一种并网发电系统、逆变器及其电网故障穿越控制方法

技术领域

本申请涉及并网发电技术领域，特别涉及一种并网发电系统、逆变器及其电网故障穿越控制方法。

背景技术

当前，在世界各地区颁布施行的逆变器并网标准中，均要求逆变器在电网故障穿越过程中，支持无功电流或有功电流的精准控制，支撑电网过渡电网故障穿越过程。现有技术中，对于逆变器的故障穿越控制，均采用逆变器端检测到的交流侧电压来计算判断电网是否处于故障穿越状态，并以此计算电网故障穿越深度，控制逆变器故障穿越期间的功率响应特性。

然而，在一些逆变器尤其是组串式逆变器的实际现场应用中，受现场应用环境的约束，逆变器与其后级所接的升压变压器之间的交流线缆可能较长，这些线缆寄生的阻抗上会叠加一定的电压，以及升压变压器自身的阻抗会同样会叠加一定的电压，导致逆变器端检测到的交流侧电压与升压变压器连接电网一侧的实际电压也即变压器电网侧电压会存在较大差异。因此，当电网发生故障穿越时，逆变器有可能无法及时响应电网故障穿越控制，导致故障穿越期间功率响应特性与要求不一致，严重的，可能无法进行故障穿越逻辑或误进入故障穿越逻辑。

发明内容

有鉴于此，本申请提供一种并网发电系统、逆变器及其电网故障穿越控制方法，以解决现有技术由于无法获取真实的变压器电网侧电压，而导致不能保证逆变器按照标准要求实现电网故障穿越的问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

本申请第一方面提供了一种逆变器的电网故障穿越控制方法，所述逆变器的交流侧通过交流线缆连接变压器；所述电网故障穿越控制方法包括：

获取所述交流线缆和所述变压器的等效阻抗；所述等效阻抗为在所述逆变器正常并网运行之前或正常并网运行过程中计算得到的；

根据所述等效阻抗以及所述逆变器的交流侧实时采样信息，计算得到变压器电网侧实时电压；

根据所述变压器电网侧实时电压，进行电网故障穿越响应。

可选的，所述等效阻抗的计算过程，包括以下任一种：

调节所述逆变器的输出功率，根据不同输出功率下所述逆变器的交流侧实时采样信息的变化，来计算得到所述等效阻抗；

根据所述交流线缆的材料参数和长度，以及所述变压器自身的阻抗参数，计算得到所述等效阻抗；

保持所述逆变器的输出功率恒定，根据所述逆变器的交流侧实时采样信息和变压器电网侧电压采样值，计算得到所述等效阻抗。

可选的，调节所述逆变器的输出功率，根据不同输出功率下所述逆变器的交流侧实时采样信息的变化，来计算得到所述等效阻抗，包括：

调节所述逆变器输出的有功功率，获取不同有功功率输出下所述逆变器的交流侧电压和有功电流；

根据各交流侧电压和各有功电流，分别确定各有功功率中的第一次取值与其他各次取值之间的阻抗变化量；

对各阻抗变化量取平均值，作为所述等效阻抗。

可选的，调节所述逆变器的输出功率，根据不同输出功率下所述逆变器的交流侧实时采样信息的变化，来计算得到所述等效阻抗，包括：

调节所述逆变器输出的无功功率，获取不同有功功率输出下所述逆变器的交流侧电压；

根据各无功功率和各交流侧电压，分别确定各无功功率中的第一次取值与其他各次取值之间的阻抗变化量；

对各阻抗变化量取平均值，作为所述等效阻抗。

可选的，根据所述逆变器的交流侧实时采样信息和变压器电网侧电压采样值，计算得到所述等效阻抗，包括：

通过通信，获取所述变压器电网侧电压采样值；

记录所述逆变器的交流侧电压和输出电流，并计算得到所述输出电流与所述变压器电网侧电压采样值之间的角度差；

根据所述变压器电网侧电压采样值、所述逆变器的交流侧电压、所述输出电流及所述角度差，计算得到所述等效阻抗。

可选的，所述变压器连接至少两个逆变器时，各逆变器逐一或者同时计算得到各自对应的所述等效阻抗。

可选的，各逆变器执行调节所述逆变器的输出功率时，包括：

各逆变器逐一调节自身的输出功率，或者，各逆变器同时进行对于自身输出功率的互补调节。

可选的，所述等效阻抗是在所述逆变器初次并网进入正常并网运行状态之前计算得到的，或者，是按照预设的周期在各周期内所述逆变器正常并网运行过程中计算得到的。

可选的，根据所述等效阻抗以及所述逆变器的交流侧实时采样信息，计算得到变压器电网侧实时电压，包括：

根据所述逆变器的交流侧电压和输出电流，确定电压电流功率因数角；

根据所述逆变器的交流侧电压、所述输出电流、所述电压电流功率因数角及所述等效阻抗，计算得到所述变压器电网侧实时电压。

可选的，根据所述变压器电网侧实时电压，进行电网故障穿越响应，包括：

判断所述变压器电网侧实时电压是否低于低电压穿越阈值，或者，高于高电压穿越阈值；

若所述变压器电网侧实时电压低于所述低电压穿越阈值，则进入低电压穿越控制逻辑；若所述变压器电网侧实时电压高于所述高电压穿越阈值，则进入高电压穿越控制逻辑；

根据所述变压器电网侧实时电压计算故障穿越深度；

根据所述故障穿越深度，进行功率响应。

本申请第二方面提供一种逆变器，包括：控制器和主电路；

所述主电路受控于所述控制器；

所述控制器用于执行如上述第一方面任一种所述的逆变器的电网故障穿越控制方法。

可选的，所述主电路，包括：DC/AC变换电路和至少一个DC/DC变换电路；

所述DC/DC变换电路的一端，作为所述逆变器的输入侧对应端，用于连接相应电源；

所述DC/DC变换电路的另一端，连接所述DC/AC变换电路的直流侧；

所述DC/AC变换电路的交流侧，作为所述逆变器的输出侧，用于通过变压器连接并网点；

所述DC/AC变换电路和所述DC/DC变换电路受控于所述控制器。

本申请第三方面提供一种并网发电系统，包括：变压器和至少一个如上述第二方面任一种所述的逆变器；

所述逆变器的输出侧，通过所述变压器，连接并网点。

可选的，各所述逆变器通过汇流箱连接所述变压器。

本申请提供的逆变器的电网故障穿越控制方法，通过在逆变器正常并网运行之前或正常并网运行过程中计算得到其交流侧的交流线缆和变压器的等效阻抗，使得在获取该等效阻抗后，即可根据该等效阻抗以及逆变器的交流侧实时采样信息，计算得到变压器电网侧实时电压；进而可以以该变压器电网侧实时电压，代替现有技术中逆变器端检测到的交流侧电压，进行电网故障穿越响应；解决了现有技术由于无法获取真实的变压器电网侧电压，而导致不能保证逆变器按照标准要求实现电网故障穿越的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术提供的并网发电系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的逆变器的电网故障穿越控制方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的有功调度时逆变器的交流侧电压变化示意图；

图4为本申请实施例提供的无功调度时逆变器的交流侧电压变化示意图；

图5为本申请实施例提供的采用逆变器的交流侧实时采样信息和变压器电网侧电压采样值进行等效阻抗计算时各参数之间的关系示意图；

图6为本申请实施例提供的并网发电系统中第k号逆变器交流线缆的等效阻抗示意图；

图7为本申请实施例提供的逆变器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对于组串式逆变器所在的并网发电系统，如图1所示，通常是多个逆变器通过交流线缆汇流到一个变压器的低压侧，再通过该变压器升压到中高压后接入大电网中；假定一个变压器下连接n(n≥2)个逆变器，各逆变器分布在光伏电站的各个角落，交流线缆越长，其寄生的阻抗也即等效阻抗越大；各逆变器R、S、T三相交流线缆以及变压器的等效阻抗分别如图中所示的Z1_R、Z1_S、Z1_T，Z2_R、Z2_S、Z2_T，…，Zn_R、Zn_S、Zn_T，其中，Zn_R代表第n个逆变器的R相等效阻抗，其他参数的含义以此类推，不再一一赘述。通常情况下，各相等效阻抗中的感抗远大于电阻，因此其电阻可忽略不计。

随着组串式逆变器装机量的不断提升，组串式逆变器的运行特性和故障穿越能力更关乎电力系统的稳定性。若仍旧采用现有技术中逆变器的交流侧电压来进行电网故障穿越的条件判断以及穿越深度判断，则不能保证逆变器按照标准要求实现电网故障穿越。因此，本申请提供一种逆变器的电网故障穿越控制方法，以解决现有技术由于无法获取真实的变压器电网侧电压，而导致不能保证逆变器按照标准要求实现电网故障穿越的问题。

如图1中所示，逆变器的交流侧通过交流线缆连接变压器；参见图2，该电网故障穿越控制方法包括：

S101、获取交流线缆和变压器的等效阻抗。

实际应用中，该等效阻抗是在逆变器正常并网运行之前计算得到的，而且，具体可以是在逆变器初次并网进入正常并网运行状态之前计算得到该等效阻抗；或者，该等效阻抗也可以是按照预设的周期，在各周期内逆变器正常并网运行过程中计算得到该等效阻抗；也即，可以在逆变器初次并网或间隔一段时间后实施对于该等效阻抗的计算，并将计算得到的该等效阻抗保存在逆变器中。该周期的取值可以根据实际的应用环境而定，此处不做限定，均在本申请的保护范围内。

如图1中所示，当该变压器连接至少两个逆变器时，各逆变器可以逐一计算得到各自对应的等效阻抗，或者，也可以同时计算得到各自对应的等效阻抗；视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。

S102、根据等效阻抗以及逆变器的交流侧实时采样信息，计算得到变压器电网侧实时电压。

在得到该等效阻抗后，可以根据逆变器交流侧实时采样得到的输出电流，计算得到该等效阻抗上叠加的电压；将其叠加至逆变器的交流侧电压，即可得到该变压器电网侧实时电压。

S103、根据变压器电网侧实时电压，进行电网故障穿越响应。

以该变压器电网侧实时电压，替换逆变器的交流侧电压，来进行电网故障穿越的条件判断以及穿越深度判断；也即，在逆变器正常并网运行时，对其实现故障穿越控制的参数进行实时校正。

本实施例提供的该电网故障穿越控制方法，通过在逆变器正常并网运行之前或正常并网运行过程中计算得到其连接交流线缆变压器和的等效阻抗，使得在获取该等效阻抗后，即可根据该等效阻抗以及逆变器的交流侧实时采样信息，计算得到变压器电网侧实时电压；进而可以以该变压器电网侧实时电压，代替现有技术中逆变器端检测到的交流侧电压，进行电网故障穿越响应；解决了现有技术由于无法获取真实的变压器电网侧电压，而导致不能保证逆变器按照标准要求实现电网故障穿越的问题。

在上一实施例的基础之上，本实施例针对交流线缆的等效阻抗的计算过程，给出了多种不同具体方式，比如其可以包括以下任一种：

(一)调节逆变器的输出功率，根据不同输出功率下逆变器的交流侧实时采样信息的变化，来计算得到等效阻抗。

而且，对于图1所示的变压器连接至少两个逆变器的情况，各逆变器执行调节逆变器的输出功率时，具体可以是各逆变器逐一调节自身的输出功率，或者，也可以是各逆变器同时进行对于自身输出功率的互补调节。

实际应用中，该方式(一)具体可以采用以下方案，包括：调节逆变器输出的有功功率，获取不同有功功率输出下逆变器的交流侧电压和有功电流；根据各交流侧电压和各有功电流，分别确定各有功功率中的第一次取值与其他各次取值之间的阻抗变化量；对各阻抗变化量取平均值，作为等效阻抗。

对于单台逆变器而言，无法获取变压器电网侧电压，可通过调节逆变器输出的有功功率，根据不同有功功率下逆变器的交流侧电压变化来计算该等效阻抗。为避免变压器容量大幅度调度带来变压器电网侧电压的变化，可设置同一变压器下的各个逆变器依次逐个实行。

假定在有功功率的调节时间范围内，变压器电网侧电压基本不变。通过进行有功调度，也即调节逆变器输出的有功功率(记为P

…

Z＝(Z

其中，Z是该等效阻抗，Z

图3为有功调度时，逆变器的交流侧电压变化示意图，其中，ΔU

值得说明的是，在光伏并网发电系统中，逆变器的有功出力受限于光照条件的约束，而无功出力仅受限于逆变器自身的无功容量，且利用有功调度进行计算时会影响逆变器发电量。因此，采用无功调度来实现对于该等效阻抗的计算更具优势；此时，该方式(一)可以采用以下方案，包括：调节逆变器输出的无功功率，获取不同有功功率输出下逆变器的交流侧电压；根据各无功功率和各交流侧电压，分别确定各无功功率中的第一次取值与其他各次取值之间的阻抗变化量；对各阻抗变化量取平均值，作为等效阻抗。

与上述有功调度时的计算方法类似，假定在无功功率的调节时间范围内，变压器电网侧电压基本不变。逆变器仅发有功的条件下，通过调节逆变器输出的无功功率(记为Q

Z

Z

…

Z

Z＝(Z

其中，Z是该等效阻抗，Z

图4为无功调度时，逆变器的交流侧电压变化示意图。

特殊的，为避免同一变压器无功容量的大幅度调度或消除变压器端无功容量的波动，可设置同一变压器下每个逆变器逐一进行无功调度；或者，部分逆变器进行容性无功调度，部分逆变器进行感性无功调度，保持变压器下总的无功容量与正常运行时一致。

(二)根据交流线缆的材料参数和长度，以及变压器自身的阻抗参数，计算得到等效阻抗。

实际应用中，可以根据线缆的材料参数及每个逆变器交流线缆的长度，利用IEC(International Electrotechnical Commission，国际电工委员会)推荐线缆感抗计算方法和相应计算公式，计算出每个逆变器交流线缆相应的等效阻抗，再根据从铭牌或其他方式获取的现场变压器的阻抗参数，折算叠加得到总的等效阻抗。

(三)保持逆变器的输出功率恒定，根据逆变器的交流侧实时采样信息和变压器电网侧电压采样值，计算得到等效阻抗。

对于逆变器正常并网运行之前可以获取变压器电网侧电压的情况，可在逆变器进行交流线缆和变压器上等效阻抗的计算时，保持逆变器的输出功率恒定，同时采样记录变压器电网侧电压采样值Utrans，与此同时每个逆变器分别记录各自的交流侧电压(Uinv1，Uinv2，…，Uinvn)和每个逆变器对应输出电流(I1，I2，…，In)，并计算出输出电流与电网电压角度差α，通过某种通讯手段，比如485或者PLC(Power Line Carrier，电力线载波)等，将变压器电网侧电压采样值Utrans传递至每个逆变器，再根据公式(3)欧姆定律计算出逆变器交流线缆的等效阻抗。

其中，Z是该等效阻抗，ΔUx是正序电压变化量，ΔUy是负序电压变化量，Iq是无功电流，Ip是有功电流，L是该等效阻抗中的感抗，ΔU是逆变器的交流侧电压变化量，Uinv是当前计算等效阻抗的逆变器的交流侧电压，I是当前计算等效阻抗的逆变器的输出电流。

图5为采用逆变器的交流侧实时采样信息和变压器电网侧电压采样值进行等效阻抗计算时，各参数之间的关系示意图。

也即，该方式(三)中，根据逆变器的交流侧实时采样信息和变压器电网侧电压采样值，计算得到等效阻抗，具体可以采用以下方案，包括：通过通信，获取变压器电网侧电压采样值；记录逆变器的交流侧电压和输出电流，并计算得到输出电流与变压器电网侧电压采样值之间的角度差；根据变压器电网侧电压采样值、逆变器的交流侧电压、输出电流及角度差，计算得到等效阻抗。

上段所述方案，同一变压器下各逆变器可以协同一起执行，也可以每个逆变器单独执行。

需要说明的是，对于图1中与变压器所接的每个逆变器，可以利用相同方案得出每个逆变器的交流线缆的等效感抗，也可以利用不同方案来进行各自的等效阻抗计算，此处不做限定，视其具体应用环境而定即可。

在上述实施例的基础之上，本实施例对于该电网故障穿越控制方法中，对逆变器故障穿越控制的参数进行校正的过程，给出了以下具体实现形式的示例，比如：

其S102具体可以包括：根据逆变器的交流侧电压和输出电流，确定电压电流功率因数角；根据逆变器的交流侧电压、输出电流、电压电流功率因数角及等效阻抗，计算得到变压器电网侧实时电压。

参见图6，以并网发电系统中第k号逆变器为例，根据获取到的等效阻抗，可以得到其等效阻抗的三相阻抗参数Zk_R，Zk_S和Zk_T。逆变器正常运行时，通过采样获取逆变器的交流侧电压的三相电压参数Uinv_R,S,T，逆变器三相输出电流I_R,S,T以及电压电流功率因数角α。通过欧姆定律可计算出汇流箱变压器电网侧实时电压Utrans_R,S,T，如下式(4)：

然后，即可将计算所得变压器电网侧实时电压Utrans_R,S,T带入逆变器控制器中的故障穿越控制模块中，替代原先逆变器的交流侧电压的三相电压参数Uinv_R,S,T，进行逆变器故障穿越模块控制逻辑。

另外，该电网故障穿越控制方法中的S103具体可以包括：判断变压器电网侧实时电压是否低于低电压穿越阈值，或者，高于高电压穿越阈值；若变压器电网侧实时电压低于低电压穿越阈值，则进入低电压穿越控制逻辑；若变压器电网侧实时电压高于高电压穿越阈值，则进入高电压穿越控制逻辑；然后，根据变压器电网侧实时电压计算故障穿越深度；再根据该故障穿越深度，进行功率响应。

具体的，当该变压器电网侧实时电压Utrans_R,S,T低于该低电压穿越阈值时，逆变器将进入低电压穿越控制逻辑，并根据该变压器电网侧实时电压Utrans_R,S,T计算故障穿越深度，按照标准要求进行功率响应。同样的，当该变压器电网侧实时电压Utrans_R,S,T高于该高电压穿越阈值时，逆变器将进入高电压穿越控制逻辑，并根据该变压器电网侧实时电压Utrans_R,S,T计算故障穿越深度，按照标准要求进行功率响应。

本实施例不仅可以实时获取变压器电网侧电压，解决因逆变器与变压器之间交流线缆等效阻抗分压带来的电网故障穿越响应问题；而且，可以实现准确识别电网故障穿越，避免电网电压在故障穿越阈值附近时，逆变器不响应电网故障穿越控制逻辑或逆变器误进入故障穿越控制逻辑的问题；另外，还可以实现精确快速的识别故障穿越期间电网故障穿越深度，从而保障逆变器可以按标准要求实现功率的快速响应，满足标准要求。

本申请另一实施例提供了一种逆变器，如图7所示，包括：控制器20和主电路10；其中，该主电路10受控于控制器20；该控制器20用于执行如上述任一实施例中所述的逆变器的电网故障穿越控制方法。该电网故障穿越控制方法的具体过程和原理，可以参见上述实施例，此处不再一一赘述。

实际应用中，该主电路10，可以包括图7中所示的：DC/AC变换电路102和至少一个DC/DC变换电路101；其中，DC/DC变换电路101的一端，作为逆变器的输入侧对应端，用于连接相应电源，比如光伏组串；DC/DC变换电路101的另一端，连接DC/AC变换电路102的直流侧；DC/AC变换电路102的交流侧，作为逆变器的输出侧，用于通过变压器连接并网点；DC/AC变换电路102和DC/DC变换电路101受控于控制器20。

控制器20可以根据逆变器的交流侧电压和输出电流等逆变器运行信息，结合交流线缆的等效阻抗，计算得出当前逆变器交流线缆上的分压，并叠加入其交流侧电压，获取变压器电网侧电压，用于电网故障穿越的条件判断以及跌落深度的判断，更快更精确的响应故障穿越期间功率要求，保障逆变器按标准要求穿越电网故障。

本申请另一实施例提供一种并网发电系统，如图1所示，包括：变压器和至少一个逆变器；各逆变器均如上述任一实施例所述，其具体结构及工作原理可以参见上述实施例，此处不再赘述。而且，各逆变器的输出侧均通过变压器，连接并网点；实际应用中，各逆变器可以通过相应的汇流箱连接该变压器。

该并网发电系统中的各逆变器，通过执行上述实施例所述的电网故障穿越控制方法，可以解决组串式逆变器无法获取真实变压器端大电网电压的问题，实现电网故障穿越时快速响应和功率特性的精准控制，保障逆变器按标准要求穿越电网故障。

本说明书中的各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

对所公开的实施例的上述说明，本说明书中各实施例中记载的特征可以相互替换或者组合，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。