本發(fā)明涉及一種針對(duì)集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制方法,屬于光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合集中式及組串式逆變器兩種方案的優(yōu)勢(shì),既具備多路MPPT跟蹤、提高發(fā)電量,又具備電能質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn),最終實(shí)現(xiàn)高效、可靠和高收益。
集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)和組串式逆變器均采用兩級(jí)功率變換。組串式逆變器的兩級(jí)功率變換由同一控制器控制,協(xié)調(diào)方便,控制簡(jiǎn)單;而集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)中,DC/DC升壓和DC/AC逆變兩級(jí)功率變換分別由智能MPPT匯流箱和逆變器單獨(dú)控制,協(xié)調(diào)困難,控制復(fù)雜。集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能MPPT匯流箱和逆變器若采用通信進(jìn)行協(xié)調(diào),對(duì)通信的實(shí)時(shí)性較高,難以滿足電網(wǎng)電壓低電壓穿越尤其是零電壓穿越的要求。
集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,1個(gè)光伏方陣包括m臺(tái)智能MPPT匯流箱和1臺(tái)逆變器,每臺(tái)智能MPPT匯流箱有n路獨(dú)立的BOOST電路。正常工況下,有如下關(guān)系:
P1-mpp+P2-mpp+P3-mpp+…+Pm-mpp≤Pinverter-max (1)
式中,Pi-mpp(i=1,2,...,m)表示在一定光照和溫度條件下,第i臺(tái)智能MPPT匯流箱輸入側(cè)所有光伏組件能夠達(dá)到的最大功率,Pinverter-max表示逆變器最大輸出有功功率,逆變器最大輸出電流Imax一般為額定電流IN的1.1倍。
由式(1)可以看出,正常工況下,所有光伏組件的最大功率不大于逆變器能夠輸出的最大功率。逆變器將光伏組件的最大功率減去線路和裝置損耗后全部輸出到電網(wǎng)。
但是,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),式(1)將不再成立,將可能出現(xiàn)以下關(guān)系:
P1-mpp+P2-mpp+P3-mpp+…+Pm-mpp>Pinverter-max (2)
特別地,當(dāng)電網(wǎng)電壓跌零時(shí),逆變器最大輸出有功功率Pinverter-max為零。
此時(shí),如果智能MPPT匯流箱仍工作在光伏組件最大功率點(diǎn),必然導(dǎo)致智能MPPT匯流箱與逆變器之間的直流母線電壓急劇上升,導(dǎo)致直流母線回路上的所有裝置因過壓沖擊而損壞。
若智能MPPT匯流箱檢測(cè)到直流母線電壓過高后,停止所有DC/DC電路,直至直流母線電壓恢復(fù)正常后再重新啟動(dòng)MPPT運(yùn)行,又難以滿足有功功率以至少30%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至正常發(fā)電狀態(tài)的要求。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷,提供一種針對(duì)集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制方法,解決了在電網(wǎng)電壓跌落時(shí),智能MPPT匯流箱和逆變器工作狀態(tài)不穩(wěn)定,故障清除后有功功率恢復(fù)速率慢的問題,提高了集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。
為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種針對(duì)集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制方法,包括逆變器的低電壓穿越控制和智能MPPT匯流箱直流母線過壓控制;
所述逆變器的低電壓穿越控制包括以下步驟:
1-1)逆變器控制直流母線電壓,采用外環(huán)直流電壓環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)控制;所述內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用基于dq變換的電網(wǎng)電壓前饋解耦控制;
1-2)逆變器將直流母線電壓穩(wěn)定到參考值Udc_ref1,直流電壓環(huán)PI1的輸出作為逆變器有功電流給定Id_Ref,非低電壓穿越條件下,逆變器無功電流給定Iq_Ref為0,直流電壓環(huán)PI1輸出最大值限幅值和積分項(xiàng)最大值限幅值等于逆變器最大輸出電流Imax;
1-3)逆變器的控制器在進(jìn)行前饋解耦控制的同時(shí),實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)正序電壓跌落深度UT,并進(jìn)行低穿標(biāo)志位flag_LVRT判斷,當(dāng)電網(wǎng)正序電壓跌落深度正常時(shí),令flag_LVRT=0;當(dāng)電網(wǎng)正序電壓跌落深度UT<0.9時(shí),令flag_LVRT=1,進(jìn)入低電壓穿越控制模式;
1-4)當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),逆變器根據(jù)要求向電網(wǎng)注入動(dòng)態(tài)無功電流給定Iq_Re f,在該控制模式下,對(duì)直流電壓環(huán)PI1的輸出和積分器的輸出進(jìn)行限幅;
1-5)當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后,令標(biāo)志位flag_LVRT=2,逆變器首先將無功電流給定Iq_Ref降為0;然后,將直流電壓環(huán)PI1的輸出放大到Imax,同時(shí)將積分器的輸出從限幅值恢復(fù)到正常值;至此,逆變器恢復(fù)到正常模式,令標(biāo)志位flag_LVRT=0;
所述智能MPPT匯流箱直流母線過壓控制包括以下步驟:
2-1)智能MPPT匯流箱直流母線過壓控制采用輸入電壓環(huán)PI4,輸入電流環(huán)PI5和直流過壓控制環(huán)PI6進(jìn)行控制;
2-2)智能MPPT匯流箱的控制器實(shí)時(shí)采集第i路BOOST電路的輸入電壓Uin_i和輸入電流Iin_i,通過MPPT算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,得到第i路BOOST電路的輸入電壓目標(biāo)給定值Uin_i_Ref;正常模式下,令直流過壓控制環(huán)PI6的輸出δ=0,輸入電壓環(huán)PI4的輸出作為第i路BOOST電路的輸入電流給定Iin_i_Ref,PI4的積分項(xiàng)最大值限幅值等于智能MPPT匯流箱最大輸入電流,輸入電流環(huán)PI5的輸出產(chǎn)生第i路的PWM脈沖PWM_i,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)第i路輸入電流;
2-3)當(dāng)逆變器進(jìn)入低電壓穿越后,直流母線電壓抬升,當(dāng)直流母線電壓超過直流過壓控制環(huán)PI6的給定Udc_Ref2時(shí),令標(biāo)志位flag_OVRT=1,智能MPPT匯流箱進(jìn)入直流母線過壓控制模式;
2-4)智能MPPT匯流箱記錄直流母線過壓控制模式前的第i路BOOST電路的輸入電壓值Uin_i_pre和輸入電流值Iin_i_pre,i=1,2,…,n,對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸入電壓目標(biāo)給定值Uin_i_Ref進(jìn)行最大值限幅,對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸出值PI4_Out和積分器的輸出值PI4_ErrInt進(jìn)行最大值限幅;n表示每臺(tái)智能MPPT匯流箱有n路BOOST電路;
2-5)通過直流過壓控制環(huán)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)n路BOOST電路的輸入電流給定增量δ,使直流母線電壓穩(wěn)定在區(qū)間[Udc_Ref2,Udc_Ref2+Δ]中的一個(gè)固定值,Δ為大于0的實(shí)數(shù);
2-6)當(dāng)δ=0時(shí),智能MPPT匯流箱進(jìn)入恢復(fù)模式,令標(biāo)志位flag_OVRT=2;在此模式下,第i路BOOST電路的輸入電流Iin_i實(shí)際值已恢復(fù)到低電壓穿越前的輸入電流,將輸入電壓環(huán)PI4的輸出值PI4_Out恢復(fù)到正常值,將輸入電壓環(huán)PI4的積分器的輸出值PI4_ErrInt恢復(fù)到正常值;1s后,取消對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸入電壓目標(biāo)給定的限制。
前述的步驟1-4)中,對(duì)直流電壓環(huán)PI1的輸出和積分器的輸出進(jìn)行限幅,是指直流電壓環(huán)PI1的輸出和積分器的輸出分別滿足:
式中,PI1_ErrInt為積分器的輸出,IN為逆變器的額定電流,KI_1為直流電壓環(huán)PI1的I參數(shù)。
當(dāng)直流母線電壓失控時(shí),逆變器快速分?jǐn)嘀绷鲾嗦菲?~直流斷路器m。
前述的步驟1-5)中,將直流電壓環(huán)PI1的輸出放大到Imax是指按照30%額定電流/秒的變化率將直流電壓環(huán)PI1輸出放大到Imax。
前述的步驟2-4)中,對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸入電壓目標(biāo)給定值Uin_i_Ref進(jìn)行最大值限幅,是指Uin_i_Ref滿足:
Uin_i_Ref≤Uin_i_pre (5)。
前述的步驟2-4)中,對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸出值PI4_Out和積分器的輸出值PI4_ErrInt進(jìn)行最大值限幅,是指輸入電壓環(huán)PI4的輸出值PI4_Out和積分器的輸出值PI4_ErrInt分別滿足:
PI4_Out≤Iin_i_pre (6)
PI4_ErrInt≤Iin_i_pre/KI_4 (7)
式中,KI_4為輸入電壓環(huán)PI4的I參數(shù)。
本發(fā)明的有益效果是:在集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),直流母線電壓抬升幅值小;電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí),有功功率恢復(fù)流暢,速度快,滿足低電壓穿越要求。同時(shí),每個(gè)智能MPPT匯流箱自成獨(dú)立的控制系統(tǒng),無需與逆變器通信,降低了逆變器控制邏輯的復(fù)雜度。
附圖說明
圖1為集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖;
圖2為集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制結(jié)構(gòu)圖;
圖3為集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器低電壓穿越控制流程圖;
圖4為集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)匯流箱控制結(jié)構(gòu)圖;
圖5為集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)匯流箱直流母線過壓控制流程圖。
具體實(shí)施方式
下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案,而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
請(qǐng)參考圖1,集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)中1個(gè)光伏方陣由m臺(tái)智能MPPT匯流箱和1臺(tái)逆變器組成。m臺(tái)智能MPPT匯流箱的直流輸出通過m個(gè)直流斷路器全部并聯(lián)到逆變器的直流母線(DC-link)上。
每臺(tái)智能MPPT匯流箱包含n路BOOST電路,n路BOOST電路的輸入電壓分別為Uin_1,Uin_2,…,Uin_n,n路輸入電流分別為Iin_1,Iin_2,…,Iin_n,直流母線電壓Udc,逆變器交流電網(wǎng)電壓Ue。
1、逆變器控制策略請(qǐng)參考圖2。逆變器控制直流母線電壓,采用外環(huán)直流電壓環(huán),內(nèi)環(huán)電流環(huán)的控制策略。直流電壓環(huán)對(duì)應(yīng)PI1,內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用基于dq變換的電網(wǎng)電壓前饋解耦控制策略,有功電流環(huán)對(duì)應(yīng)PI2,無功電流環(huán)對(duì)應(yīng)PI3。Ued和Ueq分別對(duì)應(yīng)電網(wǎng)電壓的d軸和q軸分量,ω為電網(wǎng)頻率,L為并網(wǎng)電感大小。
逆變器控制流程如圖3所示,包括以下步驟:
(1)正常模式
逆變器將直流母線電壓穩(wěn)定到參考值Udc_ref1,直流電壓環(huán)PI1的輸出作為逆變器有功電流給定Id_Ref。直流電壓環(huán)PI1輸出最大值限幅值和積分項(xiàng)最大值限幅值等于逆變器最大輸出電流,即有功電流給定不超過逆變器最大輸出電流。
非低電壓穿越條件下,逆變器無功電流給定Iq_Ref為0。
逆變器的控制器在進(jìn)行前饋解耦控制的同時(shí),實(shí)時(shí)計(jì)算電網(wǎng)正序電壓跌落深度UT,并進(jìn)行低穿標(biāo)志位flag_LVRT判斷。當(dāng)電網(wǎng)電壓正常時(shí),令flag_LVRT=0;當(dāng)UT<0.9時(shí),令flag_LVRT=1,進(jìn)入低電壓穿越控制模式。
(2)低電壓穿越控制模式
當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),逆變器根據(jù)要求向電網(wǎng)注入動(dòng)態(tài)無功電流給定Iq_Re f。
為保證逆變器最大輸出電流Imax不超過額定電流IN的1.1倍,同時(shí)為了防止低電壓穿越過程中光照變?nèi)酰畲蠊β庶c(diǎn)下降導(dǎo)致逆變器輸出有功功率大于智能MPPT匯流箱輸入功率的情況,并不關(guān)閉直流電壓環(huán)PI1,只對(duì)直流電壓環(huán)PI1的輸出(對(duì)應(yīng)有功電流給定Id_Re f)和積分器值PI1_ErrInt進(jìn)行限幅。
式中,KI_1為直流電壓環(huán)PI1的I參數(shù)。
當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落深度足夠小時(shí),逆變器輸出無功電流較大,有功電流相應(yīng)較小。當(dāng)輸出有功電流小到一定程度時(shí),將出現(xiàn)式(2)的情況,直流母線電壓抬升。此時(shí),智能MPPT匯流箱的直流母線過壓控制模式快速調(diào)節(jié)光伏組件輸入功率,穩(wěn)定直流母線電壓。
異常工況下,當(dāng)直流母線電壓失控時(shí),逆變器快速分?jǐn)嘀绷鲾嗦菲?~直流斷路器m,防止逆變器和直流母線回路上的其他設(shè)備因電壓過沖而損壞。當(dāng)然,若采用本發(fā)明所述的控制方法,不會(huì)出現(xiàn)直流母線電壓失控的情況,只是作為一種故障保護(hù)。
(3)低電壓穿越恢復(fù)模式
當(dāng)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后,令標(biāo)志位flag_LVRT=2,逆變器首先將無功電流給定Iq_Ref降為0。然后,按照30%額定電流/秒的變化率將直流電壓環(huán)PI1輸出從式(3)放大到Imax,同時(shí)將直流電壓環(huán)PI1積分器PI1_ErrInt從式(4)恢復(fù)到正常值。至此,逆變器恢復(fù)到正常模式,令標(biāo)志位flag_LVRT=0。
2、智能MPPT匯流箱控制策略請(qǐng)參考圖4。
每臺(tái)智能MPPT匯流箱的n路BOOST電路獨(dú)立工作。圖中,MPPT模塊為最大功率點(diǎn)跟蹤算法,PI4為輸入電壓環(huán),PI5為輸入電流環(huán),PI6為直流過壓控制環(huán)。
智能MPPT匯流箱控制流程如圖5所示,包括以下步驟:
(1)正常模式
智能MPPT匯流箱的控制器實(shí)時(shí)采集第i路BOOST電路的輸入電壓Uin_i和輸入電流Iin_i,通過MPPT算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤,得到第i路BOOST電路的輸入電壓目標(biāo)給定值Uin_i_Ref。正常模式下,令直流過壓控制環(huán)PI6的輸出δ=0,不起作用。輸入電壓環(huán)PI4的輸出將作為第i路BOOST電路的輸入電流給定Iin_i_Ref,PI4的積分項(xiàng)最大值限幅值等于智能MPPT匯流箱最大輸入電流。輸入電流環(huán)PI5的輸出產(chǎn)生第i路的PWM脈沖PWM_i,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)第i路輸入電流。
(2)直流母線過壓控制模式
當(dāng)逆變器進(jìn)入低電壓穿越后,直流母線電壓抬升。
請(qǐng)參考圖4,當(dāng)直流母線電壓超過Udc_Ref2時(shí),令標(biāo)志位flag_OVRT=1。智能MPPT匯流箱進(jìn)入直流母線過壓控制模式。
智能MPPT匯流箱記錄直流母線過壓控制模式前的第i路BOOST電路的輸入電壓值Uin_i_pre(i=1,2,…,n),輸入電流值Iin_i_pre(i=1,2,…,n)。
對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸入電壓目標(biāo)給定Uin_i_Ref進(jìn)行最大值限幅:
Uin_i_Ref≤Uin_i_pre (5)
對(duì)輸入電壓環(huán)PI4的輸出PI4_Out和積分器值PI4_ErrInt進(jìn)行最大值限幅:
PI4_Out≤Iin_i_pre (6)
PI4_ErrInt≤Iin_i_pre/KI_4 (7)
式中,KI_4為輸入電壓環(huán)PI4的I參數(shù)。
請(qǐng)參考圖4,直流過壓控制環(huán)PI6的給定為Udc_Ref2,設(shè)計(jì)時(shí),滿足Udc_Ref1<Udc_Ref2。直流過壓控制環(huán)PI6的輸出δ(-IinN≤δ≤0)為輸入電流給定的疊加量。在δ的作用下,第i(i=1,2,…,n)路BOOST電路的輸入電流快速調(diào)整,使直流母線電壓穩(wěn)定在區(qū)間[Udc_Ref2,Udc_Ref2+Δ]中的一個(gè)固定值。
(3)直流母線過壓恢復(fù)模式
當(dāng)δ=0時(shí),智能MPPT匯流箱進(jìn)入恢復(fù)模式,令標(biāo)志位flag_OVRT=2。
在此模式下,第i路BOOST電路的輸入電流Iin_i實(shí)際值已恢復(fù)到低穿前的輸入電流。將輸入電壓環(huán)PI4的輸出限幅值PI4_Out從式(6)恢復(fù)到正常值,同時(shí)將輸入電壓環(huán)PI4的積分器值PI4_ErrInt從式(7)恢復(fù)到正常值。1s后,取消式(5)對(duì)輸入電壓目標(biāo)給定Uin_i_Ref的限制。
采取該針對(duì)集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的低電壓穿越控制方法,在集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí),直流母線電壓抬升幅值??;電網(wǎng)電壓恢復(fù)時(shí),有功功率恢復(fù)流暢,速度快,滿足低電壓穿越要求。同時(shí),每個(gè)智能MPPT匯流箱自成獨(dú)立的控制系統(tǒng),無需與逆變器通信,降低了逆變器控制邏輯的復(fù)雜度。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和變形,這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。