一種具有電網(wǎng)電壓支撐能力的光伏并網(wǎng)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有電網(wǎng)電壓支撐能力的光伏并網(wǎng)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于光伏發(fā)電固有的不穩(wěn)定特性，在其連接到電網(wǎng)時(shí)，需要先穩(wěn)定光伏陣列隨著 溫度和光照變化的輸出電壓。同時(shí)，在光伏接入電網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)電壓也存在波動(dòng)現(xiàn)象，因此穩(wěn) 定電網(wǎng)電壓成為三相光伏并網(wǎng)領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。
[0003] 目前，電壓源型逆變器由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制策略成熟，在現(xiàn)階段已成為應(yīng)用最為 廣泛的一種逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此外在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，光伏電池的利用率除了與光伏電池 的內(nèi)部特性有關(guān)外，還要受外界環(huán)境的影響，如光照強(qiáng)度、負(fù)載以及溫度等。在不同的外界 環(huán)境條件下，光伏陣列輸出的工作電壓值不同，但只有當(dāng)輸出在某一電壓值時(shí)，其輸出功率 才會(huì)達(dá)到最大值。光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤原理就是通過(guò)控制光伏逆變器，對(duì)光伏陣列的 輸出功率進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，來(lái)預(yù)測(cè)光伏方陣在當(dāng)前工況下可能的最大功率輸出，從而改變 當(dāng)前的阻抗情況使系統(tǒng)輸出功率最大。實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤主要方法有：電導(dǎo)增量法，爬山 法，擾動(dòng)觀察法等。本發(fā)明專利主要采用電導(dǎo)增量法實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。
[0004] 值得注意的是，最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)僅可以調(diào)節(jié)光伏陣列并網(wǎng)的電壓，而 在實(shí)際并網(wǎng)系統(tǒng)中，不僅光伏陣列輸出電壓會(huì)實(shí)時(shí)變化，電網(wǎng)電壓也會(huì)波動(dòng)。因此可以通過(guò) 控制光伏并網(wǎng)逆變器，來(lái)使得光伏陣列接入電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定，從而解決了光伏接入地區(qū)電 網(wǎng)的電壓不穩(wěn)定等電能質(zhì)量問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】
：
[0005] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種具有電網(wǎng)電壓支撐 能力的光伏并網(wǎng)控制方法。
[0006] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種具有電網(wǎng)電壓支撐能力 的光伏并網(wǎng)控制方法，適用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，所述光伏并網(wǎng)系統(tǒng)包括光伏陣列;所述光伏陣 列與光伏并網(wǎng)逆變器連接;所述光伏逆變器與變壓器連接;該方法包括以下步驟：
[0007] 1)將多個(gè)光伏電池通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)連接在一起，形成光伏發(fā)電陣列；
[0008] 2)穩(wěn)定光伏陣列輸出的電壓，根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤要求控制光伏逆變器開(kāi)關(guān)管的 開(kāi)斷，穩(wěn)定光伏逆變器的輸出電壓，形成電流的內(nèi)環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤 滿足以下條件：
[0009] dP = IdU+UdI
[0010] dP/dU=I+UdI/dU
[0011] 令dP/dU = 0,得到：
[0012] dI/dU = -I/U
[0013] P為光伏陣列輸出功率，U為光伏陣列輸出電壓，！為光伏陣列輸出電流；
[0014] 3)將光伏并網(wǎng)逆變器輸出的電壓、無(wú)功功率與已知的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)功-電壓補(bǔ)償曲線進(jìn) 行比較，得到光伏逆變器輸出的無(wú)功偏差，將無(wú)功偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后生成光伏逆變器的控 制信號(hào)，調(diào)節(jié)光伏逆變器的開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)光伏并網(wǎng)逆變器修正開(kāi)關(guān)頻率，補(bǔ)充無(wú)功偏差， 使得在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的外環(huán)控制;無(wú)功外環(huán)控制的穩(wěn) 定性滿足以下公式：
[0015]
[0016] Gq(S)為無(wú)功控制回路增益，KQ(s)代表無(wú)功外環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分系數(shù)；Ilq(S) 為逆變器輸出電流的q軸增益，= 1，QpvW為無(wú)功增益。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為:本發(fā)明光伏陣列與電壓源型逆變 器相連，利用最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)技術(shù)，控制光伏并網(wǎng)逆變器達(dá)到控制光伏輸出電壓穩(wěn) 定的目的；同時(shí)根據(jù)將測(cè)量得到的電網(wǎng)電壓反饋到光伏逆變器的控制系統(tǒng)中，與設(shè)定的電 網(wǎng)中的電壓一無(wú)功補(bǔ)償曲線對(duì)比，最終得出一系列的控制信號(hào)，并將該控制信號(hào)輸入到光 伏并網(wǎng)逆變器中，使得逆變器發(fā)出相應(yīng)的無(wú)功功率，從而達(dá)到支撐電網(wǎng)電壓的目的。本發(fā)明 與傳統(tǒng)控制方法相比，不僅可以使光伏輸出的電壓穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，同時(shí)還能夠支撐 并網(wǎng)點(diǎn)電壓；因此該發(fā)明提高了光伏發(fā)電的電能質(zhì)量，提高了新能源發(fā)電業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益， 同時(shí)由于該發(fā)明還可以穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，增加了電力運(yùn)營(yíng)商使用新能源設(shè)備的積極性，因此 具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0019] 圖2是光伏電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
[0020] 圖3是三相電壓型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖4是MPPT控制方法的流程圖；
[0022]圖5是逆變器控制原理圖；
[0023] 其中：
[0024] 1:光伏陣列；2:光伏并網(wǎng)逆變器及其控制系統(tǒng);3:并網(wǎng)變壓器;4:控制系統(tǒng)設(shè)定的 標(biāo)準(zhǔn)電壓-無(wú)功補(bǔ)償曲線;5: PI控制器;6:光電感應(yīng)電池;7:鎖相環(huán);8:空間矢量脈寬調(diào)制。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中，光伏陣列1的輸出側(cè)通過(guò)并聯(lián)電容器連接光 伏并網(wǎng)逆變器2,光伏并網(wǎng)逆變器輸出端連接LCL濾波器，用于濾除電力電子器件產(chǎn)生的紋 波。之后再通過(guò)升壓變壓器3接入電網(wǎng)。光伏并網(wǎng)逆變器2的控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)部分，第 一部分主要利用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)控制光伏并網(wǎng)逆變器的電力電子器件的開(kāi)通與關(guān)斷， 從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定光伏陣列輸出電壓的目的；第二部分為:將測(cè)量到的電網(wǎng)電壓輸入到光伏并 網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)中，通過(guò)與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓-無(wú)功補(bǔ)償曲線比較，得到光伏并網(wǎng)逆變器 輸出的電壓無(wú)功偏差，之后再采用PWM調(diào)制方式輸出光伏并網(wǎng)逆變器的控制信號(hào)，從而達(dá)到 穩(wěn)定并網(wǎng)點(diǎn)電壓的作用。因此與傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)相比，本發(fā)明提出的控制方法在光伏陣列輸 出電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，可以更好的跟蹤電網(wǎng)電壓變化，并且在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓 進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)支撐電網(wǎng)電壓的作用。
[0026] 下面介紹本發(fā)明的支撐電網(wǎng)電壓原理。圖2為所示光伏電池工作原理圖，在日光照 射下，光伏電池發(fā)出光電流1〇, Id為反向二極管的電流，I和U為單塊光伏電池的輸出電流和 電壓。在特定的溫度和光照條件下，光伏電池板輸出的電壓和電流值是可以通過(guò)相關(guān)計(jì)算 得到的。
[0027]
( 1 )
[0028] 其中，IQ，Id的值隨著光照和溫度的變化而變化，在實(shí)際工程應(yīng)用中，一般采用并聯(lián) 和串聯(lián)的方式將多個(gè)光伏電池組組成光伏陣列，對(duì)公式（1)來(lái)說(shuō)，光伏陣列輸出總電流為并 聯(lián)光伏電池的電流值之和，光伏陣列輸出總電壓為串聯(lián)光伏電池的電壓之和。
[0029] 如圖3所示為三相電壓源型光伏并網(wǎng)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。如圖4所示為MPPT(最大 功率點(diǎn)跟蹤)技術(shù)采用電導(dǎo)增量法的工作原理圖。電導(dǎo)增量法在下一時(shí)刻的變化方向完全 取決于在該時(shí)刻的電導(dǎo)的變化率和瞬時(shí)負(fù)電導(dǎo)值的大小關(guān)系，而與前一時(shí)刻的工作點(diǎn)電壓 以及功率的大小無(wú)關(guān)，因而能夠適應(yīng)日照強(qiáng)度地快速變化，其控制精度較高。
[0030] 如圖5所示逆變器控制原理圖。鎖相環(huán)的作用是通過(guò)相位捕捉模塊，獲得電網(wǎng)頻率 及相位信息，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)控制。將采集到的相關(guān)信息進(jìn)行Clark變換，可得從ABC坐標(biāo)系到 αβ坐標(biāo)系。
[0031]
〇)
[0032]再經(jīng)過(guò)park變換，將兩相靜止坐標(biāo)系下的交流量變換成同步坐標(biāo)系下的恒定直流 量。
[0033]并網(wǎng)逆變器的控制策略是光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵?？刂七^(guò)程中需要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)基 本控制要求:其一，是保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定;其二，是實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流控制或者根據(jù)功率指令 控制來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率調(diào)節(jié)。首先對(duì)三相電壓型并網(wǎng)逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，選定 合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路;其次根據(jù)MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，控制逆變器 電力開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)斷，穩(wěn)定逆變器的輸出電壓;然后通過(guò)基爾霍夫電流電壓定律建立交流 側(cè)回路方程及三相靜止坐標(biāo)系下的逆變器數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)Clark變化及park變換的矢量 關(guān)系建立兩相靜止、旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型。最后考慮到交流側(cè)并網(wǎng)過(guò)程中電壓震蕩情 況，根據(jù)相關(guān)電壓一無(wú)功補(bǔ)償曲線，及時(shí)調(diào)整逆變器的電力開(kāi)關(guān)元件控制，補(bǔ)償電網(wǎng)中的無(wú) 功，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓的支撐。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有電網(wǎng)電壓支撐能力的光伏并網(wǎng)控制方法，適用于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，所述光伏 并網(wǎng)系統(tǒng)包括光伏陣列;所述光伏陣列與光伏并網(wǎng)逆變器連接;所述光伏逆變器與變壓器 連接;其特征在于，該方法包括以下步驟： 1) 將多個(gè)光伏電池通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)連接在一起，形成光伏發(fā)電陣列； 2) 穩(wěn)定光伏陣列輸出的電壓，根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤要求控制光伏逆變器開(kāi)關(guān)管的開(kāi) 斷，穩(wěn)定光伏逆變器的輸出電壓，形成電流的內(nèi)環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制的最大功率點(diǎn)跟蹤滿 足以下條件： dP=IdU+UdI dP/dU=I+UdI/dU 令dP/dU = 0,得到： dI/dU = -I/U P為光伏陣列輸出功率，U為光伏陣列輸出電壓，I為光伏陣列輸出電流； 3) 將光伏并網(wǎng)逆變器輸出的電壓、無(wú)功功率與已知的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)功-電壓補(bǔ)償曲線進(jìn)行比 較，得到光伏逆變器輸出的無(wú)功偏差，將無(wú)功偏差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)后生成光伏逆變器的控制信 號(hào)，調(diào)節(jié)光伏逆變器的開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)光伏并網(wǎng)逆變器修正開(kāi)關(guān)頻率，補(bǔ)充無(wú)功偏差，使得 在電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)的時(shí)候穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，實(shí)現(xiàn)無(wú)功的外環(huán)控制;無(wú)功外環(huán)控制的穩(wěn)定性 滿足以下公式： ~。、r, ,"入(娘廠⑷* Gq ( s) - ^-~~ 5 ~ ' 心:⑷/W(S) Gq(s)為無(wú)功控制回路增益，KQ(s)代表無(wú)功外環(huán)控制系統(tǒng)的比例積分系數(shù);Ilq(s)為逆 L ? 變器輸出電流的q軸增益，，Qpv(^為無(wú)功增益。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有電網(wǎng)電壓支撐能力的光伏并網(wǎng)控制方法。本發(fā)明可以能夠根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)控制光伏陣列輸出電壓維持穩(wěn)定。同時(shí)，在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，根據(jù)并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)設(shè)定的電壓-無(wú)功曲線與實(shí)際測(cè)量的電壓-無(wú)功值進(jìn)行比較，從而可以控制并網(wǎng)逆變器發(fā)出所需要的無(wú)功功率，達(dá)到了穩(wěn)定電網(wǎng)電壓的目的。本發(fā)明與傳統(tǒng)控制方法相比，不僅可以使光伏輸出的電壓穩(wěn)定在合理的范圍內(nèi)，而且還可以在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)支撐并網(wǎng)點(diǎn)電壓。因此該發(fā)明提高了光伏發(fā)電的電能質(zhì)量，也提高了新能源發(fā)電業(yè)主的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)由于該發(fā)明還可以維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定，增加了電力運(yùn)營(yíng)商使用新能源設(shè)備的積極性，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
【IPC分類】H02J3/38, H02J3/16
【公開(kāi)號(hào)】CN105610186
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610004281
【發(fā)明人】李勇, 田旦瑜, 彭衍建, 譚益, 曹一家
【申請(qǐng)人】湖南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2016年1月5日