CN104218595A - 电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，所述电网包括电网电源、光伏电源以及负载，所述光伏电源包括光伏阵列，所述光伏阵列产生的直流电通过可关断元件将直流电逆变成交流电输送给电网电源，其中，所述电网还包括用于补偿负荷不平衡电流及无功的控制器，所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角。通过控制光伏电源，实现对负载电流不平衡及无功进行补偿，补偿后，负载至电网的线路中电流不平衡得到改善，实现基本平衡；同时，无功得到补偿，功率因数得到改善，减少线路中电能损耗。

Description

电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法

技术领域

本发明涉及电网运行中光伏并网领域，尤其涉及一种电网运行中对三相不平衡及无功的补偿方法。

背景技术

随着我国经济的迅速发展，需要的能源越来越多，而石油、煤炭等传统能源随着使用会越来越少，需要有新的能源来替代。太阳能作为一种新的能源形式越来越多的受到重视，光伏发电是太阳能利用的一种主要形式，但是太阳能使用存在着许多需要解决的难题，使用中会给电网带来一些特殊的状态。

三相不平衡度是电网运行的一个重要的质量指标，尽管在电网设计时努力做到三相平衡，但是实际运行时因为用户使用的问题，往往三相不平衡非常严重，使得三相不平衡度大大超越国家规范。三相不平衡过大会给电网带来严重的危害，产生的负序电压和负序电流将导致旋转电机发热和振动，变压器漏磁增加和局部过热、电网线损增大以及各种保护和自动装置误动等，引起电网负序电压和负序电流，影响供电质量，进而增加线路损耗，降低供电可靠性，在传统的电网中，往往采用SVC或SVG技术进行不平衡负荷的补偿，同时补偿无功功率，而如果电网中加光伏发电系统使问题变得更加复杂，现有技术中大多数利用电容电感进行补偿，同时补偿无功及三相不平衡两项指标，但是该方式的设备资金较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种既能实现三相不平衡以及无功补偿、且无需较大设备的方法。

为了解决以上技术问题，本发明提供一种电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，所述电网包括电网电源、光伏电源以及负载，所述光伏电源包括光伏阵列，所述光伏阵列产生的直流电通过可关断元件将直流电逆变成交流电输送给电网用户，其中，所述电网还包括用于补偿负荷不平衡电流及无功的控制器，所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角。

优选的，所述控制器包括最大功率点计算器、第一PI调节器、第二PI调节器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、补偿电流计算器。

优选的，所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角，包括以下步骤：

a.所述最大功率点计算器根据光伏阵列的电压电流，计算输出最大功率时光伏阵列的电压给第一比较器；

b.所述第一比较器对光伏阵列的实时电压与最大功率时光伏阵列的电压进行比较，输出电压差值给第一PI调节器；

c.所述第一PI调节器根据电压差值输出电流I^* _p给第二比较器；

d.所述补偿电流计算器根据负载的电流电压输出补偿电流Is给第二比较器；

e.所述第二比较器根据电流I^* _p与电流Is输出指令电流Im

f.所述第三比较器根据可关断元件逆变后的电流以及指令电流Im输出误差电流△I；

g.所述第二PI调节器根据误差电流△I输出调节PWM信号给可关断元器件。

优选的，所述第一PI调节器为AVR(电压调节器)。

优选的，所述第二PI调节器为AIR(电流调节器)。

优选的，所述可关断元器件为IGBT。

本发明通过控制光伏电源，实现对负载电流不平衡及无功进行补偿，补偿后，负载至电网的线路中电流不平衡得到改善，实现基本平衡；同时，无功得到补偿，功率因数得到改善，减少线路中电能损耗。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1是本发明电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法的实施例的框图；

图2是本发明电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法的实施例的电路原理图；

图3是本发明电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法的实施例中补偿前电网至负载线路的电流图；

图4是本发明电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法的实施例中补偿后电网至负载线路的电流图；

图5是是本发明电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法的实施例中负载电流等效图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

实施例：

如图1所示，本发明提供一种电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，所述电网包括电网电源、光伏电源以及负载，所述光伏电源包括光伏阵列，所述光伏阵列产生的直流电通过可关断元件将直流电逆变成交流电输送给电网用户，其中，所述电网还包括用于补偿负荷不平衡电流及无功的控制器，所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角。通过控制光伏电源，实现对负载电流不平衡及无功进行补偿，补偿后，负载至电网的线路中电流不平衡得到改善，实现基本平衡；同时，无功得到补偿，功率因数得到改善，减少线路中电能损耗。

在本实施例中，具体的实施例如图2所示，所述控制器包括最大功率点计算器MPPT、第一PI调节器AVR、第二PI调节器AIR、第一比较器、第二比较器、第三比较器、补偿电流计算器。所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角，包括以下步骤：

a.所述最大功率点计算器MPPT根据光伏阵列的电压V_dc电流I_dc，计算输出最大功率时光伏阵列的电压V^* _dc给第一比较器；

b.所述第一比较器对光伏阵列的实时电压V_dc与最大功率时光伏阵列的电压V^* _dc进行比较，输出电压差值给第一PI调节器AVR；

c.所述第一PI调节器根据电压差值输出电流I^* _p给第二比较器；

d.所述补偿电流计算器根据负载的电流电压输出补偿电流Is给第二比较器；

e.所述第二比较器根据电流I^* _p与电流Is输出指令电流Im

f.所述第三比较器根据可关断元件逆变后的电流以及指令电流Im输出误差电流△I；

g.所述第二PI调节器根据误差电流△I输出调节PWM信号给可关断元器件。

在本实施例中所述可关断元器件为IGBT。

由此构成完整的以电压为外环以电流为内环的双闭环系统，控制和调节输出电压和电流，实现输出最大功率同时补偿不平衡负载和无功的目标。

在本实施例中，在负载侧通过测量负载的电流、电压可以计算出需要补偿的电流值Is，计算的过程如公式(1)-(8)：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AL}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AS}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AU}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BL}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BS}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BU}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CS}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CU}}\end{array}---\left(1\right)$

公式(1)中的意义如图5中所示，是光伏电源需要补偿的电流，为负载前端至电网电源的电流。

将(1)的计算结果代入负载阻抗公式：

$\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{AL}}=\frac{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{AL}}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{AL}}}\\ Z_{\mathrm{BL}}=\frac{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{BL}}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{BL}}}\\ Z_{\mathrm{CL}}=\frac{\stackrel{\·}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{CL}}}}{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{CL}}}\end{array}---\left(2\right)$

其中Z_AL、Z_BL、Z_CL分别为A、B、C相的阻抗值， 分别为A、B、C相相电压。

负载相间阻抗为：

$\begin{array}{c}{Z}_{\mathrm{ABL}}=\frac{Z_{\mathrm{AL}}{Z}_{\mathrm{BL}}+Z_{\mathrm{BL}}{Z}_{\mathrm{CL}}+Z_{\mathrm{CL}}{Z}_{\mathrm{AL}}}{Z_{\mathrm{CL}}}\\ Z_{\mathrm{BCL}}=\frac{Z_{\mathrm{AL}}{Z}_{\mathrm{BL}}+Z_{\mathrm{BL}}{Z}_{\mathrm{CL}}+Z_{\mathrm{CL}}{Z}_{\mathrm{AL}}}{Z_{\mathrm{AL}}}\\ Z_{\mathrm{CAL}}=\frac{Z_{\mathrm{AL}}{Z}_{\mathrm{BL}}+Z_{\mathrm{BL}}{Z}_{\mathrm{CL}}+Z_{\mathrm{CL}}{Z}_{\mathrm{AL}}}{Z_{\mathrm{BL}}}\end{array}---\left(3\right)$

负载相间导纳为

G_ABL＝Re(Z_ABL)，G_BCL＝Re(Z_BCL),G_CAL＝Re(Z_CAL)

B_ABL＝Im(Z_ABL),B_BCL＝Im(Z_BCL),B_CAL＝Re(Z_CAL)

                      (4)

补偿的电容或电感电纳值为：

$\begin{array}{c}{B}_{\mathrm{ab}}^{\mathrm{\Δ}}=-B_{\mathrm{ABL}}+\frac{\sqrt{3}}{3}(G_{\mathrm{CAL}}-G_{\mathrm{BCL}})\\ B_{\mathrm{bc}}^{\mathrm{\Δ}}=-B_{\mathrm{BCL}}+\frac{\sqrt{3}}{3}(G_{\mathrm{ABL}}-G_{\mathrm{CAL}})\\ B_{\mathrm{ca}}^{\mathrm{\Δ}}=-B_{\mathrm{CAL}}+\frac{\sqrt{3}}{3}(G_{\mathrm{BCL}}-G_{\mathrm{ABL}}).\end{array}---\left(5\right)$

如果希望对不平衡及无功进行同时补偿，在光伏并网时向电网中输入补偿三角形电感、电容相反的电流即可，其作用相当于在电网中加入三角形电容电感补偿电路。在公式(5)两边分别乘以线电压向量，可得：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ab}}=j{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ab}}(-B_{\mathrm{ABL}}+\frac{\sqrt{3}}{3}(G_{\mathrm{CAL}}-G_{\mathrm{BCL}}))\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bc}}=j{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{bc}}(-B_{\mathrm{BCL}}+\frac{\sqrt{3}}{3}(G_{\mathrm{ABL}}-G_{\mathrm{CAL}}))\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ca}}=j{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ca}}(-B_{\mathrm{CAL}}+\frac{\sqrt{3}}{3}(G_{\mathrm{BCL}}-G_{\mathrm{ABL}}))\end{array}---\left(6\right)$

其中的可由互感器测出，其数值被电网钳制，不会受光伏发电的影响，因此可以得出分别为AB、BC、CA相间电流。而其与相电流的关系为：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{as}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ca}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ab}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bs}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ab}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bc}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cs}}={\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bc}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ca}}\end{array}---\left(7\right)$

由(7)式可以求出各相上需要输出的补偿电流。

在光伏发电并网的时候，往往采用最大功率跟踪的方法(MPPT)，如果由MPPT所确定的为则指令电流为：

$\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{am}}=\stackrel{\·}{I_{\mathrm{ap}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{as}}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bm}}=\stackrel{\·}{I_{\mathrm{bp}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cs}}}\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cm}}=\stackrel{\·}{I_{\mathrm{cp}}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{cs}}}\end{array}---\left(8\right)$

分别光伏逆变装置控制调节器对外产生的A相、B相、C相指令电流。

补偿前电网至负载的线路的电流图如图3所示，补偿后电网至负载的线路的电流图如图4所示。

本发明通过控制光伏电源，实现对负载电流不平衡及无功进行补偿，补偿后，负载至电网的线路中电流不平衡得到改善，实现基本平衡；同时，无功得到补偿，功率因数得到改善，减少线路中电能损耗。在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (6)

1.电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，所述电网包括电网电源、光伏电源以及负载，所述光伏电源包括光伏阵列，所述光伏阵列产生的直流电通过可关断元件将直流电逆变成交流电输送给电网用户，其特征在于，所述电网还包括用于补偿负荷不平衡电流及无功的的控制器，所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角。

2.根据权利要求1所述的电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，其特征在于，所述控制器包括最大功率点计算器、第一PI调节器、第二PI调节器、第一比较器、第二比较器、第三比较器、补偿电流计算器。

3.根据权利要求2所述的电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，其特征在于，所述控制器根据光伏阵列的电压电流、负载的电流电压以及可关断元件逆变后的电流，调整可关断元件的控制角，包括以下步骤：

a．所述最大功率点计算器根据光伏阵列的电压电流，计算输出最大功率时光伏阵列的电压给第一比较器；

b．所述第一比较器对光伏阵列的实时电压与最大功率时光伏阵列的电压进行比较，输出电压差值给第一PI调节器；

c．所述第一PI调节器根据电压差值输出电流I^* _p给第二比较器；

d．所述补偿电流计算器根据负载的电流电压输出补偿电流Is给第二比较器；

e．所述第二比较器根据电流I^* _p与电流Is输出指令电流Im

f．所述第三比较器根据可关断元件逆变后的电流以及指令电流Im输出误差电流△I；

g．所述第二PI调节器根据误差电流△I输出调节PWM信号给可关断元器件。

4.根据权利要求2所述的电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，其特征在于，所述第一PI调节器为AVR（电压调节器）。

5.根据权利要求2所述的电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，其特征在于，所述第二PI调节器为AIR（电流调节器）。

6.根据权利要求1所述的电网中利用光伏电源补偿负荷不平衡电流及无功的方法，其特征在于，所述可关断元器件为IGBT。