一种用于光伏并网逆变器零电压穿越的电网电压锁相方法

摘要

一种用于光伏并网逆变器零电压穿越的电网电压锁相方法。本发明公开了一种光伏并网逆变器零电压穿越控制方法。该方法包括光伏并网逆变器在零电压穿越过程中的电网电压锁相方法、有功电流控制方法和无功电流控制方法。所述锁相方法可以在零电压穿越过程中为电流控制提供相位。本发明能使逆变器向电网输送的有功电流在电网电压跌落过程中进行自动限幅，而在电网电压恢复后又快速恢复，同时具备根据电网电压幅值减小的程度向电网发送无功电流的能力。

说明书

技术领域

本发明属于三相并网逆变器控制技术领域。

背景技术

当电力系统事故或扰动引起电网电压大幅度跌落时，光伏电站的突然脱网 会进一步恶化整个电网的运行状态，在此期间引起的功率缺额可能导致相邻的 电站跳闸，从而引起更大面积的停电。为此，人们提出了光伏电站须具备零电 压穿越功能的要求，它是指当电网电压跌落甚至因系统短路直接跌落到零时， 光伏发电系统仍能保证不脱网连续运行，并提供一定的无功功率以支撑故障电 网恢复到正常水平，从而穿越零电压这个区域。

随着光伏电站容量的不断增加，零电压穿越已成为目前光伏电站亟须解决 的问题，零电压穿越能力也被认为是光伏逆变器控制技术上的最大挑战之一， 直接关系到光伏发电的大规模应用。其难点主要体现在三个方面：第一，光伏 逆变器向电网发送的电流可分解为有功电流分量和无功电流分量，其中有功电 流分量与电网电压同相位，而无功电流分量滞后或超前电网电压90度。为有效 地向电网发送有功或无功功率，必须对电网电压进行锁相。如果采用普通的锁 相方式，例如捕获电网电压的过零点或直接用两相静止坐标系下的分量计算电 网电压的相位等，在电网电压正常时，可以跟踪电网电压相位，但是当电网电 压跌落至零时，用于电网电压相位就无法获取，导致逆变器失控而脱网。第二， 在零电压穿越期间，由于电网电压的降低，输入到电网上的功率也突然降低， 从光伏池板上输送到直流电容阵上的功率大于从直流电容阵输出到电网上的功 率，从而使得直流电容电压会升高，零电压穿越之前的功率平衡被打破，在零 电压穿越过程中需建立新的功率平衡，该功率平衡可通过控制输出电流中的有 功电流分量来完成，为此，需在零电压穿越过程中合理地进行有功电流的调节。 第三，由于向电网发送无功电流可以有效地提高电网电压，因此在电网电压降 低时，逆变器需尽最大可能地向电网发送无功电流。

传统的三相电压锁相方法，往往通过三相到两相坐标变换，得到正交的两 相电压，然后计算相位或者通过闭环锁相环得到相位。这类传统锁相方法的缺 点是：1），当电网电压出现不平衡跌落时，两相坐标系下的电压信号不再正交， 直接计算相位会使得电流控制也不平衡；2），在电网电压跌落至零时，无法计 算相位或者通过闭环锁相环得到相位。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供了一种光伏并网逆变器零电压穿越控制 方法，光伏并网逆变器在零电压穿越过程中电网电压自适应锁相方法。

本发明技术方案如下：

一种用于光伏并网逆变器零电压穿越的电网电压锁相方法，其特征在于： 包含两个闭环带通滤波器，每个带通滤波器具有一个闭环系数，该系数根据电 网电压不同的跌落深度自动调整，当电网电压减小时，闭环系数减小，相当于 滤波带宽降低，滤波输出衰减变慢，当实际电网电压衰减到零时，滤波输出而 能维持一段时间；当电网电压恢复时，闭环系数增大，相当于滤波带宽变大， 滤波输出迅速增大，很快跟踪上电网电压相位。

作为一种改进，所述的带通滤波器输出对于输入的传递函数表达式为：

$\frac{e_{\alpha 1}}{e_{\alpha }}=\frac{e_{\beta 2}}{e_{\beta }}=\frac{\mathrm{\alpha ws}}{s^2\mathrm{\alpha ws}+w^2},\frac{e_{\beta 1}}{e_{\alpha }}=\frac{e_{\alpha 2}}{e_{\beta }}=\frac{{\mathrm{\alpha w}}^2}{s^2+\mathrm{\alpha ws}+w^2}---\left(1\right)$

其中w为带通滤波器的中心频率，这里取电网电压的角频率；系数α反映该带通 滤波器的带宽，α越大，带宽越大，α越小，带宽越小，这种带通滤波器的带宽 是可以通过调节α的值而自适应动态调整的，这里取其中E_g为使用滑动 平均滤波得到三相电网电压的有效值的平均值E_g，而为额定电网电压。电网 电压在额定值时，α比较大，即α=1；当电网电压跌落时，α变小，滤波带宽变 小，滤波输出衰减得很慢；当电网电压突然恢复时，α变大，滤波输出上升得很 快，能很快跟上实际的电网电压。

作为一种改进，包括有以下步骤：

（1）将三相电网电压e_a,e_b,e_c经过三相静止坐标系到两相静止坐标系变换 得到e_α,e_β。

（2）对两相静止坐标下电压信号e_α,e_β进行带通滤波;

（3）计算正序分量,α轴的正序分量和β轴的正序分量计算式为：

$e_{\alpha }^P=\frac{e_{\alpha 1}+e_{\alpha 2}}{2},e_{\beta }^P=\frac{e_{\beta 1}+e_{\beta 2}}{2}$

（4）计算出电网正序电压的相位角余弦值cosθ，及正弦值sinθ：

$\cos \theta =\frac{e_{\alpha }^P}{\sqrt{e_{\alpha }^P+e_{\beta }^P}},\sin \theta =\frac{e_{\beta }^P\left(n\right)}{\sqrt{e_{\alpha }^P+e_{\beta }^P}}---\left(3\right)$

（5）利用余弦值和正弦值就可以完成电流闭环控制需要的旋转变换。

作为一种改进，其特征在于以使用滑动平均滤波得到的三相电网电压有效 值的平均值与电网电压额定值的比值是否小于0.9作为判定电网电压是否跌落 的依据；当检测到电网电压没有发生跌落时，直流电压环的PI输出结果作为有 功电流给定，当检测到电网电压发生跌落时，对直流电压环的PI输出限幅，限 幅值为额定电流乘以电压跌落系数，再将限幅后的PI输出赋给有功电流给定； 当检测到电网电压恢复时，直流电压环的PI输出又自动逐渐增加，使有功电流 给定恢复到跌落前的值。

作为一种改进，根据使用滑动平均滤波得到的三相电网电压有效值的平均 值计算无功电流给定，正常情况下，电网电压大于0.9倍额定电压，无功电流给 定设为零，即保持逆变器输出电流与电网电压同频同相；当电网电压介于0.2倍 的额定电压和0.9倍额定电压之间时，电网电压越低发送无功电流越多，无功电 流随电网电压的降低而线性地增加；当电网电压低于0.2倍额定电压时，向电网 发送逆变器最大可承受的无功电流。

本发明提出的自适应锁相环能弥补传统锁相方法的这两个缺点。1），无论 电网电压是否平衡，它总是得到正序电压中A相电压的基波分量，并且同时得 到滞后A相基波分量的正交信号，按这组幅值相等，相位互差90度的信号作为 电流给定的计算依据，能始终保持电流给定是平衡的；2），电网电压跌落至0% 时，自适应锁相环依然能够通过自动调整带宽在零电压穿越期间始终保持输出 电压的基波分量。

附图说明

图1三相光伏并网逆变系统。

图2零电压穿越控制方法原理框图。

图3自适应锁相环的具体实现框图。

图4有功功率调节方法的程序流程图。

图5无功功率调节方法的程序流程图。

图6电网ABC三相电压同时跌落至0%时电流控制效果图。

图7电网AB线电压跌落至20%时电流控制效果图。

具体实施方式

本发明所用的自适应锁相方法如图3所示。图中的输入信号e_α,e_β为两相静止 坐标下电压信号，它是将三相电网电压e_a,e_b,e_c经过三相静止坐标系到两相静止坐 标系变换而来。

图3中的第一个步骤是对两相静止坐标下电压信号e_α,e_β进行带通滤波。两个 闭环带通滤波器输出对于输入的传递函数表达式为：

$\frac{e_{\alpha 1}}{e_{\alpha }}=\frac{e_{\beta 2}}{e_{\beta }}=\frac{\mathrm{\alpha ws}}{s^2\mathrm{\alpha ws}+w^2},\frac{e_{\beta 1}}{e_{\alpha }}=\frac{e_{\alpha 2}}{e_{\beta }}=\frac{{\mathrm{\alpha w}}^2}{s^2+\mathrm{\alpha ws}+w^2}---\left(1\right)$

其中w为带通滤波器的中心频率，这里取电网电压的角频率；系数α反映该带通 滤波器的带宽，α越大，带宽越大，α越小，带宽越小，这种带通滤波器的带宽 是可以通过调节α的值而自适应动态调整的。这里取其中E_g为使用滑动 平均滤波得到三相电网电压的有效值的平均值E_g，而E_gN为额定电网电压。电网 电压在额定值时，α比较大，即α=1。当电网电压跌落时，α变小，滤波带宽变 小，滤波输出衰减得很慢；当电网电压突然恢复时，α变大，滤波输出上升得很 快，能很快跟上实际的电网电压。从传递函数可以看出，当滤波输出达到稳态 时，第一个闭环的输出e_α1与电网电压e_α同相位，第一个闭环的另一个输出e_β1滞后 电网电压e_α相位90度，第二个闭环的输出e_β2与电网电压e_β同相位，第二个闭环 的另一个输出e_α2滞后电网电压e_β相位90度。这两个带通滤波器的基本作用有： 1），滤除电网电压的谐波而只取电网电压的基波；2）利用滤波输出衰减较慢的 特点，为电网电压跌落到零时提供锁相所需的信号；3）输出移相90度的分量 是为了下一步计算正序分量。

图3中的另一个步骤是计算正序分量。计算正序分量的目的是使得锁相方 法适应于三相电压不平衡的情况，比如电网发生不对称故障时，电网电压的α轴 分量和β轴分量的幅值是不同的，用其计算出来的相位是波动的，不利于控制， 因此有必要计算正序分量。根据两相静止坐标系下的正负序分离理论，可知，α 轴的正序分量和β轴的正序分量计算式为：

$e_{\alpha }^P=\frac{e_{\alpha 1}+e_{\alpha 2}}{2},e_{\beta }^P=\frac{e_{\beta 1}+e_{\beta 2}}{2}---\left(2\right)$

由此正序分量可计算电网电压正序的相位，其相位是比较稳定的。

图3中的最后一个步骤是计算出电网正序电压的相位角余弦值cosθ，及正弦 值sinθ：

$\cos \theta =\frac{e_{\alpha }^P}{\sqrt{e_{\alpha }^P+e_{\beta }^P}},\sin \theta =\frac{e_{\beta }^P\left(n\right)}{\sqrt{e_{\alpha }^P+e_{\beta }^P}}---\left(3\right)$

有此余弦值和正弦值就可以完成电流闭环控制需要的旋转变换，即电网电压锁 相完成。

2、有功功率调节方法

光伏并网逆变系统，如图1所示，在不考虑IGBT开关和电抗器等器件损耗 的情况下，应满足如下的功率平衡方程：

$P_e-P_g=\frac{d\left(\frac{1}{2}{\mathrm{Cu}}_{\mathrm{dc}}^2\right)}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

其中P_e为光伏电池板输出功率，P_g为光伏逆变器的并网功率P_g，为直流电容 上的能量。在稳态时P_e=P_g，当光伏池板处于稳定发电状态时，直流母线电压也 稳定。当电网电压发生跌落时，并网输出功率P_g将减小，故障瞬间光伏电池板输 出不变，整个发电系统的输入、输出的功率平衡关系就会被打破，产生不平衡 功率ΔP=P_e-P_g，不平衡功率ΔP将导致直流母线电压u_dc上升。由于光伏电池板的 输出特性，直流侧电压上升，会造成光伏电池组的输出电流下降。若此时向电 网输送的有功电流是稳定的，那么当直流母线电压u_dc升高到一定程度时，光伏 池板输送到直流电容上的功率较少到正好等于交流输出功率，此时直流电压不 再增加，功率平衡重新建立起来。因此，零电压穿越过程功率平衡的关键在于 有功电流的控制。

从图2（e）中可以看出，由于在正常电压下，最大功率跟踪（MPPT）的输 出作为直流电压给定，该给定每秒变动1次，每次变动步长1到2V，因此在零 电压穿越过程中，该给定是基本不变的。有功电流的给定是由直流电压环的比 例积分（PI）输出结果而来，在电压突然跌落是，直流电压上升，但直流电压给 定不变，因此直流电压环的PI输出会突然变大，此时，必须进行限幅，否则有 功电流给定太大将使逆变器过流而脱网，并且由于零电压跌落期间要求逆变器 提供无功功率用以支撑电网电压恢复，输出的电流主要是无功分量，因此可以 降低有功电流给定值从而留出电流裕度用以输出无功电流从而控制逆变器不过 流。

有功电流调节如图4所示，其主要过程如下：

以电压跌落系数是否小于0.9作为判定电网电压是否跌落的依据。当检 测到电网电压没有发生跌落时，直流电压环的PI输出结果作为有功电流给定， 当检测到电网电压发生跌落时，对直流电压环的PI输出限幅，限幅值为额定电 流乘以电压跌落系数，再将限幅后的PI输出赋给有功电流给定。当检测到电网 电压恢复时，直流电压环的PI输出又自动逐渐增加，使有功电流给定恢复到跌 落前的值。

无功功率调节方法

在电网电压跌落期间，光伏电站不仅需要保持并网状态，而且最好能够动 态发出无功功率以支撑电网电压。无功功率调节方法流程如图5所示。

其中根据电网电压平均有效值计算无功电流给定值的公式为：

$\left(\begin{array}{cc}{i}_q^{*}=0& (E_g>0.9*E_{g^N})\\ i_q^{*}=1.5*(0.9-\frac{E_g}{E_{g^N}})*I_N& (0.2*E_{g^N}<E_g<0.9*E_{g^N})\\ i_q^{*}=1.05*I_N& (E_g<0.2*E_{g^N})\end{array}\right)$

式中I_N为光伏逆变器输出额定电流。这里假设逆变器过载能力为5%。正常 情况下，电网电压大于0.9倍额定电压，即E_g>0.9*E_gN，无功电流给定设为零，即 保持逆变器输出电流与电网电压同频同相。当电网电压介于0.2倍的额定电压和 0.9倍额定电压之间时，电网电压越低发送无功电流越多。当电网电压低于0.2倍 额定电压时，向电网发送1.05倍额定电流的无功电流，若过载能力更好，无功可 以发得更多。

有功功率调节及无功功率调节效果

本发明所述控制算法在额定电压270V、额定电流1070A、额定功率500kw 的光伏并网逆变器上应用，得到的电网对称和不对称故障电流控制效果如图5 和图7所示。图中从上到下，最上面的通道为交流电压，第二个通道为直流电 压，第三和第四个通道为AB两相电流。

结合图6，说明本算法的效果有：1）电网电压跌落为零期间，电流依然是 正弦波，证明了此时的电网电压相位输出依然稳定；2）电网电压刚跌落的第一 个周期里，电流相位发生变化，从跌落前的有功电流切换到无功电流，并且无 功电流的大小约为1.05倍的额定电流，已尽逆变器最大可能为电网发送了无功 电流；3）电网电压恢复时，无功电流变小，而有功电流开始增大，在不到1秒 的时间里就恢复到跌落前的值，恢复速度令人满意；4）电网电压跌落过程中， 直流电压先增大到一定值稳定下来，电网电压恢复后，直流电压又回到跌落前 的值，证明了光伏逆变系统中的功率平衡始终是保持的。

结合图7，还可以看出算法在电网发生不对称跌落时依然可以保持电流平衡 地运行，维持整个系统的稳定。

1、电路拓扑

本发明基于的硬件对象为三相并网逆变系统，其电路拓扑如图1所示，图 中最左边是光伏(PV)电池板，它与逆变器的直流电容相连，在直流电容上，装 有直流电压传感器，用于检测直流电压u_dc。三相逆变器每相具有一个桥臂，每 个桥臂的上下桥都由IGBT和反并联的二极管构成。每个桥臂的中点分别连接交 流侧电抗器的ABC三相，每相经LC滤波回路，连接到电网。每相装有电流传 感器，分别检测逆变器ABC三相输出电流i_a,i_b,i_c。每相也装有电压传感器，分别 检测三相电网电压e_a,e_b,e_c。图中最下面的控制模块采用常用的SVPWM调制算法 计算出功率开关器件的驱动占空比ρ_a,ρ_b,ρ_c，用以驱动功率开关器件调制出三相 电压u_a,u_b,u_c。

2、零电压穿越控制的具体实现步骤

本发明所指的零电压穿越的控制方法具体实现步骤可结合图2按如下步骤 说明。

第一步：计算电网电压平均有效值，如图2（a）。先使用滑动平均滤波得到 三相电网电压的有效值E_a,E_b,E_c。为了保证对电网电压检测的实时性，程序中 100us调用一次滑动平均滤波。电网电压周期为20ms，因此滑动平均的采样点 数为200。然后计算出电网电压有效值的平均值E_g，

第二步：电网电压锁相，如图2（b）和图3。首先，将电网三相电压从三 相静止坐标系先转换到两相静止坐标系，转换表达式为：$\left(\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}=\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{e}_a\\ e_b\\ e_c\end{array}\right);\end{array}\right)$然后，根据第一步计算的E_g，按确定闭环控制系数；再根据图3，按式（2） 和式（3）计算电网正序电压的相位角余弦值cosθ，正弦值sinθ。

第三步：旋转变换，如图2（c）和（d）。两相静止坐标系的电网电压转换 到dq旋转坐标系，转换表达式为：$\left(\begin{array}{c}{e}_d\\ e_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ \sin \theta & -\cos \end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{e}_{\alpha }\\ e_{\beta }\end{array}\right);$同时，逆变器输出电 流从三相静止坐标系先转换到两相静止坐标系，转换表达式为：

$\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}=\left(\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right),\end{array}\right)$再进行两相静止坐标系到dq旋转坐标系的转换，转换表 达式为：$\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \theta & \sin \theta \\ \sin \theta & -\cos \end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{i}_{\alpha }\\ i_{\beta }\end{array}\right).$

第四步：有功电流给定计算，如图2（e）和图4所示。首先，实现图2（e） 中的最大功率点跟踪控制（MPPT），控制算法采用常见的扰动观测法，判断最 大功率点处的条件是电压左右扰动一步功率不再增加，MPPT的输出作为直流电 压给定。其次，对直流电压给定与直流电压反馈u_dc之差，进行PI控制。再 次，根据电压跌落系数是否小于0.9判定电网电压是否跌落，当检测到电网 电压没有发生跌落时，直流电压环的PI输出结果作为有功电流给定，当检测到 电网电压发生跌落时，直流电压环的PI输出乘以电压跌落系数，再赋给有功电 流给定。

第五步：无功电流给定计算，如图5所示。无功电流给定的大小按式（5） 计算。

第六步：有功电流和无功电流的闭环控制，如图2（e）。对第四步得到的有 功电流给定与第三步得到的有功电流反馈i_d之差进行PI控制。PI输出结果与 第三步得到的电网电压前馈d轴分量e_d、解耦项wLi_q相加得到dq旋转坐标系下 的d轴调制电压u_d。同时，对第五步计算的无功电流给定与第三步计算的无功 电流反馈i_q之差也进行PI控制，PI输出结果与第三步得到的电网电压前馈项q 轴分量e_q、解耦项-wLi_d相加得到dq旋转坐标系下的q轴调制电压u_q。u_d,u_q经过 dq旋转坐标系到两相静止坐标系的变换得到两相静止坐标系下的调制电压 u_α,u_β，最后通过常见的SVPWM调制算法计算得到功率开关器件的驱动占空比 ρ_a,ρ_b,ρ_c。