CN104779640B - 防分布式发电系统向电网倒灌电功率的系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种防分布式发电系统向电网倒灌电功率(逆功率)的系统及控制方法；该系统主要由电网、光伏逆变器、隔离变压器、采样调理板和控制电路板构成，该系统通过监测网点的逆功率，并且由控制算法产生电流指令，光伏逆变器根据电流指令调整输出功率，保证分布式发电系统输出的电功率和负载功率相匹配。分布式发电系统输出的功率和负载功率之间的动态匹配关系确保了并网点的逆功率不会超过电网公司所规定的值，因此，本发明技术方案可彻底解决分布式发电系统向电网倒灌功率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种防分布式发电系统向电网倒灌电功率的控制方法，确切的说，涉及一种防分布式发电系统向电网倒灌电功率(逆功率)的系统及控制方法，它特别适合于用来防基于光伏的分布式发电系统向电网倒灌功率。
背景技术
随着我国将光伏发电、风能发电等作为新能源的发展重点。目前，光伏、风力等发电系统主要分为独立发电系统和并网发电系统两大类，其中独立发电系统的主要目的是：为一定区域内的负载供电，然而由于太阳能、风能等新能源受环境和气候的影响较大，具有明显的间歇性，为了高效、可靠地给负载供电，一般采用并网发电系统，在发电功率大于本地负载所需功率时，并网发电系统可能会向电网输送电能，基于目前国内电网的技术水平和管理水平等方面的因素，国家电网公司通常要求光伏并网系统以不可逆发电方式接入电网，即光伏并网系统所发的电能由本地负载消耗，多余的电能不允许通过低压配电变压器向上级电网送电，为此，国家电网公司出台的《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定(试行)》明确规定：当光伏电站设计为不可逆并网方式时，应配置逆向功率保护设备，当检测到逆向电流超过光伏电站额定输出的5％时，逆向功率保护应在0.5-2秒内将光伏电站与电网断开。
对于分布式并网发电系统而言，防止将剩余电能送入电网是分布式并网发电系统必不可少的功能。针对该功能和国家电网公司对分布式并网发电系统所出台《规定》，国内有非常多的企业(如许继电气、阳光电源、创特电气、易事特电源等)和研究机构研究防逆流的技术或装置，并且申请了相应的专利，用来保护各自的技术。
如中国专利《一种防逆电流装置》(201120090188.5)公开了一种防逆流装置，该专利的技术方案是：通过电压与电流的测控仪表检测并网点的电流/电压，以此来判断是否有多余电能送入电网，并且在发生多余电能进入电网时，采用补救措施来防止逆功率送入电网，因此该技术方案对于逆功率采取的是事后补救方法，虽然起到了一定作用，但是依然存在将多余电能被送入电网的情况，这可能会危及电网的安全运行。
专利《一种应用于分布式发电并网接入防逆流智能检测方法》(CN103779834)该专利的技术方案是通过检测并网点的电压、电流以及电压和电流的相位差来判断光伏并网系统是否发生了逆流，然后决定是否断开逆变器，即专利CN103779834采用“通-断”方式防逆功率。
专利《一种并网发电系统防逆流方法和装置》(CN102868181A)的技术方案是通过检测本地负载的功率来调节逆变器的输出功率，从而防止逆功率流入电网，上述专利公开的防逆功率技术都是开环控制方案，此技术方案存在分布式发电系统中的负载功率不容易检测和逆功率控制不精确等缺点。
发明内容
基于现有技术中存在的诸多问题，本发明提供了一种防分布式发电系统向电网倒灌电功率的系统，其中，包括：分布式发电装置和防逆功率装置；
所述分布式发电装置包括电网和若干光伏逆变器，各所述光伏逆变器均各自连接有一隔离变压器，并通过所述隔离变压器连接至所述电网，且各所述光伏逆变器通过隔离变压器连接到一本地负载；
所述防逆功率装置包括相连的采样调理板和控制电路板，所述采样调理板获取流入所述电网的3路线电流和所述电网的2路线电压，并传送至所述控制电路板，籍由所述控制电路板生成实时电流指令发送至各所述光伏逆变器的控制单元；
其中，各所述光伏逆变器与隔离变压器之间均设置有一断路器，所述电网与所述变压器之间还设置有一总断路器，电网输入端设有霍尔电流传感器；
各所述光伏逆变器均包括一个三相逆变桥，且各所述三相逆变桥均连接一串光伏电池板(PV)。
上述的防分布式发电系统向电网倒灌电功率的系统，其中，所述控制电路板通过485总线将实时电流指令发送至各所述光伏逆变器的控制单元；该电流指令为有功电流指令和无功电流指令。
上述的防分布式发电系统向电网倒灌电功率的系统，其中，各所述三相逆变桥的三个输出端均串联有两个电感；
任意一输出端串联的两个电感之间连接有一三角形连接的电容器，该电容器的三端分别连接到串联的两个电感之间。
同时本发明提供了一种防分布式发电系统向电网倒灌功率的控制方法，其中，包括如下步骤：
步骤S1：对电网的电流和电压进行采样；
步骤S2：对采样的电流和电压进行变换，然后计算电网的电功率，所述电功率包括有功功率Pstruct.p、无功功率Pstruct.q和视在功率Pstruct.s；
步骤S3：控制无功功率及限幅处理，得到无功电流指令
步骤S4：若流向电网的视在功率Pstruct.s小于等于整个分布式发电系统额定容量的5％，则令控制标志变量Under5_control_flag＝1，并且控制有功功率及限幅处理，得到有功电流指令；
若流向电网的视在功率Pstruct.s大于整个分布式发电系统额定容量的一预设值，并且有功功率Pstruct.p<0和控制标志变量Under5_control_flag＝1两者均成立，则控制有功功率；
若有功功率Pstruct.p<0和控制标志变量Under5_control_flag＝0均成立，则逐渐增大有功电流电流指令，实现逆变器的软启动；
若流向电网的视在功率Pstruct.s大于整个分布式发电系统额定容量的一预设值，且有功功率Pstruct.p>0和1秒钟计时标志Over5_Time_Delay<40成立，则控制有功功率，输出有功和电流指令，若Over5_Time_Delay<40不成立，则让有功电流指令置“0”；
步骤S5：通过总线向分布式发电系统中的逆变器发送有功电流指令和无功电流指令；
步骤S6：各逆变器根据收到的电流指令调节各自的输出功率，并将电流接至所述电网；
步骤S7：重复进行步骤S1～步骤S6，直到流向电网的功率为0，以防止分布式发电系统向电网倒灌功率。
上述的方法，其中，在电网采样得到电流igα、igb、igc以及电压uab、uac后，对采样的电流/电压进行Clark变换，其变换的公式如下：
①
②
其中，公式①为电流变换的公式，公式②为电压变换的公式；
igα、igβ分别为并网电流在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量；
ugα和ugβ分别为电网电压在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量。
上述的方法，其中，根据瞬时功率理论计算流入电网的电功率：
Pstruct.p＝ugα·igα+ugβ·igβ； ③
Pstruct.q＝ugβ·igα-ugα·igβ； ④
⑤
其中，公式③为有功功率Pstruct.p的计算公式，公式④为无功功率Pstruct.q的计算公式，公式⑤为视在功率Pstruct.s的计算公式；
igα、igβ分别为并网电流在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量；
ugα和ugβ分别为电网电压在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量。
上述的方法，其中，所述预设值为5％。
上述的方法，其中，在步骤S3中，利用无功功率Pstruct.q除以整个分布式发电系统的额定容量Sn，得到q_quo，然后用无功功率指令q*减q_quo，得到无功偏差，用比例积分算法处理无功偏差，得到无功电流指令。
上述的方法，其中，在步骤S4中，利用有功功率Pstruct.p除以整个分布式发电系统的额定容量Sn，得到p_quo，然后用有功功率指令p*减p_quo，得到有功偏差，用比例积分算法处理有功偏差，得到有功电流指令。
上述的方法，其中，在步骤S5中，在发送有功电流指令和无功电流指令的同时，通过一触摸屏上显示并网电流、电网电压、逆功率、功率因数、有功电流/无功电流的指令。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、外形和优点将会变得更明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未刻意按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明提供的防分布式发电系统向电网倒灌电功率的系统的示意图；
图2A和图2B为本发明防逆功率装置的控制框图；
图3为本发明防逆功率装置的控制方案流程图。
具体实施方式
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明提供了一种防分布式发电系统向电网倒灌电功率的系统，参照图1所示，其包括分布式发电装置和防逆功率装置。
分布式发电装置包括电网(亦即并网点)和若干光伏逆变器。在本发明中，该分布式发电装置包括有最多不超过32台的光伏逆变器，本发明中仅用2台阐述。光伏逆变器均各自连接有一隔离变压器T，且各光伏逆变器均通过各自连接的隔离变压器T连接至电网。此外，各光伏逆变器通过隔离变压器连接到一本地负载。
防逆功率装置包括相连的采样调理板和控制电路板，采样调理板获取流入所述电网的3路线电流(电流iga、igb、igc)和2路线电压(uab、uac)，并且传送至控制电路板，籍由控制电路板生成实时有功电流和无功电流发送至各光伏逆变器的控制单元。可选但非限制，可采用TMS320F28335芯片为核心的控制电路板。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，各光伏逆变器与隔离变压器之间均设置有一断路器，进而分别独立控制各光伏逆变器的与电网的导通状态。例如在图1中，光伏逆变器1和隔离变压器T1之间设置有一个断路器K1，光伏逆变器2和隔离变压器T2之间设置有一个断路器K2，籍由断路器K1可实现光伏逆变器1与电网连接或者断开，籍由断路器K2可实现光伏逆变器2与电网连接或者断开。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，在电网与变压器之间还设置有一断路器K3。如图1可见，由于各隔离变压器T1、T2的输出端均汇合至电网，因此在汇合的主线路之间设置有一断路器K3，借助该断路器K3可实现同时切断所有光伏逆变器与电网之间的联系。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，各光伏逆变器均包括一个三相逆变桥，且各三相逆变桥均连接一串光伏电池板(PV)。同时，在另一可选的实施例中，还可仅提供一串伏电池板，并将该光伏电池板同时连接到所有的光伏逆变器的输入端。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，控制电路板通过485总线将实时电流指令发送至各光伏逆变器的控制单元。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，还包括一触摸显示屏，用于实时显示并网电流、电网电压、逆功率、功率因数、有功电流/无功电流的指令。用户通过显示屏可直观了解各项参数，方便快捷，例如可采用DOP-B03S211型号的显示屏。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，还包括三个霍尔电流传感器，设置在电网的输入端。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，各三相逆变桥的三个输出端均串联有两个电感。参照图1所示，光伏逆变器1中的三相逆变桥的三个输出端均穿串联有两个电感，例如三相逆变桥的其中一输出端串联有电感La1和Lga1。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，各光伏逆变器还包括一三角形连接的电容器，该电容器的三端分别连接到光伏逆变器任意一输出端上串联的两个电感之间。参照图1所示，在光伏逆变器1中具有一个三角形连接的电容器，即将电容Ca1、Cb1、Cc1三个电容以三角形的连接方式连接起来，并分别连接到三相逆变桥任意一输出端上串联的两个电感之间。
同时本发明还提供了防分布式发电系统向电网倒灌功率的控制方法，参照图3所示，具体包括如下步骤。
步骤S1：对电网的电流和电压进行采样。
步骤S2：对采样的电流和电压进行变换，然后计算电网的电功率，电功率包括有功功率Pstruct.p、无功功率Pstruct.q和视在功率Pstruct.s。
步骤S3：控制无功功率Pstruct.q及限幅处理，得到无功电流指令。
步骤S4：若流向电网的视在功率Pstruct.s小于等于整个分布式发电系统额定容量的5％，则令控制标志变量Under5_control_flag＝1，并且控制有功功率，得到有功电流指令。
若流向电网的视在功率Pstruct.s大于整个分布式发电系统额定容量的一预设值，并且有功功率Pstruct.p<0和控制标志变量Under5_control_flag＝1两者均成立，则控制有功功率。
若有功功率Pstruct.p<0和控制标志变量Under5_control_flag＝0均成立，则逐渐增大有功电流电流指令，实现逆变器的软启动。
若流向电网的视在功率Pstruct.s大于整个分布式发电系统额定容量的一预设值，且有功功率Pstruct.p>0和1秒钟计时标志Over5_Time_Delay<40成立，则控制有功功率，输出有功/电流指令，若Over5_Time_Delay<40不成立，则让有功电流指令置“0”。
步骤S5：通过总线向分布式发电系统中的逆变器发送有功电流指令和无功电流指令，例如可通过485总线采用广播方式与分布式发电系统中的各台逆变器通信。
步骤S6：各逆变器根据收到的电流指令调节各自的输出功率，将电流接至电网。
步骤S7：重复进行步骤S1～步骤S6，直到流向电网的功率为0，以防止分布式发电系统向电网倒灌功率。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，在电网采样得到电流iga、igb、igc以及电压uab、uac后，对采样的电流和电压进行Clark变换，其变换的公式如下：
①
②
其中，公式①为电流变换的公式，公式②为电压变换的公式；
igα、igβ分别为并网电流在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量；
ugα和ugβ分别为电网电压在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，根据瞬时功率理论计算流入电网的电功率：
Pstruct.p＝ugα·igα+ugβ·igβ ③
Pstruct.q＝ugβ·igα-ugα·igβ ④
⑤
其中，公式③为有功功率Pstruct.p的计算公式，公式④为无功功率Pstruct.q的计算公式，公式⑤为视在功率Pstruct.s的计算公式。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，上述的预设值为5％。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，在步骤S3中，利用无功功率Pstruct.q除以整个分布式发电系统的额定容量Sn，得到q_quo，然后用无功功率指令q*减q_quo，得到无功偏差，用比例积分算法处理无功偏差，得到无功电流指令。可参照附图2B所示。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，在步骤S4中，利用有功功率Pstruct.p除以整个分布式发电系统的额定容量Sn，得到p_quo，然后用有功功率指令p*减p_quo，得到有功偏差，用比例积分算法处理有功偏差，得到有功电流指令。可参照附图2A所示。
在本发明一可选但并不作为限制的实施例中，在步骤S5中，在发送有功电流指令和无功电流指令的同时，通过一触摸屏上显示并网电流、电网电压、逆功率、功率因数、有功电流/无功电流的指令。
本发明的突出效果是：其一，流向电网的功率(逆功率)始终处于可控状态，即使由于负载扰动出现逆功率，本发明也能在2秒内将逆功率控制为0，不需使分布式发电系统中的逆变器离网；其二，可使分布式发电系统输出尽可能大的功率，可在《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定(试行)》规定的时间内，本发明可使分布式发电系统向电网倒灌的电功率为0或达到《国家电网公司光伏电站接入电网技术规定(试行)》所规定的值。
以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，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，这并不影响本发明的实质内容。因此，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)
1.一种防分布式发电系统向电网倒灌功率的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：对电网的电流和电压进行采样；
步骤S2：对采样的电流和电压进行变换，然后计算电网的电功率，所述电功率包括有功功率Pstruct.p、无功功率Pstruct.q和视在功率Pstruct.s；
步骤S3：控制无功功率及限幅处理，得到无功电流指令；
步骤S4：若流向电网的视在功率Pstruct.s小于等于整个分布式发电系统额定容量的5％，则令控制标志变量Under5_control_flag等于1，并且控制有功功率及限幅处理，得到有功电流指令；
若流向电网的视在功率Pstruct.s大于整个分布式发电系统额定容量的5％，并且有功功率Pstruct.p小于0和控制标志变量Under5_control_flag等于1两者均成立，则控制有功功率；
若有功功率Pstruct.p小于0和控制标志变量Under5_control_flag等于0均成立，则逐渐增大有功电流电流指令，实现逆变器的软启动；
若流向电网的视在功率Pstruct.s大于整个分布式发电系统额定容量的5％，且有功功率Pstruct.p大于0和1秒钟计时标志Over5_Time_Delay小于40成立，则控制有功功率，输出有功电流指令，若Over5_Time_Delay小于40不成立，则让有功电流指令置“0”；
步骤S5：通过485总线向分布式发电系统中的逆变器发送有功电流指令和无功电流指令；
步骤S6：各逆变器根据收到的电流指令调节各自的输出功率，并将电流接至所述电网；
步骤S7：重复进行步骤S1～步骤S6，直到流向电网的功率为0，以防止分布式发电系统向电网倒灌功率。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在电网采样得到并网电流igα、igb、igc以及电压uab、uac后，对采样的电流/电压进行Clark坐标变换的公式如下：
其中，公式①为电流变换的公式，公式②为电压变换的公式；
igα、igβ分别为并网电流在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量；
ugα和ugβ分别为电网电压在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据瞬时功率理论计算电网的电功率：
Pstruct.p＝ugα·igα+ugβ·igβ； ③
Pstruct.q＝ugβ·igα-ugα·igβ； ④
其中，公式③为有功功率Pstruct.p的计算公式，公式④为无功功率Pstruct.q的计算公式，公式⑤为视在功率Pstruct.s的计算公式；
igα、igβ分别为并网电流在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量；
ugα和ugβ分别为电网电压在αβ坐标系中α轴上的分量和β轴上的分量。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，利用无功功率Pstruct.q除以整个分布式发电系统的额定容量Sn，得到q_quo，然后用无功功率指令q*减q_quo，得到无功偏差，用比例积分算法处理无功偏差，得到无功电流指令。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，利用有功功率Pstruct.p除以整个分布式发电系统的额定容量Sn，得到p_quo，然后用有功功率指令p*减p_quo，得到有功偏差，用比例积分算法处理有功偏差，得到有功电流指令。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，在发送有功电流指令和无功电流指令的同时，通过一触摸屏上显示并网电流、电网电压、逆功率、功率因数、有功电流/无功电流的指令。
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