电流；无功电流注入单元，根据光伏发电系统输出电压的降低或升高故障情况，对无功参考电流提供补偿；坐标转换单元，将补偿后的无功参考电流和新的有功参考电流进行坐标转换，并输出至pwm单元中，以实现pwm单元对逆变器的控制并实现高、低电压穿越。
10.优选的，当有功参考电流发生单元判断出光伏发电系统输出电压低于稳态电压范围时，生成新的有功参考电流；当有功参考电流发生单元判断出光伏发电系统输出电压处于稳态电压范围中、或高于稳态电压范围时，不生成新的有功参考电流。
11.优选的，新的有功参考电流为
[0012][0013]
其中，i
ref
为有功参考电流，v
t_scaled
为v
t
在0.4pu至0.9pu范围内的标准逆变电压，v
t
为光伏发电逆变器的输出电压，pu为标幺值。
[0014]
优选的，当无功电流注入单元判断出光伏发电系统输出电压位于稳态电压范围时，不对无功参考电流提供补偿；当无功电流注入单元判断出光伏发电系统输出电压低于稳态电压范围中时，对无功参考电流提供第一补偿电流；当无功电流注入单元判断出光伏发电系统输出电压高于稳态电压范围中时，对无功参考电流提供第二补偿电流。
[0015]
优选的，第一补偿电流为i
q_l_inject
＝(v
ref-v
t
)c
lv
；
[0016]
其中，v
ref
为固定大小的参考电压，c
lv
为低电压补偿因子，取值为常数。
[0017]
优选的，第二补偿电流为i
q_h_inject
＝c
hv
·
(v
olim-v
t
)/v
t
；其中，c
hv
为高电压补偿因子，取值基于光伏发电系统所接入的配电网电压情况确定；v
olim
为阈值电压，取值为1.1pu。
[0018]
优选的，功率限制单元包括第一第二耦合器、第一第二pi控制器、第一第二除法器；其中，第一耦合器耦合有功参考功率和有功输出功率，并通过第一pi控制器与第一n/d连接，第二耦合器耦合无功参考功率合无功输出功率，并通过第二pi控制器与第二n/d连接，第一与第二n/d分别接收输出电压并分别生成无功参考电流和有功参考电流。
[0019]
优选的，坐标转换单元接收无功参考电流、有功参考电流和逆变器的锁相环相位，并生成三相控制电流以输入至pwm单元中。
[0020]
本发明第二方面，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制装置，装置采用本发明第一方面中所述的一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路实现。
[0021]
本发明第三方面，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制方法，方法采用本发明第一方面中所述的一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路实现；并且，方法包括以下步骤：步骤1，对光伏发电系统输出电压的大小进行判断，以获取逆变器的工作状态；步骤2，基于逆变器的工作状态，采用有功参考电流发生单元或无功电流注入单元对逆变器进行控制以实现高、低电压穿越和逆变器的稳定运行。
[0022]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明中的一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路、装置及方法，能够对光伏发电系统中输出电压的升高和降低的异常情况进行判断，并根据判断结果分别实现有功参考电流和无功参考电流的补偿。本发明计算过程简便，计算结果准确，能够在逆变器发生高压和低压故障穿越时提供合理的无功、
有功参考电流补偿，从而确保电力系统的稳定运行。
[0023]
本发明的有益效果还包括：
[0024]
1、本发明能够利用光伏逆变器对电网中的无功功率进行吸收，并同时向电网中注入无功感性电流，进而实现电压故障期间的系统稳定。
[0025]
2、本发明模型能够在仿真过程中大幅缩短仿真时间，同时不会对仿真结果造成不利影响。本发明能够通过调节逆变器的高低压穿越能力，从而改善电力系统故障时的危害指数，加强了光伏发电系统运行的安全性、可靠性和灵活性。
附图说明
[0026]
图1为现有技术中一种光伏发电逆变器并网的电路结构示意图；
[0027]
图2为现有技术中一种光伏发电逆变器中功率管控制电路的结构示意图；
[0028]
图3为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路中光伏发电逆变器并网的简化模型的示意图；
[0029]
图4为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路中有功参考电流随光伏发电逆变器的输出电压变化的示意图；
[0030]
图5为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路中阈值电压与输出电压之差随功率变化的示意图；
[0031]
图6为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路与现有技术的系统中低电压穿越能力比较示意图；
[0032]
图7为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路与现有技术的系统中高电压穿越能力比较示意图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0034]
图1为现有技术中一种光伏发电逆变器并网的电路结构示意图。图2为现有技术中一种光伏发电逆变器中功率管控制电路的结构示意图。如图1-2所示，本发明第一方面，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路。具体来说，逆变器的控制电路中包括功率限制单元、有功参考电流发生单元、无功电流注入单元和坐标转换单元；其中，功率限制单元为控制电路提供无功参考电压和有功参考电压，并基于电压生成无功参考电流和有功参考电流；有功参考电流发生单元，根据光伏发电系统输出电压的降低故障情况，选择生成新的有功参考电流；无功电流注入单元，根据光伏发电系统输出电压的降低或升高故障情况，对无功参考电流提供补偿；坐标转换单元，将补偿后的无功参考电流和新的有功参考电流进行坐标转换，并输出至pwm单元中，以实现pwm单元对逆变器的控制并实现高、低电压穿越。
[0035]
具体来说，本发明中的光伏发电逆变器并网电路可以采用现有技术中通用的结构，例如图1中的系统电路和图2中的控制电路构造。当然，本发明中，为了使得仿真过程更短，计算结果更准确，且运算量更小，可以采用一定程度的简化模型。
[0036]
图3为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路中光伏发电逆变器
并网的简化模型的示意图。图3对图1和图2中现有技术的一般光伏发电逆变器的连接方式进行了改进，这种改进可以考虑将功率管的控制过程简化为大小相对固定的参考电流ipvaref、ipvbref、ipvcref的方式进行输出。当原有多个功率管的占空比确定不变时，输出的三相参考电流的大小也基本保持不变。而当功率管的开启关断时间发生变化时，三相参考电流也可以基于控制电路的调节而发生变化。因此，这种方式实际上省略了功率管与pwm单元，而只是将功率管在一端时间内输出的平均电流大小简化为参考电流，从而确保系统的整体输出功率的仿真过程更加容易。
[0037]
这种仿真方式准确性并不会下降，同时也克服了功率管和pwm单元实际输出信号不够准确的问题。
[0038]
优选的，当有功参考电流发生单元判断出光伏发电系统输出电压低于稳态电压范围时，生成新的有功参考电流；当有功参考电流发生单元判断出光伏发电系统输出电压处于稳态电压范围中、或高于稳态电压范围时，不生成新的有功参考电流。
[0039]
本发明中可以将逆变器所在系统的工作状态分为稳态、高压故障和低压故障三种不同的情况，并根据三种不同情况分别提供补偿。
[0040]
电网发生跌落故障时，逆变器电流会急剧增加，可能会因为电流过大损坏功率开关管，导致低电压穿越失败。然而传统的低电压穿越能力多关注于功率，而较少考虑电流质量，对过流问题研究较少。所以低电压故障暂态控制模式是否能够实现低电压穿越能力，其关键技术在于对低电压穿越期间输出电流的控制，即限制有功参考电流输出，注入额外无功电流，以便向系统提供足够的无功功率使得端点电压恢复。
[0041]
现有技术当中，通常是采用冻结控制器模块针对低电压故障发生时实现电流输出的冻结的。低电压故障时，冻结控制器会输出高电平信号以激活装置对电流的冻结模式，限制电流输出。在这种情况下，冻结控制器会将有功电流idmax限制在0至之间，而同时，冻结控制器会将无功电流iqmax限制在正负最大电流i
max
之间。
[0042]
然而，如果idref的取值过大，则会导致iqref的取值过小，此时有功电流将难以被限制在一个较小的范围内。在这种情况下如果继续向电路中注入较大的无功电流，则可能导致总功率超标。因此，针对这种问题，本发明中引入了新的有功参考电流，这个有功参考电流能够在vt过大的情况下，促使有功参考电流不会随之继续增加，而是保持在一个较为恒定的状态下。
[0043]
图4为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路中有功参考电流随光伏发电逆变器的输出电压变化的示意图。如图4所示，有功参考电流i
dref
呈现出分段线性输出的状态，的值为限制上限值；随着电压vt的变化而变化。
[0044]
当0.4pu《v
t
《0.9pu时，设置v
t_scaled
＝v
t
，此时i
dref_l
＝i
dref
；当v
t
≤0.4pu时，v
t_scaled
＝v
t
＝0，此时有功参考电流为0；当0.9pu《v
t
《1pu时，由于电压在正常范围内,此时控制电路中标准逆变电压为1，为正常运行状态，不对有功参考电流进行限制。通过将v
t
转化为v
t_scaled
，能够获得当v
t
在0到1变化时有功参考电流的表达式。优选的，经过以上三种有功电流限制方式，新的有功参考电流为:
[0045][0046]
其中，i
dref
为有功参考电流，
[0047]vt_scaled
为v
t
在0.4pu至0.9pu范围内的标准逆变电压，v
t
为光伏发电逆变器的输出电压，pu为标幺值。
[0048]
优选的，当无功电流注入单元判断出光伏发电系统输出电压位于稳态电压范围时，不对无功参考电流提供补偿；当无功电流注入单元判断出光伏发电系统输出电压低于稳态电压范围中时，对无功参考电流提供第一补偿电流；当无功电流注入单元判断出光伏发电系统输出电压高于稳态电压范围中时，对无功参考电流提供第二补偿电流。
[0049]
优选的，第一补偿电流为i
q_l_inject
＝(v
ref-v
t
)c
lv
；其中，v
ref
为固定大小的参考电压，clv为低电压补偿因子，取值为常数。
[0050]
具体来说，本发明之所以采用这一公式来计算补偿电流是因为在低电压故障时，可以根据电压的跌落程度注入相应的容性无功电流，目的在于提高逆变器无功功率输出，实现低电压穿越。
[0051]
优选的，第二补偿电流为i
q_h_inject
＝c
hv
·
(v
olim-v
t
)/v
t
；其中，c
hv
为高电压补偿因子，取值基于光伏发电系统所接入的配电网电压情况确定；v
olim
为阈值电压，取值为1.1pu。
[0052]
图5为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路中与之电压与输出电压之差随功率变化的示意图。如图5所示，在高电压故障时，可以根据电压的骤升程度注入相应的感性性无功电流，目的在于使得逆变器吸收电网中的无功功率，实现高电压穿越。
[0053]
优选的，功率限制单元包括第一第二耦合器、第一第二pi控制器、第一第二n/d，其中n/d为除法器，功能为将n端输入量除以d端输入量，功率耦合之后经过pi控制器输入n端，除以d端输入v
pv
得到参考电流；其中，第一耦合器耦合有功参考功率和有功输出功率，并通过第一pi控制器与第一n/d连接，第二耦合器耦合无功参考功率合无功输出功率，并通过第二pi控制器与第二n/d连接，第一与第二n/d分别接收输出电压并分别生成无功参考电流和有功参考电流。
[0054]
本发明中的功率限制单元与现有技术中的功率限制单元类似，都可以通过参考无功功率、参考有功功率的取值，以及系统光伏接入控制点上的电压vpv等参数来获取有功参考电流和无功参考电流。
[0055]
优选的，坐标转换单元接收无功参考电流、有功参考电流和逆变器的锁相环相位，并生成三相控制电流以输入至pwm单元中。
[0056]
图6为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路与现有技术的系统中低电压穿越能力比较示意图。如图6所示，采用本发明中的方法，低电压故障的无功参考功率设置为0mvar，也就是逆变器工作在单位功率因数状态，当系统达到稳态后，在2s时设置光伏接入点发生三相故障，0.5s后故障切除。
[0057]
采用本发明的补偿参考电流后，端电压跌落期间系统更加稳定，有利于控制策略的进一步实施。系统切换至低电压故障暂态控制模式下时，接入点的端电压跌落至0.6pu，而系统继续稳态运行模式时，光伏接入点端电压维持在1.2pu以下。而对于改进前的系统来说，在系统恢复稳态运行时，会发生有有功功率的瞬时升高，影响系统的稳定运行。该结论能够充分验证改进后的控制策略具有光伏发电系统低电压穿越能力。
[0058]
图7为本发明一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路与现有技术的系统中高电压穿越能力比较示意图。如图7所示，将系统中的无功参考功率设置为0mvar，即逆变器工作在单位功率因数状态；当系统达到稳态后，在2s时光伏接入点端电压骤升，0.5s后故障切除。可见，采用本发明方法对高电压故障穿越能力进行改进后，光伏接入点的电压升高幅度相对以前有所降低，从1.15pu降低到了1.114pu左右，确保了高电压故障暂态情况下系统的稳定运行。
[0059]
可见，改进后的模型在仿真过程中不仅大大缩短仿真时间，而且具有高低电压穿越能力，且通过调节相关参数还能够有效的改变系统的调节能力，能够对系统故障造成的危害进行不同程度改善，加强了光伏发电系统运行的可靠性、安全性、灵活性。
[0060]
本发明第二方面，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制装置，该装置采用本发明第一方面中的一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路实现。
[0061]
可以理解的是，参考电流调节的光伏发电逆变器的控制装置为了实现上述本技术实施例提供的方法中的各功能，包含了执行各个功能相应的硬件结构和/或软件模块。本领域技术人员应该很容易意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的算法步骤，本技术能够以集成电路等的形式来实现。某个功能具体的是新鲜方式取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0062]
本发明第三方面，涉及一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制方法，该方法采用本发明第一方面中所述的一种参考电流调节的光伏发电逆变器的控制电路实现；并且，方法包括以下步骤：步骤1，对光伏发电系统输出电压的大小进行判断，以获取逆变器的工作状态；步骤2，基于逆变器的工作状态，采用有功参考电流发生单元或无功电流注入单元对逆变器进行控制以实现高、低电压穿越和逆变器的稳定运行。
[0063]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。