一种光伏发电系统并网稳态启动方法及装置

技术领域

本发明涉及光伏并网技术领域，尤其涉及一种光伏发电系统并网稳态启动方法及装置。

背景技术

随着全球经济的迅速发展，人们对能源的需求不断增加，而以石油、煤炭等为主的传统化石能源具有不可再生性和污染环境等缺点，这就使得能源短缺和环境污染成为社会发展中亟待解决的问题。由此，人们愈发重视新能源的开发和利用，太阳能由于具有丰富性、清洁性和可再生性等优势，成为了新能源利用的主要形式之一，与此同时，光伏发电系统的启动、控制和保护也成为了各国学者研究的重点。

现有的光伏发电系统在并网启动过程中存在以下技术问题：第一，需要对交流侧滤波电感和直流侧稳压电容进行充放电，从而导致存在较长的暂态过程和调节时间；其二，控制系统在启动时的初始状态均为零，与稳定值差别较大，且在调节过程中存在较大的超调量，易导致系统不稳定；其三，在确定控制系统中的PI控制器参数时，需要综合考虑超调量和调节时间，从而使得参数设计困难且调节能力有限。因此，如何优化光伏发电系统的并网方式成为本发明需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种光伏发电系统并网稳态启动方法及装置，可为光伏发电系统并网减小超调量和调节时间，从而保证光伏发电系统并网启动并顺利达到稳定状态。

为了解决上述问题，本发明提出了一种光伏发电系统并网稳态启动方法，所述方法包括：

将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

基于所述光伏发电系统允许正常并网，反推确定所述光伏发电系统内部各个PI控制器的初始值；

基于设定的切换时刻，控制所述等值电压源与所述光伏发电系统进行稳态启动与切换并网。

可选的，所述确定所述等值电压源的并网工作电压包括：

以并网点电压为参考相量，构建所述并网串联电路的电路相量图；

根据所述电路相量图，计算出所述等值电压源的电压值与电压相位。

可选的，所述等值电压源的电压值为：

所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，P为注入电网的有功功率，Q为注入电网的无功功率，R为电阻值，X为电抗值，θ

可选的，所述反推确定所述光伏发电系统内部各个PI控制器的初始值包括：

基于电压外环控制原理，确定所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的瞬时功率值，并基于所述瞬时功率值计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的输入电流初始值；

基于电流内环控制原理，利用Park逆变换算法计算出所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的输入电压初始值。

可选的，所述逆变器注入电网的瞬时功率值为：

所述外环PI控制器的输入电流初始值为：

所述内环PI控制器的输入电压初始值为：

其中，P

可选的，所述基于设定的切换时刻，控制所述等值电压源与所述光伏发电系统进行稳态启动与切换并网包括：

在所述切换时刻到来之前，控制所述等值电压源并网运行；

在所述切换时刻到来以及所述切换时刻之后，切换控制所述光伏发电系统并网运行。

另外，本发明实施例还提供了一种光伏发电系统并网稳态启动装置，所述装置包括：

等效电路解析模块，用于将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

控制策略反推模块，用于基于所述光伏发电系统允许正常并网，反推确定所述光伏发电系统内部各个PI控制器的初始值；

并网运行控制模块，用于基于设定的切换时刻，控制所述等值电压源与所述光伏发电系统进行稳态启动与切换并网。

可选的，所述等效电路解析模块用于以并网点电压为参考相量，构建所述并网串联电路的电路相量图；以及根据所述电路相量图，计算出所述等值电压源的电压值与电压相位。

可选的，所述控制策略反推模块用于基于电压外环控制原理，确定所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的瞬时功率值，并基于所述瞬时功率值计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的输入电流初始值；以及基于电流内环控制原理，利用Park逆变换算法计算出所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的输入电压初始值。

可选的，所述并网运行控制模块用于在所述切换时刻到来之前，控制所述等值电压源并网运行；以及在所述切换时刻到来以及所述切换时刻之后，切换控制所述光伏发电系统并网运行。

在本发明实施例中，通过在并网前期利用等值电压源为滤波电感进行充放电，可为后续光伏发电系统并网减少该滤波电感的暂态过程时间；通过在并网后期控制光伏发电系统内部PI控制器的初始值为计算所得的稳态值，可减少在光伏发电系统并网启动过程中的超调量和调节时间，从而保证光伏发电系统并网启动并顺利达到稳定状态。

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所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的光伏发电系统并网稳态启动方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中的光伏发电系统等效电路示意图；

图3是本发明实施例中的等效电路相量图的具体示意图；

图4是本发明实施例中的光伏发电系统控制电路示意图；

图5是本发明实施例中的光伏发电系统PI控制原理示意图；

图6是本发明实施例中的光伏发电系统并网启动时的参数测试示意图；

图7是本发明实施例中的光伏发电系统并网稳态启动装置的结构组成示意图。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，图1示出了本发明实施例中的光伏发电系统并网稳态启动方法的流程示意图。

如图1所示，一种光伏发电系统并网稳态启动方法，所述方法包括如下步骤：

S101、将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

本发明实施过程包括：

(1)将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，如图2所示，其中u为等值电压源的电压、L为滤波电感、R为等效电阻、i为注入电网的电流、e为并网点电压、P为注入电网的有功功率、Q为注入电网的无功功率，且L、R均为已知电路参数，e、P、Q可通过潮流计算得到；

(2)以并网点电压e为参考相量(即令e＝e∠θ

du＝u-e＝Δu+jδu

根据图2所示出的等效电路图，可得到所述等值电压源的电压为：

综合以上两个等式，可知：

(3)确定所述等值电压源的电压值为：

以及所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，X为电抗值(X＝ωL)，θ

S102、基于所述光伏发电系统允许正常并网，反推确定所述光伏发电系统内部各个PI控制器的初始值；

本发明实施过程包括：

(1)根据图4所示出的光伏发电系统控制电路示意图，可获取其中逆变器所产生的三相瞬时电压与并网点三相电压之间的关系式为：

将以上关系式经过Park变换可得到：

进一步根据瞬时功率理论计算出所述逆变器注入电网的初始功率为：

其中，u

此时可根据以上关系式设计出如图5所示的所述逆变器PI控制系统，且其采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式运行，其中的相关参数均转换至dq坐标系下表示；

(2)基于电压外环控制原理，确定所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的瞬时功率值，并基于所述瞬时功率值计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的输入电流初始值；

具体的，利用电网电压定向控制方式(即令e

其中的d轴采用定直流电压控制，当直流电压达到最大功率点电压时(即P

其中的q轴采用定无功功率控制，可得到所述外环PI控制器输入电流在q轴的分量为：

式中：P

(3)基于电流内环控制原理，利用Park逆变换算法计算出所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的输入电压初始值为：

其中，u

S103、基于设定的切换时刻，控制所述等值电压源与所述光伏发电系统进行稳态启动与切换并网。

本发明实施过程包括：(1)在所述切换时刻到来之前，控制所述等值电压源并网运行，此时所述逆变器PI控制系统的输入为零，而初始值为步骤S102所求解出来的输入电流初始值(i

结合步骤S101至步骤S103所描述的光伏发电系统并网稳态启动方法，在MATLAB仿真环境下参考图2为现有光伏发电系统搭建并网拓扑结构并执行仿真测试，其中设置光伏单元光照强度为870.927w/m

在本发明实施例中，通过在并网前期利用等值电压源为滤波电感进行充放电，可为后续光伏发电系统并网减少该滤波电感的暂态过程时间；通过在并网后期控制光伏发电系统内部PI控制器的初始值为计算所得的稳态值，可减少在光伏发电系统并网启动过程中的超调量和调节时间，从而保证光伏发电系统并网启动并顺利达到稳定状态。

实施例

请参阅图7，图7示出了本发明实施例中的光伏发电系统并网稳态启动装置的结构组成示意图。

如图7所示，一种光伏发电系统并网稳态启动装置，所述装置包括：

等效电路解析模块201，用于将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，并确定所述等值电压源的并网工作电压；

本发明实施过程包括：

(1)将光伏发电系统等效为滤波电感和等值电压源所形成的并网串联电路，如图2所示，其中u为等值电压源的电压、L为滤波电感、R为等效电阻、i为注入电网的电流、e为并网点电压、P为注入电网的有功功率、Q为注入电网的无功功率，且L、R均为已知电路参数，e、P、Q可通过潮流计算得到；

(2)以并网点电压e为参考相量(即令e＝e∠θ

du＝u-e＝Δu+jδu

根据图2所示出的等效电路图，可得到所述等值电压源的电压为：

综合以上两个等式，可知：

(3)确定所述等值电压源的电压值为：

以及所述等值电压源的电压相位为：

其中，e为并网点电压的电压分量，X为电抗值(X＝ωL)，θ

控制策略反推模块202，用于基于所述光伏发电系统允许正常并网，反推确定所述光伏发电系统内部各个PI控制器的初始值；

本发明实施过程包括：

(1)根据图4所示出的光伏发电系统控制电路示意图，可获取其中逆变器所产生的三相瞬时电压与并网点三相电压之间的关系式为：

将以上关系式经过Park变换可得到：

进一步根据瞬时功率理论计算出所述逆变器注入电网的初始功率为：

其中，u

此时可根据以上关系式设计出如图5所示的所述逆变器PI控制系统，且其采用电压外环与电流内环的双闭环控制方式运行，其中的相关参数均转换至dq坐标系下表示；

(2)基于电压外环控制原理，确定所述光伏发电系统内部的逆变器注入电网的瞬时功率值，并基于所述瞬时功率值计算出所述光伏发电系统内部的外环PI控制器的输入电流初始值；

具体的，利用电网电压定向控制方式(即令e

其中的d轴采用定直流电压控制，当直流电压达到最大功率点电压时(即P

其中的q轴采用定无功功率控制，可得到所述外环PI控制器输入电流在q轴的分量为：

式中：P

(3)基于电流内环控制原理，利用Park逆变换算法计算出所述光伏发电系统内部的内环PI控制器的输入电压初始值为：

其中，u

并网运行控制模块203，用于基于设定的切换时刻，控制所述等值电压源与所述光伏发电系统进行稳态启动与切换并网。

本发明实施过程包括：(1)在所述切换时刻到来之前，控制所述等值电压源并网运行，此时所述逆变器PI控制系统的输入为零，而初始值为步骤S102所求解出来的输入电流初始值(i

在本发明实施例中，通过在并网前期利用等值电压源为滤波电感进行充放电，可为后续光伏发电系统并网减少该滤波电感的暂态过程时间；通过在并网后期控制光伏发电系统内部PI控制器的初始值为计算所得的稳态值，可减少在光伏发电系统并网启动过程中的超调量和调节时间，从而保证光伏发电系统并网启动并顺利达到稳定状态。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的一种光伏发电系统并网稳态启动方法及装置进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。