CN103414196B

CN103414196B - 一种并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法

Info

Publication number: CN103414196B
Application number: CN201310298868.XA
Authority: CN
Inventors: 黄欣科; 王环; 王一波; 许洪华
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: CN103414196A

Abstract

一种并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法——即动态电压幅值-无功电流I_Q(U)电压补偿控制方法。当并网逆变器并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时，控制并网逆变器吸收一定的无功功率，使并网点电压恢复至电压偏差范围以内；当并网点电压出现电压跌落时，控制并网逆变器发出一定的无功功率，使并网点电压恢复至正常电压范围。

Description

一种并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法

技术领域

本发明涉及一种并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法。

背景技术

太阳能作为典型的可再生能源，由于受到环境温度、太阳光照强度以及天气条件的影响，光伏发电表现出随机波动性大、不可预测的特点，某工程现场测试，最大功率变化率为20%/min。随着大规模光伏发电系统并网运行，对电力系统的影响也越来越大。导致光伏发电系统并网点电压升高或电压跌落，影响光伏发电系统渗透率。

一方面，传统的电网电压控制方法都是通过安装一些额外的电压控制设备，如动态电压恢复器、自动电压控制器、静止同步补偿器等来调整电压，这大大增加了系统的投资和维护成本，不能实现整个发电系统的经济高效运行。

另一方面，传统的电压控制设备都是基于固定无功功率(Q)控制方式、固定功率因数控制方式、有功功率-功率因数特性控制方式、稳态电压幅值-无功功率Q-U下垂控制方式等方式实现，这些电压控制策略都是属于稳态的电压控制策略，而不是动态的电压调整策略，因此不能有效地对动态电压变化实现补偿控制。同时，上面这些传统的电压控制策略也不能实现对电压的精确控制，而且这些控制策略需要的系统补偿容量比较大。

发明内容

为了克服现有电压补偿控制方式的缺点，本发明提出一种对三相微电网中的并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法，即动态电压幅值-无功电流I_Q(U)电压动态控制方式。本发明是一种动态实时快速的电压补偿控制方法，可使并网逆变器不仅能够实现主要的发电功能，而且可以快速动态地实现并网点电压补偿的辅助功能，提高了光伏发电并网系统的利用效率。

本发明并网点电压控制方法是通过电压控制单元输出一个无功电压补偿电流来实现的。当并网逆变器并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时，控制并网逆变器吸收无功功率，使并网点电压恢复至电压偏差范围以内；当并网点电压出现电压跌落时，控制并网逆变器发出无功功率，使并网点电压恢复至正常电压范围。

为实现上述目的本发明采用如下技术方案：

所述的三相微电网中的并网逆变器系统包括并网逆变器、电压及电流采样单元电路、电压相位及幅值监测计算单元、并网点电压偏差计算及电压补偿控制单元、并网电流控制单元。

所述的并网逆变器主要包括直流输入母线电源U_dc、三相逆变桥、三相LC滤波器等。

本发明控制方法通过集成在一个DSP控制器中的电压相位及幅值监测计算单元、公共耦合点电压偏差计算及电压补偿控制单元，以及并网电流控制单元实现。

所述的电压、电流采样单元电路主要完成并网逆变器并网点三相电压信号及并网逆变器输出电流信号的采集，并将电压、电流信号传送给电压相位及幅值监测计算单元、电压偏差计算及电压补偿控制单元、并网电流控制单元，共同完成并网逆变器并网发电与并网点电压补偿控制功能。

所述的电压相位及幅值监测计算单元主要完成并网逆变器并网点电压相位及电压幅值的监测和计算，主要是通过同步坐标系锁相环（Synchronous Reference Frame-Phase LockedLoop，SRF-PLL）完成的。首先将并网点三相电压U_x(x=a,b,c)经过T_abc/dq坐标变换为两相旋转坐标系下的电压U_d与U_q，然后通过幅值计算得到并网点电压幅值；通过将无功电压分量U_d与其参考值U_d ^*=0比较，误差经过PI调节器控制后，与ω_f=2πf,(f＝50Hz)相比较，然后经过积分器后得到并网点电压的实时相位。将电压相位信息和幅值信息发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元和并网电流控制单元，共同完成并网逆变器并网发电与并网点电压补偿控制功能。

所述的电压偏差计算及电压补偿控制单元主要接受来自电压相位及幅值监测计算单元的电压幅值信息，并将电压幅值与电压设定参考值进行比较得到电压偏差通过本发明所提出的动态电压幅值-无功电流I_Q(U)电压补偿控制器后，将补偿电流叠加到并网逆变器无功电流参考值上，使并网逆变器输出无功补偿电流对并网点电压升高或电压跌落实现补偿。当并网点电压升高时，并网逆变器通过电压补偿控制单元吸收一定的无功功率；当并网点电压跌落时，并网逆变器通过电压补偿控制单元发出一定的无功功率。

所述的并网电流控制单元一方面主要完成并网逆变器并网发电的主要功能；另一方面接受来自电压偏差计算及电压补偿控制单元输出的并网点电压补偿电流。当并网点电压升高时，并网逆变器通过并网点电压偏差计算及电压补偿控制单元吸收一定的无功功率；当并网点电压跌落时，并网逆变器通过电压补偿控制单元发出一定的无功功率，实现并网点电压补偿控制的辅助功能。同时，并网电流控制单元最终还要产生并网逆变器三相桥开关管驱动控制信号，完成并网逆变器主电路的正常运行。

本发明能够使并网逆变器不仅能够实现并网发电的主要功能，而且可以实现并网点电压补偿控制的辅助功能，当并网逆变器并网点电压发生电压升高或电压跌落时，可以快速地实现对并网点动态电压补偿的辅助电压控制功能，使并网点电压满足电能质量规范要求，这不仅可以提高新能源的并网渗透率，而且可以有效改善电能质量，增强微电网系统及整个电网系统的可靠性和稳定性。

本发明提出的动态电压幅值-无功电流I_Q(U)控制策略，与传统的电压补偿方法与策略相比，一方面不需要安装额外的电压补偿设备，直接利用并网逆变器本身对电压进行补偿；另一方面，从控制策略方面讲，传统的电压补偿策略都是稳态电压补偿策略，补偿速度比较慢，不能满足电压补偿动态响应的要求，而且电压补偿精度也比较低，需要提供的补偿容量比较大；本发明提出的电压控制策略，不仅可以动态实时地实现对并网点电压的控制，满足电压补偿的动态响应要求，而且具有良好的补偿精度，所需要的补偿容量与传统控制策略相比也要小很多。

附图说明

图1并网逆变器整体系统结构框图；

图2并网逆变器结构图；

图3并网逆变器控制结构图；

图4同步坐标系锁相环SRF-PLL结构图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，所述的三相微电网中的并网逆变器系统包括并网逆变器1、电压及电流采样单元电路2、电压相位及幅值监测计算单元3、并网点电压偏差计算及电压补偿控制单元4，以及并网电流控制单元5。

如图2所示，并网逆变器1包括直流母线电源U_dc、三相逆变桥101、三相LC滤波器102。

如图3所示，本发明三相微电网中并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法如下：

步骤1：电压、电流采样单元电路采集主要完成并网逆变器并网点三相电压信号及并网逆变器输出电流信号的采集，并将所述的电压、电流信号传送给电压相位及幅值监测计算单元、电压偏差计算及电压补偿控制单元、并网电流控制单元；

步骤2：电压相位及幅值监测计算单元电路监测和计算并网逆变器并网点电压相位及电压幅值的，首先通过将并网点三相电压经过T_abc/dq坐标变换，然后由幅值计算公式得到电压幅值，如图4所示。将电压相位信息和幅值信息发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元、并网电流控制单元；

U_{amp} = \sqrt{U_{d}^{2} + U_{q}^{2}}

步骤3：电压偏差计算及电压补偿控制单元主要接受来自电压相位及幅值监测计算单元的电压幅值信息，并将电压幅值与电压设定参考值进行比较，通过电压补偿控制器，对并网点电压升高或电压跌落实现补偿。当并网点电压升高时，并网逆变器通过电压补偿控制单元吸收一定的无功功率；当并网点电压跌落时，并网逆变器通过电压补偿控制单元发出一定的无功功率；

步骤4：并网电流控制单元一方面主要完成并网逆变器并网电流控制单元正常实现并网发电的主要功能；另一方面接受来自电压偏差计算及电压补偿控制单元的并网点电压补偿电流。当并网点电压升高时，并网逆变器通过并网点电压偏差计算及电压补偿控制单元吸收一定的无功功率；当并网点电压跌落时，并网逆变器通过电压补偿控制单元发出一定的无功功率。实现并网点电压补偿控制的辅助功能。同时，并网电流控制单元还要产生三相桥开关管驱动控制信号，完成电路的正常运行。

当并网逆变器并网点电压在电压允许范围之内时，并网逆变器完成并网发电的主要功能，并网逆变器并网发电的DSP数字化控制方法如下式所示：

\{\begin{matrix} e_{Id} (k) = I_{d}^{*} - I_{d} (k) \\ I_{d} (k) = I_{d} (k - 1) + k_{ip} [e_{i} (k) - e_{i} (k - 1)] + k_{ii} e_{i} (k) \\ e_{Iq} (k) = I_{q}^{*} - I_{q} (k) \\ I_{q} (k) = I_{q} (k - 1) + k_{ip} [e_{i} (k) - e_{i} (k - 1)] + k_{ii} e_{i} (k) \end{matrix}

当并网逆变器并网点电压发生电压升高或者电压跌落时，并网逆变器通过电压补偿控制单元输出一个无功补偿电流，并网逆变器在完成并网发电的主要功能的同时，实现并网点电压补偿控制的辅助功能。并网逆变器并网发电及电压补偿统一控制的DSP数字化控制方法如下式所示：

\{\begin{matrix} e_{v} (k) = U_{ref}^{*} - U_{amp} \\ I_{comp} (k) = k_{vp} [e_{v} (k) - e_{v} (k - 1)] + k_{vi} e_{v} (k) \\ e_{Id} (k) = I_{d}^{*} - I_{d} (k) \\ I_{d} (k) = I_{d} (k - 1) + k_{ip} [e_{i} (k) - e_{i} (k - 1)] + k_{ii} e_{i} (k) + I_{comp} (k) \\ e_{Iq} (k) = I_{q}^{*} - I_{q} (k) \\ I_{q} (k) = I_{q} (k - 1) + k_{ip} [e_{i} (k) - e_{i} (k - 1)] + k_{ii} e_{i} (k) \end{matrix}

式中：k表示数字控制中第k次控制，e_v(k)表示电压偏差；U*_ref表示设定的电压参考幅值；U_amp表示并网点电压监测幅值；I_comp(k)表示电压控制单元无功补偿电流；I_d(k)表示无功电流分量；I_q(k)表示有功电流分量；I^* _d(k)表示无功电流参考值；I^* _q(k)表示有功电流参考值；e_Id(k)表示无功电流偏差；e_Iq(k)表示有功电流偏差；k_vp与k_vi表示电压控制器比例与积分参数；k_ip与k_ii表示电流控制器比例与积分参数；

本发明通过对并网逆变器的有效控制，并网逆变器不仅可以实现并网发电的主要功能，而且可以实现并网点电压升高或电压跌落动态电压补偿控制功能，本发明可以提高新能源在微电网系统和传统电力系统中的穿透率，同时可以提高微电网系统和传统电力系统的供电质量，增强了系统的可靠性和稳定性。

Claims

1.一种并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法，其特征在于，所述的补偿控制方法是，当并网逆变器并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时，控制并网逆变器吸收无功功率，使并网点电压恢复至电压偏差范围以内；当并网点电压出现电压跌落时，控制并网逆变器发出无功功率，使并网点电压恢复至正常电压范围；

并网逆变器的电压、电流采样单元电路通过实时采样并网逆变器并网点的三相瞬时电压U_x(x＝a,b,c)，由电压相位及幅值监测计算单元中同步坐标系锁相环监测并网点电压相位θ与瞬时幅值U_amp，电压瞬时幅值U_amp与所设定的电压参考幅值U^* _ref做比较得到误差(e＝U*_ref-U_amp)，经电压补偿PI调节器后得到电压调整无功补偿电流i^* _comp，与所设定的无功电流参考值叠加作为新的无功电流参考值对逆变器进行控制，实现对公共耦合点(Point of Common Coupling，简称PCC)电压的动态调整；通过将并网点三相瞬时电压经过T_abc/dq坐标变换为两相旋转坐标系下的电压U_d与U_q，然后通过幅值计算得到并网点电压幅值；将无功电压分量U_d与其参考值U_d ^*＝0比较，误差经过PI调节器控制后，与电网参考角频率ω_f＝2πf相比较，其中f＝50Hz，然后经过积分器得到并网点电压的实时相位；将电压相位信息和幅值信息发送给电压偏差计算及电压补偿控制单元、以及并网电流控制单元，共同完成并网逆变器并网发电与并网点电压补偿控制功能。

2.根据权利要求1所述的并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法，其特征在于：所述的并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法如下式所示：

\{\begin{matrix} e_{v} (k) = U_{ref}^{*} - U_{amp} \\ I_{comp} (k) = k_{vp} [e_{v} (k) - e_{v} (k - 1)] + k_{vi} e_{v} (k) \\ e_{Id} (k) = I_{d}^{*} - I_{d} (k) \\ I_{d} (k) = I_{d} (k - 1) + k_{ip} [e_{i} (k) - e_{i} (k - 1)] + k_{i 1} e_{i} (k) + I_{comp} (k) \\ e_{Iq} (k) = I_{q}^{*} - I_{q} (k) \\ I_{q} (k) = I_{q} (k - 1) + k_{ip} [e_{i} (k) - e_{i} (k - 1)] + k_{i 1} e_{i} (k) \end{matrix}

式中：k表示数字控制中第k次控制，e_v(k)表示电压偏差；U*_ref表示设定的电压参考幅值；U_amp表示并网点电压监测幅值；I_comp(k)表示电压控制单元无功补偿电流；I_d(k)表示无功电流分量；I_q(k)表示有功电流分量；I^* _d表示无功电流参考值；I^* _q表示有功电流参考值；e_Id(k)表示无功电流偏差；e_Iq(k)表示有功电流偏差；k_vp与k_vi表示电压控制器比例与积分参数；k_ip与k_ii表示电流控制器比例与积分参数；e_i(k)表示电流偏差。

3.根据权利要求1所述的并网逆变器并网点电压动态补偿控制方法，其特征在于：当并网逆变器并网点电压出现电压升高超出电网规范对电压偏差的限制时，电压补偿控制单元输出一个电压补偿电流i^* _comp，与并网逆变器给定的无功参考电流i_d ^*叠加得到新的无功参考电流，控制并网逆变器吸收无功电流，使并网点电压恢复至电压偏差范围以内；当并网点电压出现电压跌落时，电压补偿控制单元输出一个电压补偿电流i^* _comp，与并网逆变器给定的无功参考电流i_d ^*叠加，控制并网逆变器发出无功电流，使并网点电压恢复至正常电压范围。