CN102709935B - 一种分散式光伏微电网组网 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分散式光伏微电网组网及其运行控制方法，整个电网包括多个微电网子模块组成，每个微电网子模块包括蓄电池组、负载、变流器和光伏发电单元，所述蓄电池组、负载和光伏发电单元均连接至变流器，变流器与微电网交流母线连接，其中的变流器即为三电平四桥臂变流器，所述变流器还与微电网能量管理系统相连，所述微电网能量管理系统向变流器发出调度指令，变流器根据调度设置为电压参考节点或设定为PQ节点，输出给定的有功功率和无功功率。采用本发明可提高微电网的电能质量以及组网灵活性。

Description

一种分散式光伏微电网组网

技术领域

本发明涉及电网输电领域，尤其涉及的是一种分散式光伏微电网组网。

背景技术

微电网通常有两种运行模式，一种运行模式是与大电网联网运行，微电网作为大电网的一个可控调度单元接受大电网的调度。另一种是基于可再生能源发电构成孤岛运行的微电网，该微电网自成体系，具有自平衡能力，自主运行。从理论研究以及运行实践来看，孤岛型光伏微电网实际运行中，存在着如下几个特点。1)光伏微电网中发电单元与用电单元的额定容量及数量均较小，可再生能源发电时变，负荷用电时变，微电网能量流动波动较大。2)负载经常呈现三相不平衡以及非线性特性。3)蓄电池经受频繁的大电流充放电，蓄电池直流电压波动范围大。由于上述特性，微电网的电能质量问题尤为突出。变流器是光伏微电网组网和运行调控中的核心装置，是微电网的“骨架”，同时也是微电网中主要的可控调度单元。因此研究适于微电网用的变流器，对于提高微电网质量，增强微电网组网灵活性，促进微电网的推广应用具有重要的意义。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分散式光伏微电网组网，旨在解决现有的微电网电能质量差的问题。

本发明的技术方案如下：

一种分散式光伏微电网组网，其中，整个电网包括多个微电网子模块组成，每个微电网子模块包括蓄电池组、负载、变流器和光伏发电单元，所述蓄电池组、负载和光伏发电单元均连接至变流器，变流器与微电网交流母线连接，其中的变流器即为三电平四桥臂变流器，所述变流器还与微电网能量管理系统相连，所述微电网能量管理系统向变流器发出调度指令，变流器根据调度设置为电压参考节点或设定为PQ节点，输出给定的有功功率和无功功率。

所述的分散式光伏微电网组网，其中，当微电网出现网络故障时，子模块脱离微电网单独运行。

所述的分散式光伏微电网组网，其中，还包括具有统一控制结构的控制器，所述控制器包括有功功率调节模块、无功功率调节模块、磁链相角调节模块、磁链幅值调节模块、参考磁链生成模块和单机控制策略输出模块，所述磁链相角调节模块和磁链幅值调节模块连接参考磁链生成模块，所述有功功率调节模块连接磁链相角调节模块；所述无功功率调节模块连接磁链幅值调节模块；所述参考磁链生成模块连接单机控制策略输出模块。

所述的分散式光伏微电网组网，其中，多机并联时的运行控制方法为：采用公共同步脉冲实现微电网全网范围内的变流器单机虚拟磁链的旋转同步，采用软件锁相的方式实现同步，采用基波有功功率与无功功率均流实现均流。

所述的分散式光伏微电网组网，其中，采用扩展状态观测器对旋转同步的扰动量进行实时估计补偿，将非线性系统转换为线性系统。

所述的分散式光伏微电网组网，其中，单机电压控制策略作为内环，电压源模式时，仅有内环工作，PQ模式，增加有功功率调节外环与无功功率调节外环。

本发明的有益效果：本发明通过将三电平变流技术与四桥臂结构结合，进行可调度三电平四桥臂变流器的研究，基于所研制的三电平四桥臂变流器构建具有模块化结构的分散式光伏微电网，将变流器的控制分解为两个子系统的控制，对子系统进行分别设计，实现变流器在平衡负载，不平衡负载以及非线性负载情况下三相电压对称输出。提出具有统一控制结构的控制器，实现变流器在平衡节点与功率节点之间的无缝切换。提出具有统一控制结构的变流器多机并联运行均流控制策略，实现变流器的多模式多机并联运行。从而提高微电网的电能质量以及组网灵活性。

附图说明

图1是本发明中的分散式光伏微电网组网的模块框图。

图2是本发明中的三电平四桥臂变流器拓扑结构图。

图3为发明中的统一的控制结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

参见图1，本发明构建的光伏微电网组网具有模块化结构，整个电网由多个微电网子模块组成，每个微电网子模块包括蓄电池组、负载、变流器和光伏发电单元，其中的变流器即为三电平四桥臂变流器，所述变流器还与微电网能量管理系统相连。微电网能量管理系统向变流器发出调度指令，变流器根据调度可设置为电压参考节点，也可设定为PQ节点，输出给定的有功功率和无功功率。根据整个微电网系统的需要可增减子模块，当微电网出现网络故障时，子模块可脱离微电网单独运行，变流器构成微电网中主要的可控调度单元。基于变流器构建具有模块化结构的分散式光伏微电网，实现微电网的可控运行。

蓄电池组通过变流器与微电网交流母线连接，一方面可作为微电网的平衡节点，建立电压参考，另一方面也可作为微电网的功率节点，根据微电网能量管理系统的调度指令输出的指定的有功功率和无功功率，实现微电网全网范围内能量的可控流动，进而实现微电网运行及管理等多目标优化。电压源三电平四桥臂变流器在微电网中作为平衡节点，要实现的控制目标有：1)三相对称电压输出；2)中点电压平衡控制。

三电平四桥臂变流器在微电网组网与运行中需要具有两种工作模式：一种为电压源平衡节点；一种为PQ节点。为了实现两种工作模式的自由无缝切换，需要设计具有统一控制结构的控制器。以电压源型三电平四桥臂变流器作为控制内核，研究PQ模式时变流器的输出有功功率与无功功率的解耦控制，实现变流器在两种工作模式下的可控自由切换，输出功率的可控调度。

单机电压控制策略作为内环，电压源模式时，仅有内环工作。PQ模式，增加有功功率调节外环与无功功率调节外环。

多机并联控制，采用同步控制与均流控制解耦控制的策略。采用公共同步脉冲实现微电网全网范围内的变流器单机虚拟磁链的旋转同步，采用软件锁相的方式实现同步。均流控制采用基波有功功率与无功功率均流实现。

所述电压源三电平四桥臂变流器的拓扑结构如图2所示，由图2可得到四桥臂的主电路方程如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a={\mathrm{Ldi}}_a/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{AG}}+u_G\\ u_b={\mathrm{Ldi}}_b/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{BG}}+u_G\\ u_c={\mathrm{Ldi}}_c/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{CG}}+u_G\\ u_f=u_G-L_n{\mathrm{di}}_n/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(1\right)$

i_x＝i_a+i_b+i_c＝3i₀＝3i_load0+3i_c0(2)

其中，i₀为三相电感的零序电流；i_load0和i_c0分别表示三相负载的零序电流和三相输出电容的零序电流。分析以上电路方程，可以得到如下结论：1)以A相为例，u_a输入一定时，输出电压u_AG受(Ldi_a/dt+u_G)影响。2)第四桥臂可对零序电流进行控制。三相对称电压输出情况下，输出电容电流的零序分量为零，因此要控制第四桥臂的电流跟随负载零序电流。3)当第四桥臂电流跟踪负载零序电流时，u_f的控制值影响到u_G，从而影响到其余的三桥臂电路的输出电压。

通过以上分析，以A相为例，可以将输出电压u_AG的影响项(Ldi_a/dt+u_G)分解为两部分作用引起的，一部分为负载电流零序分量i₀引起的，另一部分为负载电流非零序分量(包括基波和谐波的正序分量和负序分量)

引起的。则三桥臂电路方程可描述如下：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=(\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{a0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{AG}})+(u_G+{\mathrm{Ldi}}_0/\mathrm{dt})\\ u_b=(\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{b0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{BG}})+(u_G+{\mathrm{Ldi}}_0/\mathrm{dt})\\ u_c=(\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{a0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{CG}})+(u_G+{\mathrm{Ldi}}_0/\mathrm{dt})\end{array}\right.=\left\{\begin{array}{c}{u}_a=\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{a0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{AG}}\\ u_b=\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{b0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{BG}}\\ u_c=\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{a0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{CG}}\\ u_G+{\mathrm{Ldi}}_0/\mathrm{dt}=0\end{array}\right.---\left(3\right)$

相应的将系统控制分解为两个子系统进行控制：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{a0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{AG}}\\ u_b=\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{b0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{BG}}\\ u_c=\mathrm{Ld}\stackrel{\‾}{i_{a0}}/\mathrm{dt}+u_{\mathrm{CG}}\end{array}\right.---\left(A\right)$ $\left\{\begin{array}{c}{u}_G+{\mathrm{Ldi}}_0/\mathrm{dt}=0\\ u_f=u_G-L_n{\mathrm{di}}_n/\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(B\right)$

(A)子系统的控制目标是：使得在基波电流及谐波电流正序或负序电流的扰动下，实现三相电压对称输出，并且使得电容电压均分。

(B)子系统的控制目标是：使得第四桥臂的零序电流快速跟踪负载零序电流。

控制输入u_a，u_b，u_c只对非零序电流的扰动起控制作用，因此很自然的采用空间矢量控制策略，忽略零序电流的影响。建立基波正序旋转的空间同步旋转坐标。基于虚拟磁链的概念，建立状态变量：

其中e_q，e_d为输出电压在同步旋转坐标系下的坐标值。三相电压的对称输出控制就转化为圆形磁链的跟踪控制。则式A在dq同步旋转坐标系中可表示为状态方程的表示形式：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{dx}}_2/\mathrm{dt}=f_1\left(t\right)+u_d\\ {\mathrm{dx}}_2/\mathrm{dt}=f_2\left(t\right)+u_q\end{array}\right.---\left(4\right)$

f₁(t)和f₂(t)为基波电流负序分量以及谐波电流在基波正序同步旋转坐标系上的扰动量。对该扰动部分采用自抗扰控制理论里面的扩展状态观测器进行实时估计补偿，将非线性系统转换为线性系统，求取u_d，u_q的控制率，然后运用三电平空间矢量调制策略予以实现，在三桥臂空间矢量调制策略里面运用模糊控制调节冗余小矢量的作用时间来进行电容电压的平衡控制。

为了便于系统应用，本发明中两种工作模式的切换控制以及同一模式下的多机并联控制采用统一控制结构的控制器，如图3所示。所述控制器包括有功功率调节模块、无功功率调节模块、磁链相角调节模块、磁链幅值调节模块、参考磁链生成模块和单机控制策略输出模块，所述磁链相角调节模块和磁链幅值调节模块连接参考磁链生成模块，所述有功功率调节模块连接磁链相角调节模块；所述无功功率调节模块连接磁链幅值调节模块；所述参考磁链生成模块连接单机控制策略输出模块。

单机电压控制策略作为内环，电压源模式时，仅有内环工作。PQ模式，增加有功功率调节外环与无功功率调节外环。

多机并联控制，采用同步控制与均流控制解耦控制的策略。采用公共同步脉冲实现微电网全网范围内的变流器单机虚拟磁链的旋转同步，采用软件锁相的方式实现同步。均流控制采用基波有功功率与无功功率均流实现。计算周期内的基波有功功率和无功功率，经过通讯得到本机的有功功率与平均有功功率之差，本机的无功功率与平均无功功率之差。然后用有功功率差微调本机虚拟磁链相对于公共同步脉冲的相角，无功功率差调节本机虚拟磁链的幅值。

本发明通过将三电平变流技术与四桥臂结构结合，进行可调度三电平四桥臂变流器的研究，基于所研制的三电平四桥臂变流器构建具有模块化结构的分散式光伏微电网，将变流器的控制分解为两个子系统的控制，对子系统进行分别设计，实现变流器在平衡负载，不平衡负载以及非线性负载情况下三相电压对称输出。提出具有统一控制结构的控制器，实现变流器在平衡节点与功率节点之间的无缝切换。提出具有统一控制结构的变流器多机并联运行均流控制策略，实现变流器的多模式多机并联运行。从而提高微电网的电能质量以及组网灵活性。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种分散式光伏微电网组网，其特征在于，整个电网包括多个微电网子模块组成，每个微电网子模块包括蓄电池组、负载、变流器和光伏发电单元，所述蓄电池组、负载和光伏发电单元均连接至变流器，变流器与微电网交流母线连接，其中的变流器即为三电平四桥臂变流器，所述变流器还与微电网能量管理系统相连，所述微电网能量管理系统向变流器发出调度指令，变流器根据调度设置为电压参考节点或设定为PQ节点，输出给定的有功功率和无功功率；还包括具有统一控制结构的控制器，所述控制器包括有功功率调节模块、无功功率调节模块、磁链相角调节模块、磁链幅值调节模块、参考磁链生成模块和单机控制策略输出模块，所述磁链相角调节模块和磁链幅值调节模块连接参考磁链生成模块，所述有功功率调节模块连接磁链相角调节模块；所述无功功率调节模块连接磁链幅值调节模块；所述参考磁链生成模块连接单机控制策略输出模块。

2.根据权利要求1所述的分散式光伏微电网组网，其特征在于，当微电网出现网络故障时，子模块脱离微电网单独运行。

3.根据权利要求1所述的分散式光伏微电网组网，其特征在于，多机并联时的运行控制方法为：采用公共同步脉冲实现微电网全网范围内的变流器单机虚拟磁链的旋转同步，采用软件锁相的方式实现同步，采用基波有功功率与无功功率均流实现均流。

4.根据权利要求3所述的分散式光伏微电网组网，其特征在于，采用扩展状态观测器对旋转同步的扰动量进行实时估计补偿，将非线性系统转换为线性系统。

5.根据权利要求2所述的分散式光伏微电网组网，其特征在于，单机电压控制策略作为内环，电压源模式时，仅有内环工作，PQ模式，增加有功功率调节外环与无功功率调节外环。

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