CN103475024A - 基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其包括步骤：采用太阳能光伏电池板将太阳能转化为直流电输出；采用直流升压单元将太阳能光伏电池输出的直流电转换为稳定的直流电，并对直流升压单元进行最大功率跟踪控制以使直流升压单元输出直流电有功功率最大；采用H桥逆变单元将直流升压单元输出的直流电转变为交流电；检测电网电压，若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行补偿。相应地，本发明还公开了一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统。

Description

基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种电能控制方法及系统，尤其涉及一种电力补偿控制方法及系统。
背景技术
随着经济的日益发展和高科技设备的普及，各国对电能质量水平的要求越来越高，尤其是计算机、现代控制理论、精密测量技术的广泛应用，一些电力负荷的微小变化都会对这些敏感的用电设备产生影响，然而整个社会对电气化设备依赖程度加剧，加之现代电力电子设备等非线性负荷大量使用却不断地恶化着用电环境。电能质量问题不仅会给工业制造领域带来很大的经济损失，还将影响居民的日常生活，甚至还会危及生命或造成安全事故的发生。例如，由于电压不稳而导致停工，停工后的再启动一方面会损坏反应灵敏设备，报废半成品，降低产品质量而大大增加生产成本，另一方面还会给公司的良好形象带来不利影响，甚至会破坏用户的良好商业关系；又例如，在医疗手术中的电压下降或负荷不稳也会对无影灯等用电医疗设备或器械的使用带来不同程度的影响，致使严重医疗事故的发生。
根据美国电力研究院（Electric Power Research Institute，EPRI）研究显示：在美国，每年由于电能质量问题而导致工业领域中材料和生产力上的损失高达300亿美元；另外，在新加坡，每次电压瞬间下降都会造成超过100万新元的经济损失。随着我国高科技工业的迅速发展，对电能质量水平的要求也逐渐提高，其中，电压跌落（陷落、骤降）是影响电能质量水平的主要问题。虽然电压陷落的时间较短，但是它的直接后果却是会引起工业生产过程的中断或停工，中断或停工期间远远大于电压陷落事故的本身时间，因此所造成的经济损失很大，与此同时，电压陷落也会危及用电设备的运行工作，引起电力系统故障或支路电路短路等安全事故的发生。电压陷落的特征是电源电压骤然下降至正常电压值的10%到90%，并且持续0.5到50个周期。
由于电压调节器并不能解决电压骤降这一问题，目前，所采用最常见的方法是采用不间断电源装置（Uninterruptible Power System，UPS），不过，其采购成本和运行费用都极为昂贵，且仅能保障单个设备的电能质量。此外，相较于不间断电源装置，动态电压补偿器能有效解决电压陷落的问题且降低了生产运行成本；然而，动态电压补偿器需要额外的储能装置也制约着其在实际生产中的推广和发展，人们希望获得一种有效的补偿控制方法或系统以快速实现对于电网故障时电压陷落的补偿。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其充分利用太阳能来补偿由于电压跌落而造成的电网电压差值，响应速度快，补偿后的电网负荷端电压稳定，保障了在电网上所有用电设施的安全运行，避免了危险事故的发生；此外，本发明所述的太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法不必设置额外的储能元件，太阳能转换的直流电能以直流升压单元的最大有功功率输出向电网负荷端供电。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其包括以下步骤：
采用太阳能光伏电池板将太阳能转化为直流电输出；
采用直流升压单元将太阳能光伏电池输出的直流电转换为一稳定的直流电，并对直流升压单元进行最大功率跟踪控制以使直流升压单元输出的直流电有功功率最大；
采用H桥逆变单元和并网逆变器将直流升压单元输出的直流电转变为交流电；
检测电网电压：若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行补偿；若电网未发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电电压为零，同时控制并网逆变器将转化自太阳能的交流电注入电网。
本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法充分利用了绿色环保的太阳能，将太阳能作为电网电能直流串联补充的来源。即在电网电压发生压降时，电网的交流电电压值为Us，其未达到标准值U0，此时，控制器控制H桥逆变单元向电网输入补偿电压Ui，补偿电压Ui需满足：Ui=U0-Us，同时并网逆变器将从太阳能转化而成的剩余电能注入电网；当电网电压正常，为发生压降时，控制器控制H桥逆变单元向电网输入的补偿电压为零，同时控制并网逆变器将太阳能转化的电能注入电网。
进一步地，本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法中对直流升压单元进行最大功率跟踪控制的步骤为：检测直流升压单元输出的有功功率，判断本次输出的有功功率是否大于上次输出的有功功率，若判断为是，则增加直流升压单元的占空比，若判断为否，则维持直流升压单元的占空比不变。
更进一步地，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法中分别采用直流电流检测装置和直流电压检测装置检测直流升压单元输出的直流电的电流Iw和电压Uw，以获得直流升压单元输出的有功功率Pw=Uw×Iw。
更进一步地，在上述技术方案所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法中，采用的直流电流检测装置包括直流电流传感器。
更进一步地，在上述技术方案所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法中，采用的直流电压检测装置包括直流电压传感器。
进一步地，在上述技术方案所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法中，采用交流电压互感器来检测电网电压。
相应地，本发明还提供一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其充分利用太阳能这一绿色环保能源，在不设置额外储能装置（例如电池、电容）的前提下，能够快速、有效地对电网压降进行补偿。
本发明所提供的一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统包括：
太阳能光伏电池板；
直流升压单元，其直流输入端与太阳能光伏电池板的输出端连接；
H桥逆变单元，其直流母线与直流升压单元的输出端连接；
并网逆变器，其直流母线与H桥逆变单元的直流母线连接，其输出端用以与电网连接；
直流电流检测装置，其与直流升压单元的直流输出端连接，以检测直流升压单元输出的电流；
直流电压检测装置，其与直流升压单元的直流输出端连接，以检测直流升压单元输出的电压；
交流电压检测装置，其用以与电网连接，以检测电网的电压；
控制器，其分别与直流电流检测装置、直流电压检测装置和直流升压单元连接，接收直流电流检测装置和直流电压检测装置传输的直流电流值和直流电压值，以对直流升压单元进行最大功率跟踪控制；所述控制器还与交流电压检测装置、H桥逆变单元和并网逆变器连接，所述控制器接收交流电压检测装置传输的交流电压值判断电网的工作状态，以在电网发生压降时控制H桥逆变单元输出交流电压对电网电压进行串联补偿。
在使用过程中，本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统能利用太阳能对电网压降进行补偿，太阳能光伏电池板将采集到的太阳能转化为直流电输出至直流升压单元以形成稳定的直流电后输出，控制器对直流升压单元进行最大功率跟踪控制，控制器还根据检测到的电网电压值，判断是否需要对电网电压进行补偿，即在电网电压发生压降时，控制器控制H桥逆变单元输出相应跌落量的交流电对电网电压进行补偿，在未发生压降时，控制器控制并网逆变器将太阳能转化成的电能注入电网。
直流升压单元输出的有功功率为Pw=Uw×Iw，其中，直流电的电压Uw由直流电压检测装置测得，而直流电的电流Iw则由直流电流检测装置测得。当判断本次直流升压单元输出的有功功率大于上次输出的有功功率，即增加直流升压单元的占空比，若不大于上次输出的有功功率，则维持直流升压单元的占空比不变。
进一步地，上述基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统还包括变压器，所述变压器的初级线圈的两端与H桥逆变单元的交流输出端连接，所述变压器的次级线圈用于串接在电网中。
在一种实施方案中，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统中，所述控制器包括数字信号处理器。
在另一种实施方案中，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统中，所述控制器包括单片机。
在又一种实施方案中，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统中，所述控制器包括计算机。
优选地，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统中的直流电流检测装置包括直流电流传感器。
优选地，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统中的直流电压检测装置包括直流电压传感器。
有利地，在本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统中的交流电压检测装置包括交流电压互感器。
本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，采用太阳能来迅速补偿电网压降，由进行了最大功率跟踪控制的直流升压单元提供原始的电压补偿电能，从而不同于现有的采用电池、电容等储能元件的方法，保障了电网电路上用电设备运行的稳定和安全。
本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统能够实现将太阳能转换为交流电压在电网故障时对电网电压进行快速补偿，从而确保了负荷电压维持不变。
此外，本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统不需要额外配置储能设备，结构简单，成本降低，电压补偿响应速度快。
附图说明
图1为本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统在一种实施例中的结构示意图。
图2为本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法在一种实施方式下的流程图。
图3为本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法在一种实施方式下当电网电压陷落时进行电压补偿的仿真示意图。
具体实施方式
下面将结合说明书附图和具体的实施例对本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法及系统做进一步的解释和说明。
图1显示了本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统在某一种实施例中的简要结构。
如图1所示，在本实施例中基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统包括：控制器1，直流升压单元2，H桥逆变单元3，并网逆变器10，变压器4，直流电压检测装置5，直流电流检测装置6，交流电压检测装置7及太阳能光伏电池板8。直流升压单元2的直流输入端与太阳能光伏电池板8的输出端连接，用以将太阳能光伏电池板8输出的直流电转换成更稳定的直流电后输出；H桥逆变单元3的直流母线与直流升压单元2的输出端连接，其将输入的直流电转换为交流电；变压器4的初级线圈的两端与H桥逆变单元3的交流输出端相连接，变压器的次级线圈用于串接在电网9中；并网逆变器10的直流母线与H桥逆变单元3的直流母线连接，其输出端与电网9连接，用以将输入的直流电转换为交流电；直流电流检测装置5与直流升压单元2的直流输出端连接，用以检测直流升压单元输出的电流；直流电压检测装置6与直流升压单元2的直流输出端连接，用以检测直流升压单元输出的电压；交流电压检测装置7与电网9连接，用以检测电网的电压；控制器1分别与直流升压单元2、直流电流检测装置5和直流电压检测装置6连接，接收来自于直流电流检测装置传输的直流电流值Iw以及来自于直流电压检测装置传输的直流电压值Uw，以对直流升压单元进行最大功率Pw进行跟踪；与此同时，控制器1还与交流电压检测装置7、H桥逆变单元3和并网逆变器连接，接收来自交流电压检测装置7传输的交流电压值U以判断电网的工作状态正常与否（即是否发生了压降），若电压值为标准电压U0，说明电网正常，则控制器1控制H桥逆变单元3输出的交流电压为零，使得变压器4输入电网的交流电压为零，同时控制器控制并网逆变器将太阳能转化成的电能注入电网中；若检测到的电压值Us小于标准电压U0，说明电网发生了压降，那么控制器1控制H桥逆变单元3输出交流电压Ui对电网电压进行补偿，补偿电压Ui需要满足：Ui=U0-Us，剩余的电能则由并网逆变器注入电网中。另外，在太阳能转化成的电能不足以对电网发生的压降进行补偿时，并网逆变器可以从电网中取电以自动维持直流母线电压稳定。
在上述实施例中，控制器1可以是计算机，单片机或数字信号处理器。
另外，为了能够精确地测量直流电流和直流电压的数值，直流电流检测装置可以采用直流电流传感器，而直流电压检测装置采用直流电压传感器。同时，为了能够精确地测量电网交流电压的数值，交流电压检测装置采用交流电压互感器。
图2显示了本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法在一种实施方式下的流程步骤。图3为本发明所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法在一种实施方式下当电网电压陷落时进行电压补偿的仿真示意图。结合图1至图3，基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法的步骤为：
太阳能光伏电池板8将采集到的太阳能转化为直流电输出至直流升压单元2；
直流升压单元2将太阳能光伏电池输出的直流电转换为更为稳定的直流电，分别采用直流电流传感器5和直流电压传感器6检测直流升压单元2输出的直流电的电流Iw和电压Uw；
控制器1计算直流升压单元2输出的有功功率为Pw=Uw×Iw；
控制器1对直流升压单元2进行最大功率跟踪控制，判断直流升压单元2本次输出的有功功率Pwi是否大于上次输出的有功功率Pwi-1，若是，则说明直流升压单元2的输出有功功率Pwi尚未达到最大，通过控制器1增加直流升压单元2的占空比，若否，则说明直流升压单元2的输出有功功率Pwi已经达到最大，仅需维持直流升压单元2的占空比不变即可；
交流电压互感器测量电网交流电压U，并将测得的交流电压U的数值传输给控制器1来判断电网9的工作状态：若测得的交流电压U达到标准电压U0，则电网工作状态正常，控制器1控制H桥逆变单元3输出交流电压为零，同时控制并网逆变器将太阳能转化的电能注入电网；若测得的交流电压U为小于标准电压U0的Us，如图3中的（a）所示，则控制器1计算电网电压的跌落量，该跌落量即为需要补偿的电压量Ui（Ui=U0-Us），如图3中的（c）所示，控制器1控制H桥逆变单元3输出相应的交流电压Ui对故障电网进行电压补偿，使得电网负荷电压保持为标准电压U0，如图3中的（b）所示，同时剩余的电能由控制器控制并网逆变器注入电网中。
如图3所示，需要说明的是，当电网故障引起电网电压陷落时，在本实施方式下的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法能够迅速地将交流电压Ui注入，对电网予以补偿，使得电网负荷电压的幅值与相角都不产生变化，从而保护了负荷电压不受电网故障的影响。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其特征在于，包括步骤：
采用太阳能光伏电池板将太阳能转化为直流电输出；
采用直流升压单元将太阳能光伏电池输出的直流电转换为一稳定的直流电，并对直流升压单元进行最大功率跟踪控制以使直流升压单元输出的直流电有功功率最大；
采用H桥逆变单元和并网逆变器将直流升压单元输出的直流电转变为交流电；
检测电网电压：若电网发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电对电网压降进行补偿；若电网未发生压降，则控制H桥逆变单元输出交流电电压为零，同时控制并网逆变器将转化自太阳能的交流电注入电网。
2.如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其特征在于，所述对直流升压单元进行最大功率跟踪控制的步骤为：检测直流升压单元输出的有功功率，判断本次输出的有功功率是否大于上次输出的有功功率，若判断为是，则增加直流升压单元的占空比，若判断为否，则维持直流升压单元的占空比不变。
3.如权利要求2所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其特征在于，分别采用直流电流检测装置和直流电压检测装置检测直流升压单元输出的直流电的电流Iw和电压Uw，以获得直流升压单元输出的有功功率Pw=Uw×Iw。
4.如权利要求3所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其特征在于，采用的直流电流检测装置包括直流电流传感器。
5.如权利要求3所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其特征在于，采用的直流电压检测装置包括直流电压传感器。
6.如权利要求1所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制方法，其特征在于，采用交流电压互感器检测电网电压。
7.一种基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，包括：
太阳能光伏电池板；
直流升压单元，其直流输入端与太阳能光伏电池板的输出端连接；
H桥逆变单元，其直流母线与直流升压单元的输出端连接；
并网逆变器，其直流母线与H桥逆变单元的直流母线连接，其输出端用以与电网连接；
直流电流检测装置，其与直流升压单元的直流输出端连接，以检测直流升压单元输出的电流；
直流电压检测装置，其与直流升压单元的直流输出端连接，以检测直流升压单元输出的电压；
交流电压检测装置，其用以与电网连接，以检测电网的电压；
控制器，其分别与直流电流检测装置、直流电压检测装置和直流升压单元连接，接收直流电流检测装置和直流电压检测装置传输的直流电流值和直流电压值，以对直流升压单元进行最大功率跟踪控制；所述控制器还与交流电压检测装置、H桥逆变单元和并网逆变器连接，所述控制器接收交流电压检测装置传输的交流电压值判断电网的工作状态，以在电网发生压降时控制H桥逆变单元输出交流电压对电网电压进行串联补偿。
8.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，还包括变压器，所述变压器的初级线圈的两端与H桥逆变单元的交流输出端连接，所述变压器的次级线圈用于串接在电网中。
9.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，所述控制器包括数字信号处理器。
10.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，所述控制器包括单片机。
11.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，所述控制器包括计算机。
12.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，所述直流电流检测装置包括直流电流传感器。
13.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，所述直流电压检测装置包括直流电压传感器。
14.如权利要求7所述的基于太阳能光伏发电的电能质量串联补偿控制系统，其特征在于，所述交流电压检测装置包括交流电压互感器。
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