用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进方法

本发明涉及光伏逆变器、锁相环，特别是涉及用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进方法。

背景技术：

1、随着我国“双碳”目标的不断推进，光伏场站等新能源发展迅速，大规模接入电力系统，新能源以及占比越来越大，“双高”电力系统正在形成。同时由于光伏场站的规模的增大以及太阳能资源的地理分布不均，光伏场站并网呈现出接入弱电网的特性。在弱电网中，光伏场站对电力系统的稳定运行影响更大。传统光伏逆变器的控制策略依赖于锁相环跟随电网电压进行同步，以目前应用最为广泛的为同步坐标系锁相环(srf-pll)为例，这种锁相环直接通过坐标变换实现坐标同步，在三相理想电网下能够准确获取电网电压的幅值、频率和相位等信息。而在低电压故障中，电网电压会同时发生电压跌落与相位跳变，这导致在低电压故障发生以及恢复的暂态过程中产生锁相环锁相失准的问题，锁相失准会导致光伏逆变器的无功功率控制失准，严重时会产生低电压故障后的高电压故障。

2、目前人们提出了许多锁相环的参数设计或改进策略以及锁相环模型来增强控制策略。为了使接入弱电网的逆变器具有更大的稳定裕度，有研究者提出了考虑电流环与锁相环耦合的参数设计方法。还有对锁相环中加入低通滤波环节来增强逆变器在弱电网中的表现。为了解决低电压故障期间的暂态稳定性问题，有研究者将锁相环pi环节的积分器屏蔽得到一个一阶积分回路，以降低角度过冲导致的不利影响。有研究者提出使用二阶振荡环节替代原有pi控制环节来以改进锁相环特性。还有学者引入参考同步机的特性，使用同步机模型替代传统锁相环，并提出各种相角控制与改进策略来保证低电压故障过程中的暂态稳定性。

3、在弱电网中，无功对于电力系统电压稳定性的影响较为明显，但是上述锁相环的改进研究很少有考虑故障暂态期间锁相环特性对无功支撑影响的，这些改进并不能抑制低电压故障下电压相位跳变所带来的暂态无功影响，同时这些锁相环改进的实现往往需要庞大的计算开销，这使其在光伏逆变器中在工程实际中难以应用与实现。

技术实现思路

1、本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

2、为此，本发明提出一种用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进方法，基于传统同步坐标系锁相环的改进，工程实践中无需占用庞大的计算开销，同时可以较好抑制三相对称的低电压故障期间电压相位跳变所带来的影响。通过对光伏逆变器的锁相环(pll)进行相位补偿，改善光伏逆变器三相对称低电压故障暂态期间的无功暂态特性，可以抑制暂态期间锁相不准的问题，减小低电压暂态阶段的无功冲击以及加快无功回撤速度，降低低电压穿越接高电压穿越的连续故障风险。

3、本发明的另一个目的在于提出一种用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进系统。

4、为达上述目的，本发明一方面提出一种用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进方法，包括：

5、利用电压定向矢量控制策略进行光伏逆变器并网控制以通过锁相环控制电网电压，并监测电网是否发生故障；

6、基于监测到的电网三相对称的低电压故障，以通过求解锁相环输出的电压分量的反正切值以获取低电压故障发生时锁相环的初始相位误差；

7、根据所述初始相位误差和在锁相环中加入的指数函数，对低电压故障发生的暂态阶段提供锁相环的相位补偿，并计算电网电压在低电压穿越期间的最终相位差；

8、基于所述最终相位差和在锁相环中加入的指数函数对低电压故障恢复的暂态阶段提供基于锁相环的相角跟随的速度的相位补偿，以使得光伏逆变器快速恢复正常工况。

9、另外，根据本发明上述实施例的用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进方法还可以具有以下附加的技术特征：

10、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于监测到的电网三相对称的低电压故障，根据检测到的电网电压跌落程度提供相应的无功支撑，其中的无功电流的要求为：

11、itq＝k×(0.9-ut)×in(ut<0.9)

12、其中，itq为低电压故障期间需要提供的无功电流目标值，ut为低电压故障期间的电压标幺值，in为光伏逆变器额定电流，k为随着电压跌落程度的经验系数。

13、进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述光伏逆变器执行低电压穿越控制策略，根据电压幅值ut计算出itq的值，并将itq的值作为锁相环坐标系中iq的参考值，参考值误差为：

14、

15、进一步地，在本发明的一个实施例中，当所述光伏逆变器的低电压穿越控制期间，提供无功电流的同时，利用光伏逆变器的开关器件的最大容量提供有功电流：

16、

17、其中，itd为考虑光伏逆变器在低电压穿越期间所能输出的最大有功电流，id_max为当前工况下所能提供的最大有功电流。

18、进一步地，在本发明的一个实施例中，当光伏逆变器的低电压穿越控制策略考虑提供有功电流id时，实际无功电流参考值为：

19、i'tq＝itq×cosδθ+itd×sinδθ

20、目标无功电流参考值与实际无功电流参考值的误差为：

21、δiq＝itq-i'tq＝itq×(1-cosδθ)-itd×sinδθ

22、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述根据所述初始相位误差和在锁相环中加入的指数函数，对低电压故障发生的暂态阶段提供锁相环的相位补偿：

23、

24、

25、τ1＝k1×tpll

26、其中，ud，uq为基于锁相环输出相位对电网电压进行派克变换后得到的旋转坐标系下的两个电压分量，δθ1为低电压故障发生前后电网电压的相位差的近似值，θ0为锁相环原始输出相位，k1为考虑实际补偿效果下的经验系数，tpll锁相环pi环节时间常数，θω为锁相环修正后的输出相位，τ1为故障发生阶段的指数函数的时间常数。

27、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述计算电网电压在低电压穿越期间的最终相位差，包括：

28、通过过零检测计算故障前过电压过零点t1，与故障前过电压过零点t2，再通过过零检测时间差与电网电压频率计算所述最终相位差：

29、

30、其中，δθ2为具体已知的低电压故障发生前后电网电压的相位差。

31、进一步地，在本发明的一个实施例中，所述基于所述最终相位差和在锁相环中加入的指数函数对低电压故障恢复的暂态阶段提供基于锁相环的相角跟随的速度的相位补偿，包括：

32、

33、τ2＝k2×tpll

34、其中，k2为考虑实际效果下的经验值系数，τ2为故障恢复阶段的指数函数的时间常数。

35、为达上述目的，本发明另一方面提出一种用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进系统，包括：

36、电网故障监测模块，用于利用电压定向矢量控制策略进行光伏逆变器并网控制以通过锁相环控制电网电压，并监测电网是否发生故障；

37、相位误差计算模块，用于基于监测到的电网三相对称的低电压故障，以通过求解锁相环输出的电压分量的反正切值以获取低电压故障发生时锁相环的初始相位误差；

38、初始相位补偿模块，用于根据所述初始相位误差和在锁相环中加入的指数函数，对低电压故障发生的暂态阶段提供锁相环的相位补偿，并计算电网电压在低电压穿越期间的最终相位差；

39、恢复相位补偿模块，用于基于所述最终相位差和在锁相环中加入的指数函数对低电压故障恢复的暂态阶段提供基于锁相环的相角跟随的速度的相位补偿，以使得光伏逆变器快速恢复正常工况。

40、本发明实施例的用于低电压穿越下无功支撑的光伏逆变器锁相环改进方法和系统，通过对光伏逆变器的锁相环(pll)进行相位补偿，改善光伏逆变器三相对称低电压故障暂态期间的无功暂态特性，可以抑制暂态期间锁相不准的问题，减小低电压暂态阶段的无功冲击以及加快无功回撤速度，降低低电压穿越接高电压穿越的连续故障风险。

41、本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。