一種用于解決低電壓穿越的控制系統及其策略方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于解決低電壓穿越的控制系統，包括光伏電池陣列、三相逆變器、電網以及控制器；所述三相逆變器包括依次串聯在光伏電池陣列與電網之間的功率開關電路和濾波電路，所述控制器的信號輸入端分別與光伏電池陣列的輸出端、功率開關電路的輸出端、濾波電路的輸出端電性連接以采集電流或電壓信號；所述控制器的信號輸出端與功率開關電路中的開關管信號端電性連接，以通過對所述采集電流或電壓信號進行重復控制、PI調節、網側電壓前饋來輸出控制開關管導通的脈寬調制信號，以解決光伏逆變器在電網發生低電壓（包括零電壓）故障時順利通過，且最大限度地輸出并網電流。
【專利說明】—種用于解決低電壓穿越的控制系統及其策略方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光伏發電系統，尤其是一種用于解決低電壓穿越的控制系統及其策略方法。
【背景技術】
[0002]當光伏電站網側電壓由于某種原因發生單相、二相、三相故障時，會造成逆變器的網側電壓發生不同程度的跌落。根據相關規范文件要求，各逆變器需要能夠在一定時間內通過此故障區域。目前通用的控制方式是:光伏逆變器通過軟件控制的方式。而實現方案往往是采用正負序旋轉坐標系下的雙環控制策略，盡可能地平滑輸出電流。現有的正負序雙環控制策略，對電網故障的判斷響應要求比較嚴格；由于控制策略中加入了 IOOHz濾波器，造成控制的滯后性；在電網跌落瞬間、恢復瞬間對產品會有比較大的尖峰，尤其是在大功率時，嚴重影響產品元器件的壽命，且可靠性不高；對控制技術要求很高；在故障期間，需要對輸出電流進行降容；需要進行abc/dq坐標變換(三相靜止對稱坐標系變換為兩相同步旋轉坐標系)，計算方法繁瑣，且DSP實現占用較大內存等。

【發明內容】

[0003]為解決上述技術問題，本發明的目的是提供一種用于解決低電壓穿越的控制系統及其策略方法。
[0004]本發明采用的技術方案是:
[0005]一種用于解決低電壓穿越的控制系統，其特征在于:包括光伏電池陣列、三相逆變器、電網以及控制器；所述三相逆變器包括依次串聯在光伏電池陣列與電網之間的功率開關電路和濾波電路，所述控制器的信號輸入端分別與光伏電池陣列的輸出端、功率開關電路的輸出端、濾波電路的輸出端電性連接以采集電流或電壓信號；所述控制器的信號輸出端與功率開關電路中的開關管信號端電性連接，以通過對所述采集電流或電壓信號進行重復控制、PI調節、網側電壓前饋來輸出控制開關管導通的脈寬調制信號。
[0006]進一步的，所述控制器包括正序電壓提取模塊、鎖相環、空間矢量脈寬調制模塊、第一計算模塊、電壓外環、LVRT參數選定模塊、電流內環；所述正序電壓提取模塊用于提取
網側電壓的正序分量< <，所述鎖相環用于根據網側電壓的正序分量 <、< 未確定電
網電壓的相位Θ ;所述第一計算模塊用于將功率開關電路輸出端的逆變電流ia、ib、i。進行等量3s/2s變換至α β坐標系，得到ia、ie作為電流內環的反饋量；所述電壓外環用于以光伏電池陣列的直流電壓Vdc以及直流側的電流信號Idc進行最大功率點跟蹤和PI調節來輸出電流給定值Id_ref_0 ;所述LVRT參數選定模塊用于根據所述電壓外環輸入的電流給定值Id_ref_o輸出d、q軸的參考電流值Id_ref、Iq_ref ;所述電流內環用于根據所述電網
電壓的相位Θ、以及d、q軸的參考電流值Id_ref、Iq_ref、網側電壓的正序分量 <、<、反
饋量ia、ie來輸出α β坐標系下空間電壓矢量分量Va、Ve ;所述空間矢量脈寬調制模塊用于將所述空間電壓矢量分量Va、Ve合成空間電壓矢量指令并根據空間電壓矢量處于不同的區間來輸出功率開關電路中三相模塊的PWM導通信號，以控制開關管的導通與關斷。
[0007]進一步的，所述電壓外環包括MPPT模塊和第一 PI調節器；該MPPT模塊用于采集光伏電池陣列的直流電壓Vdc以及直流側的電流信號Idc，并根據判斷是否處于最大功率點的位置調整光伏電池陣列的參考電壓，作為電壓外環的參考值給定Vpv MPPT ;該第一 PI調節器用于將電壓外環的參考值給定Vpv MPPT與光伏電池陣列的直流電壓Vdc之間的差值Λ Vdc進行PI調節然后輸出電流給定值Id_ref_o。
[0008]進一步的，所述電流內環包括第二計算模塊、第二 PI調節器、第三PI調節器、第一重復控制器、第二重復控制器；所述第二計算模塊用于將所述參考電流值IcLref、Iq_ref結合電網相位Θ并經過dq/ α β變換得到α β坐標系下電流內環的給定值iaref、ieref,
以及將所述網側電壓的正序分量W、<結合電網相位Θ并經過dq/α β變換得到α β坐標系下正序電壓<、4，所述第二 PI調節器用于將所述電流內環給定值iaref與反饋值ia之間的差值Aia進行PI調節并輸出PI調節器α電壓分量ef,所述第三PI調節器用于將所述電流內環給定值ieref與反饋值％之間的差值Aie進行PI調節并輸出PI調節器β電壓分量;所述第一重復控制器用于將所述電流內環給定值iaref與反饋值ia之
間的差值Aia進行重復控制并輸出重復控制器α電壓分量#所述第二重復控制器用于將所述電流內環給定值％1"社與反饋值％之間的差值Aie進行重復控制并輸出重復控制器β電壓分量并且所述網側電壓的正序電壓<、PI調節器α電壓分量ef、重復
控制器α電壓分量#三者作用輸出空間電壓矢量分量Va，所述網側電壓的<、PI調節器
β電壓分量重復控制器β電壓分量4三者作用輸出空間電壓矢量分量Ve。
[0009]一種應用上述低電壓穿越控制系統的策略方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0010]S1、用三相電壓傳感器米集電網電壓信號ea、eb、e。,正序電壓提取模塊將ea、eb、ec等量3s/2r變換得到電網電壓正序分量的d、q量，再通過正序電壓提取模塊中的低通濾波
器濾掉交流信號，得到網側電壓的正序分量4、< ;鎖相環模塊先將d、q軸電壓分量進行
標幺化處理，并將參考值O和實際的<相減，得到誤差信號，再經過P I調節后得到角頻率
的誤差信號，再與理論角頻率2Jif相加，即得到網側電壓的實際角頻率，根據角頻率經過一階積分環節后，得到電網電壓的相位Θ ;
[0011]S2、以三相電流傳感器采集的功率開關電路輸出端的逆變電流ia、ib、i。，并通過第一計算模塊將逆變電流ia、ib、i。進行等量3s/2s變換至α β坐標系，得到ia、ie作為電流內環的反饋量；
[0012]S3、以MPPT模塊采集光伏電池陣列的直流電壓Vdc以及直流側的電流信號IDC，并根據判斷是否處于最大功率點的位置調整光伏電池陣列的參考電壓，作為電壓外環的參考值給定Vpvjppt ;該第一 PI調節器用于將電壓外環的參考值給定Vpvjtim與光伏電池陣列的直流電壓Vdc之間的差值Λ Vdc進行PI調節然后輸出電流給定值Id_ref_o ；
[0013]S4、以S3中從電壓外環輸出的參考電流值給定值Id_ref_o，傳輸到LVRT參數選定模塊進行處理并輸出d軸的有功電流輸出給定值Id—ref和q軸的無功電流輸出給定值Iq—ref ；
[0014]S5、所述第二計算模塊將所述參考電流值Id_ref、Iq_ref結合電網相位Θ并經過dq/α β變換得到α β坐標系下電流內環的給定值iaref、ieref，以及將所述網側電壓
的正序分量W、<結合電網相位Θ并經過dq/α β變換得到α β坐標系下正序電壓<、
4，
[0015]S6、設計基于三相逆變器占空比傳遞函數的第一重復控制器和第二重復控制器；
[0016]S7、第二 PI調節器將所述電流內環給定值、!.#與反饋值匕之間的差值Aia進
行PI調節并輸出PI調節器α電壓分量ef;第三PI調節器將所述電流內環給定值101"社
與反饋值％之間的差值Ai0進行PI調節并輸出PI調節器β電壓分量<7，第一重復控制器將所述電流內環給定值iaref與反饋值1之間的差值Aia進行重復控制并輸出重復控制器α電壓分量Z第二重復控制器將所述電流內環給定值ieref與反饋值“之間的
差值Ai0進行重復控制并輸出重復控制器β電壓分量并且所述網側電壓的正序電壓
e PI調節器α電壓分量ef、重復控制器α電壓分量ef三者作用輸出空間電壓矢量分
量乂。，所述網側電壓的4、PI調節器β電壓分量4重復控制器β電壓分量4三者作用輸出空間電壓矢量分量V0 ；
[0017]S8、空間矢量脈寬調制模塊根據空間電壓矢量Va、Ve處于不同的區間，輸出功率開關電路中三相模塊的PWM導通信號，使實際的空間電壓矢量逼近指令電壓矢量，以控制開關管側的輸出電流ia、ib、i。。
[0018]進一步的，在步驟S4中，LVRT參數選定模塊在正常電網條件下，按照輸出有功功率最大化的原則，不輸出無功電流，僅輸出有功電流；而當發生低電壓穿越故障時，根據判斷電網故障的類型，按照LVRT穿越標準，輸出無功電流，支撐電網電壓，由于逆變器/變流器的能量限制，需要限制網側視在功率不能超過額定輸出容量，所以滿足無功電流的輸出值后，盡可能多地輸出有功電流。
[0019]進一步的，在步驟S5中，第一重復控制器和第二重復控制器的設計包括內模設計和補償器設計；其中，內模提供穩定持續的控制信號，反饋環節中取略小于I的系數，
本控制系統取0.98，內膜離散傳遞函數為
【權利要求】
1.一種用于解決低電壓穿越的控制系統，其特征在于:包括光伏電池陣列、三相逆變器、電網以及控制器；所述三相逆變器包括依次串聯在光伏電池陣列與電網之間的功率開關電路和濾波電路，所述控制器的信號輸入端分別與光伏電池陣列的輸出端、功率開關電路的輸出端、濾波電路的輸出端電性連接以采集電流或電壓信號；所述控制器的信號輸出端與功率開關電路中的開關管信號端電性連接，以通過對所述采集電流或電壓信號進行重復控制、PI調節、網側電壓前饋來輸出控制開關管導通的脈寬調制信號。
2.根據權利要求1所述的一種用于解決低電壓穿越的控制系統，其特征在于:所述控制器包括正序電壓提取模塊、鎖相環、空間矢量脈寬調制模塊、第一計算模塊、電壓外環、LVRT參數選定模塊、電流內環；所述正序電壓提取模塊用于提取網側電壓的正序分量.4、<，所述鎖相環用于根據網側電壓的正序分量4、<來確定電網電壓的相位Θ ;所述第一計算模塊用于將功率開關電路輸出端的逆變電流ia、ib、i。進行等量3s/2s變換至α β坐標系，得到ia、ie作為電流內環的反饋量；所述電壓外環用于以光伏電池陣列的直流電壓Vdc以及直流側的電流信號Idc進行最大功率點跟蹤和PI調節來輸出電流給定值Id_ref_o ;所述LVRT參數選定模塊用于根據所述電壓外環輸入的電流給定值Id_ref_o輸出d、q軸的參考電流值Id_ref、Iq_ref ;所述電流內環用于根據所述電網電壓的相位Θ、以及d、q軸的參考電流值Id_ref、Iq_ref、網側電壓的正序分量A <、反饋量ia、ie來輸出α β坐標系下空間電壓矢量分量Va、Ve ;所述空間矢量脈寬調制模塊用于將所述空間電壓矢量分量Va、Ve合成空間電壓矢量指令并根據空間電壓矢量處于不同的區間來輸出功率開關電路中三相模塊的PWM導通信號，以控制開關管的導通與關斷。
3.根據權利要求2所述的一種用于解決低電壓穿越的控制系統，其特征在于:所述電壓外環包括MPPT模塊和第 一 PI調節器；該MPPT模塊用于采集光伏電池陣列的直流電壓Vdc以及直流側的電流信號IDC，并根據判斷是否處于最大功率點的位置調整光伏電池陣列的參考電壓，作為電壓外環的參考值給定Vpv mppt ;該第一 PI調節器用于將電壓外環的參考值給定Vpv mppt與光伏電池陣列的直流電壓Vdc之間的差值AVdc進行PI調節然后輸出電流給定值 Id_ref_o。
4.根據權利要求2或3所述的一種用于解決低電壓穿越的控制系統，其特征在于:所述電流內環包括第二計算模塊、第二 PI調節器、第三PI調節器、第一重復控制器、第二重復控制器；所述第二計算模塊用于將所述參考電流值Id_ref、Iq_ref結合電網相位Θ并經過dq/a β變換得到α β坐標系下電流內環的給定值iaref、ieref，以及將所述網側電壓的正序分量、<結合電網相位Θ并經過dq/α β變換得到α β坐標系下正序電壓.1 eP所述第二 PI調節器用于將所述電流內環給定值iaref與反饋值1之間的差值Aia進行PI調節并輸出PI調節器α電壓分量ef;所述第三PI調節器用于將所述電流內環給定值ieref與反饋值ie之間的差值Λ ie進行PI調節并輸出PI調節器β電壓分量;所述第一重復控制器用于將所述電流內環給定值iaref與反饋值ia之間的差值Aia進行重復控制并輸出重復控制器α電壓分量#所述第二重復控制器用于將所述電流內環給定值ieref與反饋值ie之間的差值Aie進行重復控制并輸出重復控制器β電壓分量并且所述網側電壓的正序電J3 c PI調節器α電壓分量ef、重復控制器α電壓分量三者作用輸出空間電壓矢量分量Va，所述網側電壓PI調節器β電壓分量重復控制器β電壓分量< 三者作用輸出空間電壓矢量分量Ve。
5.一種應用所述權利要求1的低電壓穿越控制系統的策略方法，其特征在于:包括以下步驟: .51、用三相電壓傳感器采集電網電壓信號ea、eb、ec,正序電壓提取模塊將ea、eb、ec等量.3s/2r變換得到電網電壓正序分量的d、q量，再通過正序電壓提取模塊中的低通濾波器濾掉交流信號，得到網側電壓的正序分量4< ;鎖相環模塊先將d、q軸電壓分量進行標幺化處理，并將參考值O和實際的 < 相減，得到誤差信號，再經過P I調節后得到角頻率的誤差信號，再與理論角頻率2Jif相加，即得到網側電壓的實際角頻率，根據角頻率經過一階積分環節后，得到電網電壓的相位Θ ； .52、以三相電流傳感器采集的功率開關電路輸出端的逆變電流ia、ib、i。，并通過第一計算模塊將逆變電流ia、ib、i。進行等量3s/2s變換至α β坐標系，得到ia、ie作為電流內環的反饋量； .53、以MPPT模塊采集光伏電池陣列的直流電壓Vdc以及直流側的電流信號IDC，并根據判斷是否處于最大功率點的位置調整光伏電池陣列的參考電壓，作為電壓外環的參考值給定VPV—MPPT ;該第一 P〗調節器用于將電壓外環的參考值給定Vpvjtlm與光伏電池陣列的直流電壓Vdc之間的差值Λ Vdc進行PI調節然后輸出電流給定值Id_ref_o ； .54、以S3中從電壓外環輸出的參考電流值給定值Id_ref_o，傳輸到LVRT參數選定模塊進行處理并輸出d軸的有功電流輸出給定值Id_ref和q軸的無功電流輸出給定值Iq_ref ； . 55、所述第二計算模塊將所述參考電流值Id_ref、Iq_ref結合電網相位Θ并經過dq/α β變換得到α β坐標系下電流內環的給定值iaref、ieref，以及將所述網側電壓的正序分量6 <結合電網相位Θ并經過dq/α β變換得到α β坐標系下正序電壓 .56、設計基于三相逆變器占空比傳遞函數的第一重復控制器和第二重復控制器； .57、第二PI調節器將所述電流內環給定值iaref與反饋值匕之間的差值Aia進行PI調節并輸出PI調節器α電壓分量L 第三PI調節器將所述電流內環給定值i^ref與反饋值ie之間的差值Ai0進行PI調節并輸出PI調節器β電壓分量e 第一重復控制器將所述電流內環給定值iaref與反饋值1之間的差值Aia進行重復控制并輸出重復控制器α電壓分量第二重復控制器將所述電流內環給定值ieref與反饋值％之間的差值Ai0進行重復控制并輸出重復控制器β電壓分量< 并且所述網側電壓的正序電壓eap、PI調節器α電壓分量ef重復控制器α電壓分量< 三者作用輸出空間電壓矢量分量乂。，所述網側電壓的& PI調節器β電壓分量<、重復控制器β電壓分量< 三者作用輸出空間電 壓矢量分量V0 ；S8、空間矢量脈寬調制模塊根據空間電壓矢量Va、Vβ處于不同的區間，輸出功率開關電路中三相模塊的PWM導通信號，使實際的空間電壓矢量逼近指令電壓矢量，以控制開關管側的輸出電流ia、ib、i。。
6.根據權利要求5所述的低電壓穿越控制系統的策略方法，其特征在于:在步驟S4中，LVRT參數選定模塊在正常電網條件下，按照輸出有功功率最大化的原則，不輸出無功電流，僅輸出有功電流；而當發生低電壓穿越故障時，根據判斷電網故障的類型，按照LVRT穿越標準，輸出無功電流，支撐電網電壓，由于逆變器/變流器的能量限制，需要限制網側視在功率不能超過額定輸出容量，所以滿足無功電流的輸出值后，盡可能多地輸出有功電流。
7.根據權利要求5所述的低電壓穿越控制系統的策略方法，其特征在于:在步驟S6中，第一重復控制器和第二重復控制器的設計包括內模設計和補償器設計；其中，內模提供穩定持續的控制信號，反饋環節中取略小于I的系數，本控制系統取0.98，內膜離散傳遞函動:G(z) =Z-N/1-.098Z-N;補償器的設計主要是起到重復內膜的相位和幅值，補償器需要根據控制對象的幅頻特性進行設計，一般形式為KjZkS (Z)，其中K,代表重復控制器的增益，范圍在0-1之間，此控制系統取0.98 ；S(z)代表濾波器，包括降低諧振峰以及高頻特性，使得校正對象的中低頻增益接近于1，而高頻迅速減少；Zk代表超前環節，用以補償控制對象和濾波器在相頻特性下的滯后。
【文檔編號】H02J3/38GK103872703SQ201410103357
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月19日 優先權日:2014年3月19日
【發明者】陳守信, 于虹, 李文清, 王建軍, 孫文藝, 周立專 申請人:廣東明陽龍源電力電子有限公司