一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统与流程

1.本发明涉及光伏发电技术领域，特别涉及一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统。


背景技术：

2.随着光伏发电系统的大规模并网，为防止大规模脱网对电力系统造成影响，并网逆变器作为光伏发电系统与电网的接口，其具备一定的高电压穿越能力必成为光伏并网的趋势。电网电压骤升会使逆变器的桥臂输出电压增大，逆变器脱离线性工作区发生过调制，严重时逆变器失控能量从电网侧倒灌进入逆变器引起直流侧过压和过流。虽然目前国内并没有相应的高电压穿越标准出台，但要求并网设备具备高电压穿越能力已成为一种趋势。并网逆变器具备一定的高电压穿越能力，可以减少脱网事故的发生，避免电能的大量损失。


技术实现要素：

3.本发明其中一个发明目的在于提供一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统，所述方法和系统基于mppt控制器(最大功率点跟踪)，并结合模型预测控制(mpc)，所述模型预测控制将每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题生成当前的控制动作，使得模型的建模过程简单高效。
4.本发明另一个发明目的在于提供一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统，所述方法和系统采用非最小化描述模型，使得系统的鲁棒性和稳定性更好。
5.本发明另一个发明目的在于提供一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统，所述方法和系统采用滚动优化策略，而非全局一次优化，能及时弥补由于模型失配、畸变、干扰等因素引起的不确定性，动态性能较好。
6.本发明另一个发明目的在于提供一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统，所述方法和系统通过mppt控制器和模型预测控制(mpc)结合的算法可以延伸到有约束、大迟延、非最小相位、非线性等实际过程，并且可以有效地处理多变量、多约束的问题。
7.为了实现至少一个上述发明目的，本发明进一步提供一种光伏发电系统的高电压穿越方法，包括如下步骤：
8.检测获取光伏并网点电压，并判断所述光伏并网点电压的骤升区间；
9.根据所述光伏并网点电压的骤升区间切换有功或无功电流的参考值；
10.根据所述有功或无功电流的参考值计算系统的有功或无功功率，并指令mppt输出对应的功率；
11.根据所述有功或无功电流参考值计算模型预测的价值函数，并根据所述价值函数控制光伏并网逆变器mpc。
12.根据本发明其中一个较佳实施例，所述方法包括：获取光伏输入电压u
pv
和光伏输入电流i
pv
，获取负载电压u
dc
、负载电流i
dc
和负载电容c，根据boost变换拓扑关系计算开关管断开时和关闭时的光伏输入电压u
pv
、光伏输入电流i
pv
和负载电流i
dc
：
13.当开关管f＝0断开时：
[0014][0015]
当开关管f＝1闭合时：
[0016][0017]
其中l为电感，t为开关管工作时间，r为负载电阻。
[0018]
根据本发明另一个较佳实施例，根据所述开关管打开和关闭状态公式计算开关管状态等式：
[0019][0020]
其中f为开关管状态函数，将所述开关管状态等式离散化得到模型预测公式：
[0021]
根据所述模型预测公式预测下一周期i
pv
、u
pv
，进一步对下一周期内进行采样，生成当前时刻和下一时刻的被控制量。
[0022]
根据本发明另一个较佳实施例，在光伏并网逆变阶段，采用t型三电平逆变器作为控制对象，其中所述t型三电平逆变器由4个开关管和2个二极管组成逆变器的每一相。
[0023]
根据本发明另一个较佳实施例，所述t型三电平逆变器的输出侧电位为：
[0024][0025]
其中di/dt为负载电流导数，e为负载电动势，l为电感，r为电阻；
[0026]
采用前向欧拉逼近替代所述负载电流导数：
[0027][0028]
其中i(k)表示k时刻采样电流，i(k+1)表示k+1时刻采样电流，ts表示采样周期。
[0029]
根据本发明另一个较佳实施例，当所述光伏并网点电压骤升时，通过并网换流器输出感应无功实现高电压穿越，其中所述并网换流器的有功和无功电流参考值为：
[0030][0031]
其中1.15in是按照新能源储能并网换流器中缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)长时耐受电流整定，在所述高压穿越期间，所述光伏并网电压为：
[0032]vg
＝kvn；
[0033]
其中vg为电网电压瞬时值；vn为电网电压额定值，k为比例系数。
[0034]
根据本发明另一个较佳实施例，
[0035]
并网换流器lc滤波电路中滤波电容输出无功：
[0036][0037]
其中uc、u
c0
为hvrt和正常状态下lc滤波器电容端电压幅值，xc为容抗；
[0038]
当并网电压骤升时，通过所述电压骤升带来的电压变化量为：
[0039]
△
qc＝(k
2-1)q
c0
；
[0040]
当并网电压骤升时，并网换流器的无功参考值为：
[0041][0042]
根据本发明另一个较佳实施例，根据有功无功电流参考值关系公式、光伏并网电压公式、并网换流器lc滤波电路中滤波电容输出无功公式、电压骤升携带的无功变化量公式和并网换流器的无功参考值公式整定具有不同电压骤升区间的光伏逆变器hvrt期间电流参考值。
[0043]
根据本发明另一个较佳实施例，hvrt过程光伏发电系统运行在保持故障前的有功功率输出的同时输出最大的无功功率，提供无功支撑，利用光伏并网逆变器的容量，结合模型预测控制价值函数g得到电流的高电压穿越控制：
[0044][0045]
为了实现至少一个上述发明目的，本发明进一步提供一种光伏发电系统的高电压穿越系统，所述系统执行所述一种光伏发电系统的高电压穿越方法。
[0046]
本发明进一步提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行所述一种光伏发电系统的高电压穿越方法。
附图说明
[0047]
图1显示的是本发明一种光伏发电系统的高电压穿越方法的流程示意图。
[0048]
图2显示的是本发明中光伏boost变换拓扑示意图。
[0049]
图3显示的是本发明中开关管的断开状态拓扑示意图。
[0050]
图4显示的是本发明中开关管的关闭状态拓扑示意图。
[0051]
图5显示的是本发明中hvrt无功控制策略流程示意图。
[0052]
图6显示的是本发明中光伏并网电压高压穿越仿真示意图。
[0053]
图7显示的是本发明中有功功率和无功功率示意图。
[0054]
图8显示的是本发明中高压穿越时逆变器网侧电流示意图。
具体实施方式
[0055]
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
[0056]
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
[0057]
请结合图1-图8，本发明公开了一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统，其中所述方法主要包括如下步骤：首先检测光伏并网点电压，并判断电压是否存在骤升，并且设置多个电压骤升的区间，根据骤升电压在不同区间切换至不同的无功或有功电流参考值，并根据所述无功或有功电流参考值计算出系统对应的无功或有功的功率，并根据所述无功或有功的功率通过mppt控制器输出对应的功率，并根据所述电流参考值计算模型预测的价值函数，用于控制mpc逆变器，用于避免所述mpc逆变器脱网。
[0058]
具体的，本发明根据光伏电网原理构建如图2显示的光伏boost变换拓扑示意图，并进一步跟根据光伏电路原理构建如图3和4显示的2种不同的开关管状态示意图，其中图3为等效的开关管断开状态示意图，图4为等效的开关管关闭状态示意图。其中所述开关管为pwm管(脉冲宽度调制)，在如图2、图3和图4所示的示意图中，光伏输入电压为u
pv
、光伏输入电流为i
pv
、负载电压为u
dc
、负载电流为i
dc
和负载电容c，其中f为所述开关管状态函数，f的值为0或1。根据如图3和图4显示的拓扑图，可以计算出当所述开关管的值为0，即开关管的状态为断开时的并网点光伏输入电压u
pv
、光伏输入电流i
pv
和负载端电流i
dc
的计算公式为：
[0059][0060]
其中c为负载电容，r为负载电阻。
[0061]
当开关管的状态为关闭时，且所述并网点光伏输入电压u
pv
、光伏输入电流i
pv
和负载端电流i
dc
的计算公式为：
[0062]
[0063]
结合上述开关管断开和关闭状态的公式转化为如下等式：
[0064][0065][0066]
进一步根据上述两种状态等式合并转化为如下等式：
[0067][0068]
进一步将所述合并转化后的等式进行离散化处理，得到模型预测公式：
[0069][0070]
通过所述模型预测公式可以预测i
pv
、u
pv
，并且在下一个周期内进行采样，根据当前时刻和下一个采样时刻获取被控制的量。
[0071]
值得一提的是，本发明采用t型三电平逆变器作为控制对象，其中所述t型三电平逆变器由4个开关管和2个二极管组成逆变器的每一相，所述每一相中的两个中间开关和二极管连接到dc环的中性点上。所述三电平逆变器产生了27种开关状态。
[0072]
所述三电平逆变器输出侧的计算公式为：
[0073][0074]
将所述负载电流导数di/dt前向欧拉逼近进行替换：
[0075][0076]
由于三电平需要考虑到中点电位的控制，在dc环节电容电压的动态过程可以通过如下的电容差分方程进行描述：
[0077][0078][0079]
其中c1和c2分别表示三电平逆变器中不同的电容状态，v
c1
和v c2
分别表示对应电容状态选的输出端电压，t为逆变器的工作时间。
[0080]
对于在采样时刻ts的电容电压，采用上述前向欧拉逼近的方式获取得如下结果：
其中c
x
为所述采样时刻ts对应的电容，且在该电容下的输出端电压为v
cx
。结合上述两个电容差分方程可以将方程转化为：
[0081][0082][0083]ic1
(k)＝i
dc
(k)-h
1a
ia(k)-h
1b
ib(k)-h
1c
ic(k)；
[0084]ic2
(k)＝i
dc
(k)+h
2a
ia(k)+h
2b
ib(k)+h
2c
ic(k)；
[0085]
其中i
dc
为电压源v
dc
所产生的电流，其中，ia、ib、ic分别表示三电平不同相上的电流，且上式中h
1x
和h
2x
表示开关状态的决定变量，其中x可以是a、b、c中的任意一种。其中所述开关状态的决定变量为：
[0086][0087][0088]
其中s
x
为所述三电平逆变器中任意一相的开关状态。
[0089]
进一步结合上述公式获得负载电流矢量的离散时间模型：
[0090][0091]
通过跟踪设定的电流以实现并网操作。
[0092]
由于在光伏并网过程中存在电压骤升的问题，电压骤升首先对并网换流器产生一定的影响，因此需要在并网换流器上输出一定的感应无功以实现并网系统的高电压穿越(hvrt)，通过在并网换流器上输出感性无功可以降低功率元器件承受的电压峰值，本发明进一步提供有功/无功的高电压穿越控制策略，其中所述并网换流器有功和无功电流参考值即目标电流与额定电流的关系为：
[0093][0094]
其中1.15in是按照新能源储能并网换流器中缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)长时耐受电流整定。
[0095]
在搞电压穿越(hvrt)期间，并网电压可以表示为如下公式：
[0096]vg
＝kvn；
[0097]
其中vg为电网电压瞬时值；vn为电网电压额定值；k为采样时刻。
[0098]
并网换流器lc滤波电路中滤波电容输出无功可表示为如下公式:
[0099]
其中uc、u
c0
为hvrt和正常状态下lc滤波器电容端电压幅值，xc为容抗。
[0100]
并网换流器无功电流参考值可表示为如下公式:
[0101][0102]
根据有功无功电流参考值关系公式、光伏并网电压公式、并网换流器lc滤波电路中滤波电容输出无功公式、电压骤升携带的无功变化量公式和并网换流器的无功参考值公式整定，获得不同电压骤升区间的电流参考值：
[0103]
当电压骤升区间为额定电压为k∈[1,1.1)p.u时，其中p.u表示标幺值；
[0104][0105]
上式中，in＝1.0p.u；
[0106]
当电压骤升区间为额定电压为k∈[1.1,1.2)p.u时；
[0107][0108]
对应的上式中，in∈[1.1,1.2)p.u；
[0109]
当电压骤升区间为额定电压为in∈[1.1,1.2)p.u时；
[0110][0111]
上式中，in＝1.1p.u。
[0112]
电网电压骤升故障前光伏发电系统运行在并网控制策略，以功率因数为1并网运行，输出光伏阵列可发出的最大功率。hvrt过程光伏发电系统运行在保持故障前的有功功率输出的同时输出最大的无功功率，提供无功支撑，充分利用了光伏并网逆变器的容量。结合模型预测控制价值函数g可得电流的高电压穿越控制：
[0113][0114]
下标d、q和α、β分别表示电流所在的旋转坐标系和静止坐标系。
[0115]
如图5所示对所述mpc逆变器执行高压穿越无功策略，控制器检测并网点电压，当电压发生骤升时，根据电压骤升的不同幅度来切换至不同的有功、无功电流参考值，在电压小于1.2倍额定电压en，有功电流参考值不变，当电压在1.1倍额定电压en至1.3倍额定电压en之间时，无功电流参考值根据滤波器中的滤波电容计算，并且始终保证额定电流小于等于1.15倍额定电流值。计算出有功、无功电流参考值之后即可得出系统所需的有功、无功功率，指令mppt输出对应的功率，同时，根据电流参考值计算模型预测的价值函数控制mpc逆变器。若并网点电压超过1.3倍额定电压en时，则并网逆变器脱网。
[0116]
其中图6显示的是并网点电压的仿真示意图，横坐标为时间，横坐标单位为秒，纵坐标为电压值，纵坐标单位为v，图7显示的有功功率和无功功率示意图中，上面线条为有功功率，下面线条为无功功率。图8显示的高压穿越时逆变器网侧电流控制的示意图，通过本发明方法的控制使得并网过程中电压骤升发生在1s的时间电，且时间电压骤升时间长度大幅减少。
[0117]
特别地，根据本发明公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读
介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质被安装。在该计算机程序被中央处理单元(cpu)执行时，执行本技术的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本技术上述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线段、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线段的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本技术中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本技术中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线段、电线段、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。
[0118]
附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0119]
本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明，本发明的目的已经完整并有效地实现，本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。

技术特征：
1.一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，包括如下步骤：检测获取光伏并网点电压，并判断所述光伏并网点电压的骤升区间；根据所述光伏并网点电压的骤升区间切换有功或无功电流的参考值；根据所述有功或无功电流的参考值计算系统的有功或无功功率，并指令mppt输出对应的功率；根据所述有功或无功电流参考值计算模型预测的价值函数，并根据所述价值函数控制光伏并网逆变器mpc。2.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，所述方法包括：获取光伏输入电压u
pv
和光伏输入电流i
pv
，获取负载电压u
dc
、负载电流i
dc
和负载电容c，根据boost变换拓扑关系计算开关管断开时和关闭时的光伏输入电压u
pv
、光伏输入电流i
pv
和负载电流i
dc
：当开关管f＝0断开时：当开关管f＝1闭合时：其中l为电感，t为开关管工作时间，r为负载电阻。3.根据权利要求2所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，根据所述开关管打开和关闭状态公式计算开关管状态等式：其中f为开关管状态函数，将所述开关管状态等式离散化得到模型预测公式：根据所述模型预测公式预测下一周期i
pv
、u
pv
，其中k表示采样时刻，进一步对下一周期
内进行采样，生成当前时刻和下一时刻的被控制量。4.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，在光伏并网逆变阶段，采用t型三电平逆变器作为控制对象，其中所述t型三电平逆变器由4个开关管和2个二极管组成逆变器的每一相。5.根据权利要求4所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，所述t型三电平逆变器的输出侧电位为：其中di/dt为负载电流导数，e为并网侧的电压，l为电感，r为电阻；采用前向欧拉逼近替代所述负载电流导数：其中i(k)表示k时刻采样电流，i(k+1)表示k+1时刻采样电流，t
s
表示采样周期。6.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，当所述光伏并网点电压骤升时，通过并网换流器输出感性无功实现高电压穿越，其中所述并网换流器的有功和无功电流参考值为：其中1.15i
n
是按照新能源储能并网换流器中缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)长时耐受电流整定，在所述高压穿越期间，所述光伏并网电压为：v
g
＝kv
n
；其中v
g
为电网电压瞬时值；v
n
为电网电压额定值，k为采样时刻。7.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，并网换流器lc滤波电路中滤波电容输出无功：其中u
c
、u
c0
为hvrt和正常状态下lc滤波器电容端电压幅值，x
c
为容抗；当并网电压骤升时，并网换流器的无功参考值为：8.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，根据有功无功电流参考值关系公式、光伏并网电压公式、并网换流器lc滤波电路中滤波电容输出无功公式、电压骤升携带的无功变化量公式和并网换流器的无功参考值公式整定具有不同电压骤升区间的光伏逆变器hvrt期间电流参考值。9.根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法，其特征在于，hvrt过程光伏发电系统运行在保持故障前的有功功率输出的同时输出最大的无功功率，提供无功支撑，利用光伏并网逆变器的容量，结合模型预测控制价值函数g得到电流的高电压穿越控制：
10.一种光伏发电系统的高电压穿越系统，其特征在于，所述系统执行权利要求1-8中任意一项所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法。11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行权利要求1-8中任意一项所述的一种光伏发电系统的高电压穿越方法。

技术总结
本发明公开了一种光伏发电系统的高电压穿越方法和系统，所述方法包括如下步骤：检测获取光伏并网点电压，并判断所述光伏并网点电压的骤升区间；根据所述光伏并网点电压的骤升区间切换有功或无功电流的参考值；根据所述有功或无功电流的参考值计算系统的有功或无功功率，并指令MPPT输出对应的功率；根据所述有功或无功电流参考值计算模型预测的价值函数，并根据所述价值函数控制光伏并网逆变器MPC。所述方法和系统基于MPPT控制器(最大功率点跟踪)，并结合模型预测控制(MPC)，所述模型预测控制将每一个采样瞬间通过求解一个有限时域开环最优控制问题生成当前的控制动作，使得模型的建模过程简单高效。型的建模过程简单高效。型的建模过程简单高效。


技术研发人员：顾月刚 赵晋斌 毛玲 潘超 富勤飞 张鹏宇 王宇斌 孙鹏 孙学兵 沈明珠
受保护的技术使用者：浙江佳乐科仪股份有限公司
技术研发日：2021.11.30
技术公布日：2022/3/8