一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法及系統(tǒng)，屬于光伏發(fā)電控制技術領域。本發(fā)明根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機通過單相勵磁機進行負序補償?shù)臋C理，建立虛擬同步發(fā)電機機模型，對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制；并根據(jù)虛擬發(fā)電機模型生成光伏逆變器電流閉環(huán)控制的電流指令，使逆變器電流閉環(huán)控制對同步機定子電流進行跟蹤。本發(fā)明對虛擬同步發(fā)電機的內電勢采用分相控制，使光伏逆變器在三相電網(wǎng)電壓或負荷不平衡的工況下，自主補償無功，協(xié)助支撐并網(wǎng)點電壓的平衡。
【專利說明】
一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法及系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法及系統(tǒng)，屬于光伏發(fā)電控制技 術領域。
【背景技術】
[0002] 由太陽能資源固有特性所決定的分布式光伏間歇性、隨機性的大范圍出力波動， 在分布式光伏集群性高滲透率并網(wǎng)情況下，會引起配電網(wǎng)潮流出現(xiàn)大范圍變化，變化的頻 度和速度都超過一般性的負荷變化，從而導致配電網(wǎng)出現(xiàn)電壓偏差越限、電壓波動加大等 問題，并且光伏并網(wǎng)點的電壓偏差和波動幅度都高于配電網(wǎng)側，僅依靠配電網(wǎng)調節(jié)變壓器 分接頭和投切并聯(lián)電容器等常規(guī)措施將無法滿足全局性的無功電壓調節(jié)需求;另一方面， 光伏逆變器本身又具有無功調節(jié)能力，如果能夠得到充分利用以提高其自適應控制能力和 電網(wǎng)友好性，反而可以提高配電網(wǎng)的無功電壓調節(jié)能力。
[0003] 目前，分布式光伏電壓無功控制手段主要有恒定無功功率控制、功率因數(shù)控制以 及瞬態(tài)無功支撐控制三種形式，在實際應用中，上述方式雖然能實現(xiàn)分布式光伏的電壓無 功控制，但由于其無法模擬同步發(fā)電機勵磁調節(jié)系統(tǒng)工作原理，在并網(wǎng)點電壓無功調節(jié)的 快速性、精確性、自主性方面均存在缺陷。為有效應對這些缺陷，國內外近幾年對虛擬同步 發(fā)電機技術開展了大量研究，采用虛擬同步發(fā)電機技術能使光伏逆變器既可對并網(wǎng)點電壓 進行穩(wěn)態(tài)調節(jié)，同時還可實現(xiàn)對電網(wǎng)的動態(tài)無功支撐，但目前這方面的研究均基于三相電 壓平衡的工況，電勢幅值為三相統(tǒng)一控制，當電網(wǎng)或負荷不對稱的時候，無法對電網(wǎng)進行平 衡支撐。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法及系統(tǒng)，以優(yōu)化光伏 并網(wǎng)逆變器的無功運行特性。
[0005] 本發(fā)明為解決上述技術問題提供了一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法，該控 制方法包括以下步驟：
[0006] 1)建立虛擬同步發(fā)電機機模型，對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制； [0007] 2)利用步驟1)中的虛擬發(fā)電機模型生成光伏逆變器電流閉環(huán)控制的電流指令，使 逆變器電流閉環(huán)控制對同步機定子電流進行跟蹤。
[0008] 所述步驟1)中的所建立的虛擬同步機的模型為：
[0009]
[0010] 其中ω為虛擬同步機角速度，ω〇為額定角速度，Η為虛擬同步機慣性時間常數(shù)即 空載時，額定轉矩下電機從靜止到額定轉速的時間，Tm、Te分別為虛擬同步機機械轉矩、電磁 轉矩，Kd為阻尼系數(shù)，R、L分別為虛擬同步機定子電阻和電感，~^、1^。、1^。分別為虛擬同步 機三相內電勢、機端電壓、定子電流。
[0011]當機端電壓采用一次調節(jié)方式時，所述步驟1)中內電勢分相控制方式為：
[001 2 ] Ea = Eo+kQ-Ε ( Qref _Q ) +ku-E ( UN_Ua )
[0013]其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步機空載內電勢幅值，k Q-E、ku-E分 別為無功-電壓下垂系數(shù)、一次調壓系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步機無功調節(jié)指令和逆變器實際 輸出無功，U N、Ua分別為同步機機端電壓指令和相電壓有效值。
[0014] 逆變器容量足夠大時，機端電壓采用二次調節(jié)方式，所述步驟1)中內電勢分相控 制方式為：
[0015]
[0016] 其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步機空載內電勢幅值，kg-E為無 功-電壓下垂系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步機無功調節(jié)指令和逆變器實際輸出無功，U N、Ua分別為 同步機機端電壓指令和相電壓有效值，ΗΡΙ*ΡΙ控制器傳遞函數(shù)，K P為比例系數(shù)，1為積分系 數(shù)。
[0017] 本發(fā)明還提供了一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)包括內電勢 分相控制器、虛擬同步發(fā)電機模型、電流閉環(huán)控制模塊和PWM模塊，所述的內電勢分相控制 器用于對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制，所述的的虛擬同步發(fā)電機輸出端與 電流閉環(huán)控制模塊的輸入端連接，電流閉環(huán)控制模塊的輸出端與ΗΜ模塊的輸入端連接， PWM模塊的輸出端控制連接光伏逆變器，通過電流閉環(huán)控制模塊對同步機定子電流進行跟 蹤，以實現(xiàn)對光伏逆變器的控制。
[0018] 所述的虛擬同步發(fā)電機的模型為：
[0019]
[0020]其中ω為虛擬同步發(fā)電機角速度，ω〇為額定角速度，Η為虛擬同步發(fā)電機慣性時 間常數(shù)即為空載時，額定轉矩下電機從靜止到額定轉速的時間，Thl分別為虛擬同步發(fā)電 機機械轉矩、電磁轉矩，Kd為阻尼系數(shù)，R、L分別為虛擬同步發(fā)電機定子電阻和電感，e ab。、 Uabc；、iab。分別為虛擬同步發(fā)電機三相內電勢、機端電壓、定子電流。
[0021] 當機端電壓采用一次調節(jié)方式時，所述內電勢分相控制器采用的控制方式為：
[0022] Ea = Eo+kQ-Ε ( Qref _Q ) +ku-E ( UN_Ua )
[0023] 其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步發(fā)電機空載內電勢幅值，kQ-E、 ku-E分別為無功-電壓下垂系數(shù)、一次調壓系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步發(fā)電機無功調節(jié)指令和逆 變器實際輸出無功，U N、Ua*別為同步發(fā)電機機端電壓指令和相電壓有效值。
[0024] 當機端電壓采用二次調節(jié)方式時，所述內電勢分相控制器采用的控制方式為：
[0025]
[0026] 其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步發(fā)電機空載內電勢幅值，kQ-E為 無功-電壓下垂系數(shù)，Q ref、Q分別為同步發(fā)電機無功調節(jié)指令和逆變器實際輸出無功，UN、Ua 分別為同步發(fā)電機機端電壓指令和相電壓有效值，ΗΡΙ*ΡΙ控制器傳遞函數(shù)，KP為比例系數(shù)， Ki為積分系數(shù)。
[0027] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明根據(jù)傳統(tǒng)同步發(fā)電機通過單相勵磁機進行負序補償 的機理，建立虛擬同步發(fā)電機機模型，對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制;并根 據(jù)虛擬發(fā)電機模型生成光伏逆變器電流閉環(huán)控制的電流指令，使逆變器電流閉環(huán)控制對同 步機定子電流進行跟蹤。本發(fā)明對虛擬同步發(fā)電機的內電勢采用分相控制，使光伏逆變器 在三相電網(wǎng)電壓或負荷不平衡的工況下，自主補償無功，協(xié)助支撐并網(wǎng)點電壓的平衡。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明基于虛擬同步發(fā)電機特性的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法的原 理圖；
[0029] 圖2是虛擬同步發(fā)電機模型；
[0030] 圖3是虛擬同步發(fā)電機內電勢分相控制框圖；
[0031] 圖4是電網(wǎng)不平衡時的控制效果。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進一步的說明。
[0033] 本發(fā)明的一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法的實施例
[0034] 本發(fā)明的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法針對的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)如圖1所示，包 括光伏陣列、光伏逆變器、并網(wǎng)開關和電網(wǎng)，光伏陣列通過光伏逆變器和并網(wǎng)開關接入電 網(wǎng)，光伏逆變器內環(huán)采用電流閉環(huán)控制，本發(fā)明通過虛擬同步發(fā)電機模型的控制使光伏逆 變器獲得與同步發(fā)電機類似的輸出特性，實現(xiàn)對光伏逆變器的控制，該方法的具體實現(xiàn)過 程如下：
[0035] 1.建立虛擬同步發(fā)電機模型，逆變器電流閉環(huán)控制對同步發(fā)電機定子電流進行跟 足示。
[0036] 本實施例所建立的虛擬同步發(fā)電機的模型如圖2所示，具體描述如下：
[0037]
[0038] 其中，ω為虛擬同步發(fā)電機角速度，ω〇為額定角速度，Η為虛擬同步發(fā)電機慣性時 間常數(shù)，定義為空載時，額定轉矩下電機從靜止到額定轉速的時間，?-Te分別為虛擬同步發(fā) 電機機械轉矩、電磁轉矩，Kd為阻尼系數(shù)，R、L分別為虛擬同步發(fā)電機定子電阻和電感，eab。、 uabc；、iab。分別為虛擬同步發(fā)電機三相內電勢、機端電壓、定子電流。圖2中，Θ為同步發(fā)電機功 角，定義為內電勢與機端電壓相位差。
[0039] 機械轉矩1"由機械功率PjP角速度ω計算得到，機械功率通過同步發(fā)電機功頻控 制器得到，常規(guī)功頻控制器一般由有功功率指令和頻率-有功下垂控制器組成。
[0040] 么 (Ο
[0041 ]電磁轉矩I由電磁功率和角速度ω計算得到：
[0042]
[0043 ] 2.對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制。
[0044] 對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢進行分相調節(jié)時，可根據(jù)光伏逆變器的容量選取 機端電壓調節(jié)方式，當光伏逆變器容量小時，機端電壓采用一次調節(jié)方式，當光伏逆變器容 量足夠大時，機端電壓采用二次次調節(jié)方式。
[0045] 當機端電壓采用一次調節(jié)方式，如圖3所示，以Α相為例，內電勢幅值控制方程為：
[0046] Ea = Eo+kQ-Ε ( Qref _Q ) +ku-E ( UN_Ua )
[0047] 其中，Ea為虛擬同步發(fā)電機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步發(fā)電機空載內電勢幅值， kQ-E、ku-e分別為無功-電壓下垂系數(shù)、一次調壓系數(shù)，Q ref、Q分別為同步發(fā)電機無功調節(jié)指令 和逆變器實際輸出無功，UN、Ua分別為同步發(fā)電機機端電壓指令和A相相電壓有效值。
[0048] B、C相內電勢控制方法同上，空載內電勢Eo和無功控制量Eq是三相統(tǒng)一控制量，并 網(wǎng)點電壓三相平衡時，三相一次調壓控制量EUabc三相相等，在并網(wǎng)點電壓三相不平衡時，虛 擬同步發(fā)電機三相內電勢根據(jù)各相機端電壓偏差自主調節(jié)，并在虛擬定子阻抗上生成不對 稱電流，對并網(wǎng)點電壓進行支撐。
[0049] 逆變器容量足夠大時，機端電壓采用二次調節(jié)方式，如圖4所示，以A相為例，內電 勢控制方程為：
[0050]
[0051] 其中Ea為虛擬同步發(fā)電機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步發(fā)電機空載內電勢幅值， kQ-E、為無功-電壓下垂系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步發(fā)電機無功調節(jié)指令和逆變器實際輸出無 功，U N、Ua分別為同步發(fā)電機機端電壓指令和A相相電壓有效值，ΗΡΙ*ΡΙ控制器傳遞函數(shù)，K P 為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)。
[0052] B、C相內電勢控制方法同上，基于機端電壓二次調節(jié)的控制結果如圖4所示，在使 能內電勢分相控制后，并網(wǎng)點電壓被支撐至三相平衡。
[0053] 3.將采用內電勢分相控制的虛擬同步發(fā)電機模型生成電流控制指令，并利用生成 的電流控制指令進行電流閉環(huán)控制，通過逆變器電流閉環(huán)控制對同步機定子電流進行跟 蹤，以實現(xiàn)對光伏逆變器的控制。
[0054]電流閉環(huán)控制過程為:將定子電流和逆變器采樣電流進行正、負序分解，在正序d、 q旋轉坐標系和負序d、q旋轉坐標系下，分別對正序d軸電流、正序q軸電流、負序d軸電流、負 序q軸電流進行電流閉環(huán)控制，控制器采用常規(guī)PI控制器。
[0055 ]本發(fā)明的一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)的實施例
[0056] 本實施例中的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)如圖1所示，包括內電勢分相控 制器、虛擬同步發(fā)電機模型、電流閉環(huán)控制模塊和PWM模塊，其中虛擬同步發(fā)電機模型的內 電勢幅值為內電勢分相控制器的輸出值，虛擬同步發(fā)電機模型的機端電壓為逆變器輸出端 三相電壓實時采樣值，內電勢與機端電壓的壓差通過虛擬定子阻抗產生定子電流，通過逆 變器電流閉環(huán)控制對同步機定子電流進行跟蹤，以實現(xiàn)對光伏逆變器的控制。該電壓平衡 控制系統(tǒng)中各個組成部分的具體實現(xiàn)手段已在方法的實施例中進行了詳細說明，這里不再 贅述。
[0057] 以上實施例僅供說明本發(fā)明之用，而非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的技術人 員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以作出各種變換或變型，因此所有等同的 技術方案也應該屬于本發(fā)明的范疇，應由各權利要求所限定。
【主權項】
1. 一種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法，其特征在于，該控制方法包括以下步驟： 1) 建立虛擬同步發(fā)電機機模型，對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制； 2) 利用步驟1)中的虛擬發(fā)電機模型生成光伏逆變器電流閉環(huán)控制的電流指令，使逆變 器電流閉環(huán)控制對同步機定子電流進行跟蹤。2. 根據(jù)權利要求1所述的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法，其特征在于，所述步驟1) 中的所建立的虛擬同步機的模型為：其中ω為虛擬同步機角速度，ω〇為額定角速度，H為虛擬同步機慣性時間常數(shù)即空載 時，額定轉矩下電機從靜止到額定轉速的時間，T m、T e分別為虛擬同步機機械轉矩、電磁轉 矩，Kd為阻尼系數(shù)，R、L分別為虛擬同步機定子電阻和電感， 6^。、1^。、"。分別為虛擬同步機 三相內電勢、機端電壓、定子電流。3. 根據(jù)權利要求1或2所述的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法，其特征在于，當機端 電壓采用一次調節(jié)方式時，所述步驟1)中內電勢分相控制方式為： Ea 一 E〇+kQ-E ( Qref _Q ) +ku-E ( UN-Ua ) 其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步機空載內電勢幅值，kQ-E、k u-E分別為 無功-電壓下垂系數(shù)、一次調壓系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步機無功調節(jié)指令和逆變器實際輸出 無功，U N、Ua分別為同步機機端電壓指令和相電壓有效值。4. 根據(jù)權利要求1或2所述的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制方法，其特征在于，逆變器 容量足夠大時，機端電壓采用二次調節(jié)方式，所述步驟1)中內電勢分相控制方式為：其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步機空載內電勢幅值，kg-E為無功-電 壓下垂系數(shù)，Qref、Q分別為同步機無功調節(jié)指令和逆變器實際輸出無功，UN、Ua分別為同步機 機端電壓指令和相電壓有效值，Hp 1SPI控制器傳遞函數(shù)，Kp為比例系數(shù)，K1為積分系數(shù)。5. -種光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)包括內電勢分相 控制器、虛擬同步發(fā)電機模型、電流閉環(huán)控制模塊和PWM模塊，所述的內電勢分相控制器用 于對虛擬同步發(fā)電機模型的內電勢采用分相控制，所述的的虛擬同步發(fā)電機輸出端與電流 閉環(huán)控制模塊的輸入端連接，電流閉環(huán)控制模塊的輸出端與PWM模塊的輸入端連接，PWM模 塊的輸出端控制連接光伏逆變器，通過電流閉環(huán)控制模塊對同步機定子電流進行跟蹤，以 實現(xiàn)對光伏逆變器的控制。6. 根據(jù)權利要求5所述的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的虛擬 同步發(fā)電機的模型為：其中ω為虛擬同步發(fā)電機角速度，ω〇為額定角速度，H為虛擬同步發(fā)電機慣性時間常數(shù) 即為空載時，額定轉矩下電機從靜止到額定轉速的時間，I-Te3分別為虛擬同步發(fā)電機機械 轉矩、電磁轉矩，Kd為阻尼系數(shù)，R、L分別為虛擬同步發(fā)電機定子電阻和電感，e abc、Uabc、iabc 分別為虛擬同步發(fā)電機三相內電勢、機端電壓、定子電流。7. 根據(jù)權利要求6或5所述的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，當機端 電壓采用一次調節(jié)方式時，所述內電勢分相控制器采用的控制方式為： Ea 一 E〇+kQ-E ( Qref _Q ) +ku-E ( UN-Ua ) 其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步發(fā)電機空載內電勢幅值，kg-E、ku-E分 別為無功-電壓下垂系數(shù)、一次調壓系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步發(fā)電機無功調節(jié)指令和逆變器 實際輸出無功，UN、U a*別為同步發(fā)電機機端電壓指令和相電壓有效值。8. 根據(jù)權利要求6或5所述的光伏逆變器穩(wěn)態(tài)電壓平衡控制系統(tǒng)，其特征在于，當機端 電壓采用二次調節(jié)方式時，所述內電勢分相控制器采用的控制方式為：其中Ea為虛擬同步機A相內電勢幅值，Eo為虛擬同步發(fā)電機空載內電勢幅值，kQ-E為無 功-電壓下垂系數(shù)，Qrrf、Q分別為同步發(fā)電機無功調節(jié)指令和逆變器實際輸出無功，加、匕分 別為同步發(fā)電機機端電壓指令和相電壓有效值，H piSPI控制器傳遞函數(shù)，Kp為比例系數(shù)，K1 為積分系數(shù)。
【文檔編號】H02J3/16GK105896614SQ201610224990
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】肖飛, 王林, 張海龍, 黃輝, 曹建博, 孫健, 常乾坤, 王存平
【申請人】許繼集團有限公司, 國網(wǎng)北京市電力公司, 西安許繼電力電子技術有限公司, 許繼電氣股份有限公司, 國家電網(wǎng)公司