CN104821588B - 一种微网稳压装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网稳压装置及其控制方法，包括风力发电电源模块、光伏发电电源模块、电容组模块、单相异步电动机组模块和PLC控制器模块；风力发电电源模块与光伏发电电源模块相连构成公共耦合点，电容组模块、单相异步电动机组模块分别连接公共耦合点；PLC控制器模块分别监测微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，并根据监测到的信号计算微网所需补偿的容量，产生逻辑信号控制电容组模块或单相异步电动机组模块按微网所需补偿的容量补偿微网，实现稳压控制。本发明采用双闭环PI控制选择投切电容组和异步电动机的数目，精确控制投切量，降低系统复杂度，提高稳定性及可靠性，提高控制效率，降低成本。

Description

一种微网稳压装置及其控制方法

技术领域：

本发明属于微网系统稳压技术领域，具体一种涉及微网稳压装置及其控制方法。

背景技术

随着能源危机的加深，利用新能源发电代替传统的发电已经是全世界研究的重点。我国对于采用新能源如太阳能、风能等清洁能源作为发电源尤为重视，提出了一系列针对新能源发电的经济发展战略。新能源发电因为其自然资源的不确定性使得电网电压波动较大，降低了其可靠性，如果电网电压波动严重甚至会造成重大损失。因此，如何对微网系统进行稳压具有广阔的前景。

风力、光伏发电等分布式发电系统，在并网时需要对电网侧进行管理提高电网侧对新能源发电的适应性，同时大规模可再生能源需要采用储能设备平滑抑制功率和能量波动、无功电压支撑、储能及无功协调控制、有功/无功协调控制，同时还要适应系统的特殊运行工况，例如转动惯量低、间歇能源波动突出、负荷变化剧烈、环保要求更严格等。

目前微网中稳压方式一种在分布式发电接入点附近配置一定容量的储能，通过逆变装置接入微电网，一种是储能通过DC/DC接入分布式发电的直流侧，稳定直流电压后通过DC/AC后接电网，还有一种将储能接入背靠背形式的微网稳压控制策略。以上三种是常见的稳压方式，其稳压方式需要用到较多的功率管，且储能系统容量较大，整体控制比较复杂，成本高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精确控制投切量、降低系统复杂度、提高稳定性及可靠性、提高控制效率、降低成本的微网稳压装置及其控制方法。

本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：

一种微网稳压装置，包括风力发电电源模块、光伏发电电源模块、电容组模块、单相异步电动机组模块和PLC控制器模块；

风力发电电源模块的电源输出端与光伏发电电源模块的电源输出端相连构成公共耦合点，电容组模块、单相异步电动机组模块分别连接公共耦合点；

PLC控制器模块分别监测微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，并根据监测到的信号计算微网所需补偿的容量，产生逻辑信号控制电容组模块或单相异步电动机组模块按微网所需补偿的容量补偿微网，实现稳压控制。

所述风力发电电源模块包括：风力机连接异步发电机，异步发电机连接公共耦合点，异步发电机还连接励磁电容。

所述光伏发电电源模块包括：光伏板经过DC/AC整流单元后连接公共耦合点。

所述电容组模块包括：电容组分别经过第一开关组连接公共耦合点，第一开关组的控制端连接PLC控制器模块。

所述单相异步电动机组模块包括：单相异步电动机组分别经过第二开关组连接公共耦合点，第二开关组的控制端连接PLC控制器模块。

所述PLC控制器模块包括：信号采集电路、逻辑开关电路、第一PI调节器和第二PI调节器；信号采集电路分别采集微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，微网电压经第一PI调节器处理，再经计算处理输出微网所需补偿的容量；逻辑开关电路根据输入的风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压进行判断，输出逻辑信号选择投切电容组或投切单相异步电动机组，按微网所需补偿的容量补偿微网，实现稳压控制；第二PI调节器采用功率内环控制输出微网电压，反馈到第一PI控制器实现闭环控制。

一种微网稳压装置的控制方法，微网为三相电网，任一相的控制方法包括以下步骤：

(1)参数设置：在PLC控制器模块中分别设置电容组模块相应参数、单相异步电动机组模块相应参数、微网参考电压以及PLC控制器模块的通讯协议；

(2)模拟信号采集调理：信号采集电路分别实时采集微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，并分别依次进行隔离放大、反向求和、反向放大运算后输出到PLC控制器模块；

(3)数字信号处理：PLC控制器模块将步骤(2)所采集的各模拟信号分别进行A/D转换后获得对应的数字信号；

(4)控制参数选择：选择微网的无功需求量和母线电压作为控制参数实现自动投切；

(5)控制投切过程：微网电压与设定微网电压经比较后输入第一PI控制器，再经计算处理输出微网所需补偿的容量，逻辑开关电路根据输入的风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压进行判断，输出逻辑信号选择投切电容组或投切单相异步电动机组，按微网所需补偿的容量补偿微网。

所述投切电容组或投切单相异步电动机组的判断选择方法为：

当(U_WT+U_PV)-U_ref＜0，选择投切电容组；

当(U_WT+U_PV)-U_ref＞0，选择投切单相异步电动机组；

其中，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，U_ref为微网参考电压。

所述微网所需补偿的容量的计算方法为：

所述微网所需补偿的容量按下式计算：

$Q_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}\mathrm{UI}\sin \mathrm{\θ}$

其中，Q_ref为微网所需补偿的容量，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，I为负荷电流大小，θ为电流滞后电压的角度，cosθ为功率因数；

根据微网所需补偿的容量，投切电容或单相异步电动机的数量具体方法如下：

(1)当(U_WT+U_PV)-U_ref＜0，选择投切电容组；采用提高电压确定补偿容量的方法或者暂态下直接补偿电容值的方法；

①提高电压确定补偿容量的方法：

按下式计算补偿容量：

$Q_C=\frac{\mathrm{\ΔU}\×U_{\mathrm{ref}}}{X}$

其中，Q_C为需投入的容性无功，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，X为线路电抗；

②直接补偿电容值的方法：

根据 $Q_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{2}\mathrm{C\Δ}{U}^2$

得： $C=\frac{2Q_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\Δ}{U}^2}$

其中，Q_ref为上述计算所得微网所需补偿的容量，C为补偿电容值；

(2)当(U_WT+U_PV)-U_ref＞0，选择投切单相异步电动机组；采用降低电压确定补偿容量的方法：

根据 $Q_{\mathrm{ref}}=\frac{\mathrm{\Δ}{U}^2}{\mathrm{\ωL}}$

得 $L=\frac{\mathrm{\Δ}{U}^2}{\mathrm{\ω}{Q}_{\mathrm{ref}}}$

其中，Q_ref为上述计算所得微网所需补偿的容量，ω为电网角频率，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，L为所需补偿的电感大小。

本发明的优点在于：

通过双闭环控制实现精确地控制投切电容组或异步电动机的数量，使用逻辑开关电路降低系统复杂度，提高稳定性及可靠性，提高控制效率，降低成本，单相异步电动机作为用电负荷，如果以冰蓄冷装置的电动机作为微网的单相异步电动机时还能作为电储能部件同时对三相电进行分相补偿，消除电网的不平衡运行，节约成本。

附图说明

图1为本发明微网稳压装置的结构示意图；

其中：IM为单相异步电动机，IG为异步电动机，PV为光伏板；

图2为图1中PLC控制器模块的控制流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式做进一步详细描述，但不构成对本发明保护范围的限制。

如图1，微网稳压装置包括包括风力发电电源模块、光伏发电电源模块、电容组模块、单相异步电动机组模块和PLC控制器模块；

风力发电电源模块的风力机连接异步发电机IG，光伏发电电源模块的光伏板PV连接DC/AC整流单元，异步发电机IG的输出与DC/AC整流单元的输出相连构成公共耦合点；

电容组模块包括：电容组有多组，每组电容组由多个电容组成，电容组的组数取决于微网中的总容量；电容组分别经过第一开关组连接公共耦合点，第一开关组的控制端连接PLC控制器模块；

单相异步电动机组模块包括：单相异步电动机组有多组，每组单相异步电动机组由多个单相异步电动机IM组成，单相异步电动机组的组数取决于微网中的总容量；单相异步电动机组分别经过第二开关组连接公共耦合点，第二开关组的控制端连接PLC控制器模块。单相异步电动机IM作为用电负荷，如果以冰蓄冷装置的电动机作为微网的单相异步电动机IM时还能作为电储能部件同时对三相电进行分相补偿，消除电网的不平衡运行，节约成本。

PLC控制器模块包括：信号采集电路、逻辑开关电路、第一PI调节器和第二PI调节器；信号采集电路分别采集微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，微网电压经第一PI调节器处理，再经计算处理输出微网所需补偿的容量；逻辑开关电路根据输入的风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压进行判断，输出逻辑信号选择投切电容组或投切单相异步电动机组，按微网所需补偿的容量补偿微网，实现稳压控制；第二PI调节器采用功率内环控制输出微网电压，反馈到第一PI控制器实现闭环控制。

所述的一种微网稳压装置的控制方法，微网为三相电网，任一相的控制方法包括以下步骤：

(1)参数设置：在PLC控制器模块中分别设置电容组模块相应参数、单相异步电动机组模块相应参数、设定微网电压以及PLC控制器模块的通讯协议；

(2)模拟信号采集调理：信号采集电路分别实时采集微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，并分别依次进行隔离放大、反向求和、反向放大运算后输出到PLC控制器模块；

(3)数字信号处理：PLC控制器模块将步骤(2)所采集的各模拟信号分别进行A/D转换后获得对应的数字信号；

(4)控制参数选择：选择微网的无功需求量和母线电压作为控制参数实现自动投切；

(5)控制投切过程：如图2所示，微网电压与设定微网电压经比较后输入第一PI控制器，再经计算处理输出微网所需补偿的容量，逻辑开关电路根据输入的风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压进行判断，输出逻辑信号选择投切电容组或投切单相异步电动机组，按微网所需补偿的容量补偿微网。投切的实际容量为Q_bc与微网所需补偿的容量Q_ref经比较后输入第二PI调节器，第二PI调节器经过处理输出微网电压反馈到第一PI控制器实现闭环控制。

所述投切电容组或投切单相异步电动机组的判断选择方法为：

当(U_WT+U_PV)-U_ref＜0，选择投切电容组；

当(U_WT+U_PV)-U_ref＞0，选择投切单相异步电动机组；

其中，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，U_ref为微网参考电压。

所述微网所需补偿的容量的计算方法为：

所述微网所需补偿的容量按下式计算：

$Q_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}\mathrm{UI}\sin \mathrm{\θ}$

其中，Q_ref为微网所需补偿的容量，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，I为负荷电流大小，θ为电流滞后电压的角度，cosθ为功率因数；

根据微网所需补偿的容量，投切电容或单相异步电动机的数量具体方法如下：

(1)当(U_WT+U_PV)-U_ref＜0，选择投切电容组；采用提高电压确定补偿容量的方法或者暂态下直接补偿电容值的方法；

①提高电压确定补偿容量的方法：

按下式计算补偿容量：

$Q_C=\frac{\mathrm{\ΔU}\×U_{\mathrm{ref}}}{X}$

其中，Q_C为需投入的容性无功，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，X为线路电抗；

②直接补偿电容值的方法：

根据 $Q_{\mathrm{ref}}=\frac{1}{2}\mathrm{C\Δ}{U}^2$

得： $C=\frac{2Q_{\mathrm{ref}}}{\mathrm{\Δ}{U}^2}$

其中，Q_ref为上述计算所得微网所需补偿的容量，C为补偿电容值；

根据C选择投入电容组的组数，当C除以每组电容组的电容之和即为投入电容组的组数，其商不为整数时向上取整作为投入电容组的组数；逻辑开关电路控制第一开关组的通断实现电容组的投切。

(2)当(U_WT+U_PV)-U_ref＞0，选择投切单相异步电动机组；采用降低电压确定补偿容量的方法：

根据 $Q_{\mathrm{ref}}=\frac{\mathrm{\Δ}{U}^2}{\mathrm{\ωL}}$

得 $L=\frac{\mathrm{\Δ}{U}^2}{\mathrm{\ω}{Q}_{\mathrm{ref}}}$

其中，Q_ref为上述计算所得微网所需补偿的容量，ω为电网角频率，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，L为所需补偿的电感大小；根据L选择投入单相异步电动机组的组数；L除以每组单相异步电动机组的电感总和即为投入单相异步电动机组的数量；逻辑开关电路控制第二开关组的通断实现单相异步电动机组的投切。

一般的微网稳压方式需要采用大量的电池组，如果是在海岛地形下受环境局限将增大成本且污染环境，采用本发明的稳压装置可以利用海岛资源，同时采用了电容组和单相异步电动机相互抵消配合的方法使得控制简单有效，单相异步电动机作为用电负荷，如果以冰蓄冷装置的电动机作为微网的单相异步电动机时还能作为电储能部件同时对三相电进行分相补偿，消除电网的不平衡运行，节约成本。

一般的微网稳压方法利用储能进行稳压，而铅酸蓄电池以较低的价格成为储能部件首选。以风力发电装机容量500kW，光伏发电装机容量700kW为例的微网，其需要的蓄电池容量因为资金和地形限制最大不超过500kW×5h，其成本一般1kW·h为200元，蓄电池的成本需要50万元，还不包括维修费用等，蓄电池的最优化寿命为3～10年，使得蓄电池成为微网中的昂贵部件。本发明方法采用投切电容组和单相异步电动机结合稳压，只需少量蓄电池为其他负荷如敏感负荷提供能量，单相异步电动机还能为居民负荷提供能量，如果以冰蓄冷装置的电动机作为微网的单相异步电动机时还能作为电储能部件同时对三相电进行分相补偿，消除电网的不平衡运行，节约成本。

Claims (9)

1.一种微网稳压装置，其特征在于，包括风力发电电源模块、光伏发电电源模块、电容组模块、单相异步电动机组模块和PLC控制器模块；

风力发电电源模块的电源输出端与光伏发电电源模块的电源输出端相连构成公共耦合点，电容组模块、单相异步电动机组模块分别连接公共耦合点；

PLC控制器模块分别监测微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，并根据监测到的信号计算微网所需补偿的容量，产生逻辑信号控制电容组模块或单相异步电动机组模块按微网所需补偿的容量补偿微网，实现稳压控制。

2.如权利要求1所述的一种微网稳压装置，其特征在于，所述风力发电电源模块包括：风力机连接异步发电机，异步发电机连接公共耦合点，异步发电机还连接励磁电容。

3.如权利要求1所述的一种微网稳压装置，其特征在于，所述光伏发电电源模块包括：光伏板经过DC/AC单元后连接公共耦合点。

4.如权利要求1所述的一种微网稳压装置，其特征在于，所述电容组模块包括：电容组分别经过第一开关组连接公共耦合点，第一开关组的控制端连接PLC控制器模块。

5.如权利要求1所述的一种微网稳压装置，其特征在于，所述单相异步电动机组模块包括：单相异步电动机组分别经过第二开关组连接公共耦合点，第二开关组的控制端连接PLC控制器模块。

6.如权利要求1至5之一所述的一种微网稳压装置，其特征在于，所述PLC控制器模块包括：信号采集电路、逻辑开关电路、第一PI调节器和第二PI调节器；信号采集电路分别采集微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，微网电压经第一PI调节器处理，再经计算处理输出微网所需补偿的容量；逻辑开关电路根据输入的风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压进行判断，输出逻辑信号选择投切电容组或投切单相异步电动机组，按微网所需补偿的容量补偿微网，实现稳压控制；第二PI调节器采用功率内环控制输出微网电压，反馈到第一PI控制器实现闭环控制。

7.如权利要求6所述的一种微网稳压装置的控制方法，其特征在于，微网为三相电网，任一相的控制方法包括以下步骤：

(1)参数设置：在PLC控制器模块中分别设置电容组模块相应参数、单相异步电动机组模块相应参数、微网参考电压以及PLC控制器模块的通讯协议；

(2)模拟信号采集调理：信号采集电路分别实时采集微网电压、风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压，并分别依次进行隔离放大、反向求和、反向放大运算后输出到PLC控制器模块；

(3)数字信号处理：PLC控制器模块将步骤(2)所采集的各模拟信号分别进行A/D转换后获得对应的数字信号；

(4)控制参数选择：选择微网的无功需求量和母线电压作为控制参数实现自动投切；

(5)控制投切过程：微网电压与设定微网电压经比较后输入第一PI控制器，再经计算处理输出微网所需补偿的容量，逻辑开关电路根据输入的风力发电电源模块的发电电压和光伏发电电源模块的发电电压进行判断，输出逻辑信号选择投切电容组或投切单相异步电动机组，按微网所需补偿的容量补偿微网。

8.如权利要求7所述的一种微网稳压装置的控制方法，其特征在于，所述投切电容组或投切单相异步电动机组的判断选择方法为：

当(U_WT+U_PV)-U_ref＜0，选择投切电容组；

当(U_WT+U_PV)-U_ref＞0，选择投切单相异步电动机组；

其中，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，U_ref为微网参考电压。

9.如权利要求7所述的一种微网稳压装置的控制方法，其特征在于，所述微网所需补偿的容量的计算方法为：

所述微网所需补偿的容量按下式计算：

$Q_{ref}=\frac{1}{2}\mathrm{\Δ}UIsin\mathrm{\θ}$

其中，Q_ref为微网所需补偿的容量，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，I为负荷电流大小，θ为电流滞后电压的角度，cosθ为功率因数；

根据微网所需补偿的容量，投切电容或单相异步电动机的数量具体方法如下：

(1)当(U_WT+U_PV)-U_ref＜0，选择投切电容组；采用提高电压确定补偿容量的方法或者暂态下直接补偿电容值的方法；

①提高电压确定补偿容量的方法：

按下式计算补偿容量：

$Q_C=\frac{\mathrm{\Δ}U\×U_{ref}}{X}$

其中，Q_C为需投入的容性无功，ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，X为线路电抗；

②直接补偿电容值的方法：

根据

得：

其中，Q_ref为上述计算所得微网所需补偿的容量，C为补偿电容值；

(2)当(U_WT+U_PV)-U_ref＞0，选择投切单相异步电动机组；采用降低电压确定补偿容量的方法：

根据

得

其中，Q_ref为上述计算所得微网所需补偿的容量，ω为电网角频率，

ΔU＝U_ref-(U_WT+U_PV)，U_ref为微网参考电压，U_WT为风力发电电源模块的发电电压，U_PV为光伏发电电源模块的发电电压，L为所需补偿的电感大小。