CN104935002B - 一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法 - Google Patents

一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，直接根据并网点电压大小与MPPT模块配合使用，当并网点电压处于不同区间时，选择是否闭锁MPPT模块，并同时对功率进行限制；基于P‑U下垂方法来实现过电压调节，将过电压调节功能植入到常规的光伏逆变器中，使其在电网正常情况下，除了具备并网逆变功能外，还能够根据并网点电压情况来自动调整自身出力以实现过电压调节，从而保证并网点电压在正常范围内，进而避免了分布式光伏电源接入配电网后因过电压而导致与电网解列，一定程度上提高了分布式光伏电源的渗透率，进一步保证了电网的安全稳定运行，提高了光伏发电量，同时为规模化的分布式光伏电源的建立提供了理论依据。

Description

一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法
技术领域
本发明属于智能电网技术领域，涉及一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法。
背景技术
随着能源危机的日益突出，可再生能源发电已成为发展趋势，分布式光伏发电是可再生能源发电的一种重要形式，高渗透率下分布式光伏电源的大规模接入，使得传统配电网的运行控制方法已经无法应对，并且改变了传统配电网的潮流分布和潮流方向，这些潮流的变化对电网的稳态电压分布产生一些影响，还甚至可能导致配电网某些节点产生过电压，从而使得分布式光伏电源无法正常接入配电网。
现有技术中有个别文献资料对过电压调节提出了一些方法，比如就地安装储能装置、接入点进行电抗器补偿。但是这些方法不仅增加了系统的成本，而且降低了大容量分布式光伏电源接入配电网的灵活性。
中国专利CN 104079007 A公开了一种抑制低压馈线过电压的分布式光伏并网发电控制方法，包括光伏并网发电电路，该方法通过实时检测并网点电压，根据并网点电压有效值Urms和当前无功功率输出大小调整boost电路的工作模式，控制光伏并网发电系统向电网输送设定的无功功率。该方法主要有以下不足之处：(1)由于低压配电网中线路阻抗比R/X很大，其并网点电压大小主要与有功功率大小有关，无功功率的大小对电网电压影响很小，另外分布式光伏逆变器一般都需要高功率因数运行，上述采用无功调节的方式并不十分合理；(2)该方法中的三种工作模式不仅涉及逆变器进行直流母线电压控制和并网电流控制，第三者模式还需要增加电网电压给定值Uref与电网电压有效值Urms的PI控制调节器，进而调整功率输出。可见，该方法不仅涉及到直流母线电压控制和并网电流控制，还增加了交流侧电压闭环算法，算法较为复杂，实现起来较为麻烦；(3)仅以两级式光伏逆变器为对象，根据电网侧电压大小，实时检测boost电路的直流母线侧电压与给定电压Uref做差进行闭环调节，以调整并网电流大小；对于单级式逆变器来说，没有所谓的直流侧母线稳定控制算法，那么该方法如何适用于单级式逆变器不清楚，故该方法应用场景较窄；(4)电网电压范围判断区间较窄，一定程度上限制了功率输出；(5)该方法始终在进行最大功率跟踪，功率调节仅仅是偏离MPP点而已，而不是选择闭锁MPPT模块。
因此，基于现有分布式光伏并网发电控制方法的不足，有必要提供一种更为合理，适用范围更宽且调节效果更好的过电压调节方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，适用范围宽，实现过程简单，能够有效解决过电压的问题，保证电网的安全稳定运行。
为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是：一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，实时检测并网点电压Upcc，并根据Upcc的大小调整当前并网逆变器的控制方式及其直流侧限制功率Plimit，具体控制过程如下：
a、当Upcc≤kaUN时，其中ka为第一电压分段系数，UN为电网额定电压，并网逆变器进行MPPT跟踪，Plimit等于当前参考功率Pref；
b、当kaUn＜Upcc＜kbUN时，kb为第二电压分段系数，并网逆变器停止进行MPPT跟踪，Plimit等于当前参考功率Pref；
c、当Upcc≥kbUN时，并网逆变器停止进行MPPT跟踪，并运用P-U下垂方法对Plimit进行限制，以调节并网点电压Upcc。
当Upcc≥kbUN时，运用P-U下垂方法对Plimit进行限制的公式如下：
Plimit＝Pref-|ku|ΔU
其中，ku为下垂调节系数，ΔU＝Upcc-kbUN。
第一电压分段系数为1.08，第二电压分段系数kb为1.1。
在并网逆变器启动前，首先检测并网点电压Upcc是否正常，如果正常则启动逆变器，并进行MPPT跟踪，同时不断检测并网点电压Upcc大小。
本发明的分布式光伏电源并网发电过电压调节方法是根据有功功率与并网点电压之间的直接对应关系提出的P-U下垂直接调节方法，其有益效果如下：
(1)该方法提出的P-U下垂方法能够真实反映低压配电网或微电网中阻抗比较大的实际情况，有功功率对电网电压的调节占主导地位；
(2)该方法可以针对任何单级式、两级式逆变器，直接就有功功率与电压的关系进行调节，不涉及直流母线电压控制，应用场景较广；直接根据并网点电压大小与MPPT模块配合使用，当U不同区间时，选择是否闭锁MPPT模块，并同时对功率进行限制，也就是说根据并网点电压的大小判断区间，当电压高于一定值时，闭锁最大功率跟踪MPPT模块，直接按照提出的下垂调节公式进行功率输出限制；当电压低到一定范围，再调用MPPT模块，因此方法非常简单实用，适用于任何光伏接入低压配电网的场景；
(3)该方法没有添加任何闭环算法来进行电压调节，只是根据电压大小，选择是否调用MPPT跟踪模块，也没有去分几种模式，就是根据P-U关系进行直接调节功率，方法简单易懂；
(4)该方法提出的电网电压范围判断区间较宽，完全按照标准要求进行，能最大保证有功功率的输出以及与电网的自适应运行。
附图说明
图1为本发明的原理图；
图2为本发明的实现流程图；
图3a为P-U下垂调节时间区间图，图3b为P-U下垂分段调节折线区间图；
图4a为并网点无负荷、无电压调节时并网点电压和电网额定电压的仿真波形图；
图4b为并网点无负荷、有电压调节时并网点电压和电网额定电压的仿真波形图；
图5a为并网点有负荷、无电压调节时并网点电压和电网额定电压的仿真波形图；
图5b和图5c均为并网点有负荷、有电压调节时并网点电压和电网额定电压的仿真波形图，其中图5b中ku＝0.05，图5c中ku＝0.2；
图6为本发明的过电压试验平台；
图7a为第一实验工况下并网电流和并网点电压波形图；
图7b为第二实验工况下并网电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
由于分布式光伏电源接入的电网属于低压配电网，因此线路阻抗比R/X较大，有功功率对并网点电压的影响占主导地位，另外，分布式光伏逆变器一般都是以高功率因数并网，因此无功功率影响很小，可以忽略。
为了解决过电压问题，首先就要了解其产生的根本原因，下面就以附图1中单个大容量分布式光伏电源接入为研究对象，就过电压的产生原因进行分析：假定光伏逆变器以单位功率因数运行，只发出有功功率Ppv，则有：
Ppv＝Pload+P
其中，Ppv为光伏阵列输出功率，Pload为并网点负荷功率，P为主电源(电网)输出功率，那么因光伏出力、负荷因素引起的并网点电压Upcc变化关系见表1：
表1
由表1可知：
(1)当Ppv＜Pload时，光伏DG和主电源同时向负荷供电，则Upcc＜UN，此时不但不会产生过电压,而且对Upcc还有一定程度的改善；
(2)当Ppv＞Pload时，表明光伏发电大于负载消耗，则Upcc＞UN，此时并网点电压Upcc高于电网额定电压UN，亦即在光伏发电突然增加或负载突然减小引起Ppv＞Pload时，可能引起过电压。
本发明针对单个分布式光伏电源接入配电网后可能会引起的过电压现象，采用基于软件的P-U下垂过电压调节方法，将该功能添加在光伏并网逆变器中，使得在电网正常情况下，逆变器可以根据并网点的电压大小来自动调节出力，从而保证并网点电压在标准要求范围内。
下面结合附图2、图3、图4对本发明做进一步的详细说明。
如图2所示，整个过电压调节功能模块包括并网点电压检测、最大功率跟踪、并网点电压值分阶段判断子模块，实时检测并网点电压Upcc，并根据Upcc的大小调整当前并网逆变器的控制方式及其直流侧限制功率Plimit，具体实施步骤如下：
1)在并网逆变器启动前，首先检测并网点电压Upcc是否正常，如果正常则启动逆变器，并进行MPPT跟踪，随着直流侧功率的缓慢增加，同时不断检测并网点电压Upcc大小；
2)当Upcc≤kaUN时，其中UN为电网额定电压，ka为第一电压分段系数，这里ka取值为1.08，即Upcc≤1.08*UN，并网逆变器进行MPPT跟踪，Plimit等于当前参考功率Pref。
此时MPPT算法调用标志Flag_CallMppt置1，即继续MPPT跟踪；过压次数Number清0，以避免过电压保护，并存储当前直流侧功率Pref作为直流侧限制功率。
3)当kaUn＜Upcc＜kbUN时，kb为第二电压分段系数，这里取值为1.1，即1.08*Un＜Upcc＜1.1*UN，并网逆变器停止进行MPPT跟踪，Plimit等于当前参考功率Pref。
此时MPPT算法调用标志Flag_CallMppt置0，即停止MPPT跟踪；过压次数Number清0，以避免过电压保护，并存储当前直流侧功率Pref作为直流侧限制功率。
4)当Upcc≥kbUN时，即Upcc＞1.1*UN，并网逆变器停止进行MPPT跟踪，并运用P-U下垂方法对Plimit进行限制，以调节并网点电压Upcc。
此时MPPT算法调用标志Flag_CallMppt置0，即停止MPPT跟踪；过压次数Number加1，如果连续大于10次，就认为系统电压自身过压，逆变器进行过压停机保护；运用P-U下垂方法进行功率Plimit限制，以调节并网点电压Upcc。
该调节过程中，运用P-U下垂方法对Plimit进行限制的公式如下：
Plimit＝Pref-|ku|ΔU
其中，ku为下垂调节系数，ΔU＝Upcc-kbUN。
如图3a所示为P-U下垂调节区间示意图，横轴为时间t，纵轴为Upcc，①和②都为P-U下垂调节时间区间，结合表2所示的逆变器交流侧并网点电压对应的响应时间，从该图可以看出，当1.1UN＜Upcc＜1.35UN时，调节时间一般为2s；当Upcc≥1.35UN，调节时间为0.05s。
表2
逆变器交流侧并网点电压 最大跳闸时间
V＜0.5×V标称 0.1s
50％V标称≤V＜85％V标称 2.0s
85％V标称≤V≤110％V标称 继续运行
110％V标称＜V＜135％V标称 2.0s
135％V标称≤V 0.05s
图3b为P-U下垂分段调节折线区间图，横轴为Upcc，纵轴为Plimit，①区间表示正在进行MPPT跟踪，②区间表示MPPT停止跟踪，③区间表示P-U下垂分段调节，各区间段中Upcc与Plimit的关系满足如下公式：
其中ΔU＝Upcc-1.1*UN。
如图4a～4b为并网点无负荷时并网点电压Upcc与额定电压UN的仿真波形，由图可知，如果不对并网逆变器直流侧限制功率及电压进行调节，那么并网点电压Upcc会持续大于1.1*UN，如图4a所示；如果进行逆变器直流侧限制功率及电压调节，那么并网点电压Upcc在短时间内就会降至1.1*UN以下，避免出现过电压，如图4b所示。
如图5a～5c均为并网点有负荷、在0.2s时突切负荷时并网点电压Upcc与额定电压UN仿真波形，此时若不对并网逆变器进行调节，那么在0.2s后并网点电压Upcc会持续大于1.1*UN，如图5a所示；若此时对并网逆变器进行P-U下垂调节，则并网点电压Upcc在短时间内就会降至1.1*UN以下，避免出现过电压，并且下垂系数越大，调节的响应时间越快。
如图5所示为试验验证时所使用的过电压试验平台，该平台包括PV模拟器来模拟光伏电池板阵列，被测逆变器的交流端与主电源之间连接有两组负荷Load1、Load2，且通过开关K2来控制是否接入Load2，主线路上设有主控开关K1，具体试验过程如下：
试验工况1：闭合K1，K2，并网逆变器正常工作一段时间后断开K2，试验波形如图7a所示，负荷Load2切除后，并网点发生了过电压现象，并网逆变器进行下垂调节，大致1s后，Upcc满足标准要求的正常范围，逆变器继续并网运行。
试验工况2：闭合K1，K2，并网逆变器正常工作一段时间后断开K2，大致40s后再闭合K2，并网电流波形如图7b所示，负荷Load2再次投入后，逆变器进行P-U下垂调节，恢复MPPT跟踪，一段时间后功率达到最大。
本发明采用基于P-U下垂方法来实现过电压调节，将过电压调节功能植入到常规的光伏逆变器中，使其在电网正常情况下，除了具备并网逆变功能外，还能够根据并网点电压情况来自动调整自身出力以实现过电压调节，从而保证并网点电压在正常范围内，进而避免了分布式光伏电源接入配电网后因过电压而导致与电网解列，一定程度上提高了分布式光伏电源的渗透率，进一步保证了电网的安全稳定运行，提高了光伏发电量，同时为规模化的分布式光伏电源的建立提供了理论依据。
本发明对提出的P-U下垂算法进行了MATLAB仿真验证，并且最后又通过实际试验证明了方法的有效性，结果表明该方法简单实用，能够根据并网点电压大小与是否调用MPPT模块进行配合，自动进行功率调节。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的核心思想，不能以此限制本发明，对于本领域的技术人员，凡是依据本发明的思想，对本发明进行修改或者等同替换，在具体实施方式及应用范围上所做的任何改动，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，其特征在于，实时检测并网点电压Upcc，并根据Upcc的大小调整当前并网逆变器的控制方式及其直流侧限制功率Plimit，具体控制过程如下：
a、当Upcc≤kaUN时，其中ka为第一电压分段系数，UN为电网额定电压，并网逆变器进行MPPT跟踪，Plimit等于当前参考功率Pref；
b、当kaUn＜Upcc＜kbUN时，kb为第二电压分段系数，并网逆变器停止进行MPPT跟踪，Plimit等于当前参考功率Pref；
c、当Upcc≥kbUN时，并网逆变器停止进行MPPT跟踪，并运用P-U下垂方法对Plimit进行限制，以调节并网点电压Upcc；
所述过电压调节方法能够真实反映低压配电网或微电网中阻抗比较大的实际情况，能够针对任何单级式、两级式逆变器，所述直流侧限制功率Plimit为有功功率。
2.根据权利要求1所述的分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，其特征在于，当Upcc≥kbUN时，运用P-U下垂方法对Plimit进行限制的公式如下：
Plimit＝Pref-|ku|ΔU
其中，ku为下垂调节系数，ΔU＝Upcc-kbUN。
3.根据权利要求1或2所述的分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，其特征在于：第一电压分段系数为1.08，第二电压分段系数kb为1.1。
4.根据权利要求1所述的分布式光伏电源并网发电过电压调节方法，其特征在于：在并网逆变器启动前，首先检测并网点电压Upcc是否正常，如果正常则启动逆变器，并进行MPPT跟踪，同时不断检测并网点电压Upcc大小。
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