CN105226715A - 一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，由光伏阵列、储能系统、并网逆变器、换流器控制系统和逆变器制系统组成，所述储能系统由级联的蓄电池和DC/DC换流器组成；所述光伏阵列与储能系统并联后依次经直流测量元件、并网逆变器和交流测量元件接入交流电网；所述换流器控制系统的输入端接所述直流测量元件的输出端，其输出端接所述DC/DC换流器的输入端；所述逆变器控制系统的输入端接所述交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端。本发明能有效地降低成本，简化控制，而且在系统受到扰动的时候，提供必要的惯性，改善系统频率的暂态响应，提高频率质量。

Description

一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统

技术领域

本发明涉及一种单级式光伏并网控制系统，尤其是一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，属于供电控制技术领域。

背景技术

在能源需求和环境保护双重压力下，国际上已将更多目光投向了既可提高传统能源利用效率又能充分利用各种可再生能源的分布式发电相关技术领域。分布式发电系统中所用的能源包括天然气、太阳能、生物质能、氢能、风能、小水电等清洁能源。其中，太阳能由于其不可比拟的优势成为新能源之首选，尤其是太阳能应用中的光伏发电系统，越来受到全球各国的重视。

大容量光伏并网发电站是开发太阳能的一种重要形式，单级式光伏并网系统具有拓扑简单，成本较低等优点，而且研究高效、稳定、安全的单级式光伏并网逆变器是建立大容量光伏电站的技术基础。另外，通过分布式光伏系统向系统提供惯性，改善系统频率暂态响应，也正是分布式电源并网研究中的一项重要研究方向。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统。

本发明采用下述技术方案：

一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，包括光伏阵列、储能系统、并网逆变器、换流器控制系统和逆变器制系统，所述储能系统由级联的蓄电池和DC/DC换流器组成；所述光伏阵列与储能系统并联后依次经直流测量元件、并网逆变器和交流测量元件接入交流电网；所述换流器控制系统的输入端接所述直流测量元件的输出端，其输出端接所述DC/DC换流器的输入端；所述逆变器控制系统的输入端接所述交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端。

所述换流器控制系统使用电压修正值δv_PV时时修正所述光伏阵列的开路电压U_oc,产生功率最大值输出所需的电压参考值再将所述电压参考值送入电压电流PI控制器，由其产生控制所述DC/DC变流器的占空比d。

所述电压修正值δv_PV通过将零和最大功率点计算模块输出值的差值输入至PI控制器得到。

所述逆变器控制系统包括ω(s)-P控制模块、U-Q下垂控制模块、矢量控制模块和SPWM；所述ω(s)-P控制模块根据所述交流测量元件检测的电网侧频率ω和有功功率额定值P_n计算有功功率参考值所述U-Q下垂控制模块根据所述交流测量元件检测的电网侧电压U_g计算无功功率参考值所述矢量控制模块由所述有功功率参考值和无功功率参考值计算出调制电压并将所述调制电压输出至SPWM，所述SPWM的输出信号用于控制并网逆变器。

所述有功功率参考值和无功功率参考值的计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{PV}^{*}=P_n+\frac{{\mathrm{\ω}}_n-\mathrm{\ω}}{k_d\left(s\right)}\\ Q_{PV}^{*}=Q_n+\frac{U_n-U_g}{k_V}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k_d(s)为所述ω(s)-P下垂控制模块中的动态下垂系数，ω_n为频率额定值，U_n为电网电压额定值，P_n为有功功率额定值，Q_n为无功功率额定值，k_V为电压下垂系数。

所述有功功率额定值P_n的计算方法为：

P_n＝m·U'_m·I'_m(2)

其中m为光伏组件的并联数目；U'_m、I'_m分别为修正后的最大功率点电压和电流，其计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_m^{\′}=U_m(1-\mathrm{\γ}\mathrm{\Δ}T)ln(e+\mathrm{\β}\mathrm{\Δ}S)\\ I_m^{\′}=I_m\frac{S}{S_{nom}}(1+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，U_m、I_m分别为理想情况下光伏最大功率输出时所对应的电压和电流，S为光照强度，α为电流温度修正系数，β为电压辐照度修正系数，γ为电压温度修正系数，e为自然常数，S_nom为额定光照，ΔT为实际温度与额定温度之差，ΔS为实际光照和额定光照之差。

所述ΔT的计算方法为：

ΔT＝T_PV-T_nom(4)

式中T_PV为太阳能电池板的实际温度；T_nom为额定温度。

所述ΔS的计算方法为：

$\mathrm{\Δ}S=\frac{S}{S_{nom}}-1---\left(5\right)$

所述动态下垂系数k_d(s)通过对初始下垂系数k_w按照频率暂态响应输出的偏差量时时修正得到：

k_d(s)＝k_w+k_f·H(s)·(ω_ref-ω)(6)

其中，k_f为频率调节系数；ω_ref为频率参考值；H(s)为高通滤波环节：

H(s)＝st/(1+st)(7)

其中t为时间。

所述下垂控制的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_n-k_d\left(s\right)\left(P-P_n\right)\\ U=U_n-k_V\left(Q-Q_n\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，ω_n为频率额定值；U_n为电网电压额定值；k_d(s)、k_V分别为动态频率下垂系数以及电压下垂系数；Q_n为无功功率额定值；P_n为有功功率额定值，U为节点电压。

所述电压修正值δv_PV产生方法包括以下步骤：

步骤A：计算光伏系统输出功率：

P＝v_PVi_PV(10)

式中，v_PV、i_PV分别为光伏阵列输出端口的电压和电流；

步骤B：计算最大功率点计算模块的输出值：

dP/dv_PV＝i_PV+v_PV·(di_PV/dv_PV)(11)

步骤C：当dP/dv_PV＝0时，光伏阵列输出最大功率值，将零和最大功率点计算模块的输出值i_PV+v_PV·(di_PV/dv_PV)的差值输入至PI控制环节，输出电压修正值δv_PV。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明能有效地降低成本，简化控制，而且在系统受到扰动的时候，提供必要的惯性，改善系统频率的暂态响应，提高频率质量。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明中换流器控制系统的原理框图；

图3是本发明中换流器控制系统的控制流程图；

图4是本发明中逆变器控制系统的原理框图；

图5是本发明中逆变器控制系统的控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，由光伏阵列、储能系统、并网逆变器、换流器控制系统和逆变器制系统组成，所述储能系统由级联的蓄电池和DC/DC换流器组成；所述光伏阵列与储能系统并联后依次经直流测量元件、并网逆变器和交流测量元件接入交流电网；所述换流器控制系统的输入端接所述直流测量元件的输出端，其输出端接所述DC/DC换流器的输入端。

所述逆变器控制系统的输入端接所述交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端。

如图2和图3所示，所述换流器控制系统使用电压修正值δv_PV时时修正所述光伏阵列的开路电压U_oc,产生功率最大值输出所需的电压参考值再将所述电压参考值送入电压电流PI控制器，由其产生控制所述DC/DC变流器的占空比d；所述电压修正值δv_PV通过将零和最大功率点计算模块输出值的差值输入至PI控制器得到。

如图4和图5所示，所述逆变器控制系统包括ω(s)-P控制模块、U-Q下垂控制模块、矢量控制模块和SPWM；所述ω(s)-P控制模块根据所述交流测量元件检测的电网侧频率ω和有功功率额定值P_n计算有功功率参考值所述U-Q下垂控制模块根据所述交流测量元件检测的电网侧电压U_g计算无功功率参考值所述矢量控制模块由所述有功功率参考值和无功功率参考值计算出调制电压并将所述调制电压输出至SPWM，所述SPWM的输出信号用于控制并网逆变器。

所述有功功率参考值和无功功率参考值的计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{PV}^{*}=P_n+\frac{{\mathrm{\ω}}_n-\mathrm{\ω}}{k_d\left(s\right)}\\ Q_{PV}^{*}=Q_n+\frac{U_n-U_g}{k_V}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k_d(s)为所述ω(s)-P下垂控制模块中的动态下垂系数，ω_n为频率额定值，U_n为电网电压额定值，P_n为有功功率额定值，Q_n为无功功率额定值，k_V为电压下垂系数。

所述有功功率额定值P_n的计算方法为：

P_n＝m·U'_m·I'_m(2)

其中m为光伏组件的并联数目；U'_m、I'_m分别为修正后的最大功率点电压和电流，其计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_m^{\′}=U_m(1-\mathrm{\γ}\mathrm{\Δ}T)ln(e+\mathrm{\β}\mathrm{\Δ}S)\\ I_m^{\′}=I_m\frac{S}{S_{nom}}(1+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，U_m、I_m分别为理想情况下光伏最大功率输出时所对应的电压和电流，S为光照强度，α为电流温度修正系数，β为电压辐照度修正系数，γ为电压温度修正系数，e为自然常数，S_nom为额定光照，ΔT为实际温度与额定温度之差，ΔS为实际光照和额定光照之差。

所述ΔT的计算方法为：

ΔT＝T_PV-T_nom(4)

式中T_PV为太阳能电池板的实际温度；T_nom为额定温度。

所述ΔS的计算方法为：

$\mathrm{\Δ}S=\frac{S}{S_{nom}}-1---\left(5\right)$

所述动态下垂系数k_d(s)通过对初始下垂系数k_w按照频率暂态响应输出的偏差量时时修正得到：

k_d(s)＝k_w+k_f·H(s)·(ω_ref-ω)(6)

其中，k_f为频率调节系数；ω_ref为频率参考值；H(s)为高通滤波环节：

H(s)＝st/(1+st)(7)

其中t为时间。

所述下垂控制的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_n-k_d\left(s\right)\left(P-P_n\right)\\ U=U_n-k_V\left(Q-Q_n\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，ω_n为频率额定值；U_n为电网电压额定值；k_d(s)、k_V分别为动态频率下垂系数以及电压下垂系数；Q_n为无功功率额定值；P_n为有功功率额定值，U为节点电压。

所述电压修正值δv_PV产生方法包括以下步骤：

步骤A：计算光伏系统输出功率：

P＝v_PVi_PV(10)

式中，v_PV、i_PV分别为光伏阵列输出端口的电压和电流；

步骤B：计算最大功率点计算模块的输出值：

dP/dv_PV＝i_PV+v_PV·(di_PV/dv_PV)(11)

步骤C：当dP/dv_PV＝0时，光伏阵列输出最大功率值，将零和最大功率点计算模块的输出值i_PV+v_PV·(di_PV/dv_PV)的差值输入至PI控制环节，输出电压修正值δv_PV。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：包括光伏阵列、储能系统、并网逆变器、换流器控制系统和逆变器制系统，所述储能系统由级联的蓄电池和DC/DC换流器组成；所述光伏阵列与储能系统并联后依次经直流测量元件、并网逆变器和交流测量元件接入交流电网；所述换流器控制系统的输入端接所述直流测量元件的输出端，其输出端接所述DC/DC换流器的输入端；所述逆变器控制系统的输入端接所述交流测量元件的输出端，其输出端接所述并网逆变器的输入端。

2.根据权利要求1所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述换流器控制系统使用电压修正值δv_PV时时修正所述光伏阵列的开路电压U_oc,产生功率最大值输出所需的电压参考值再将所述电压参考值送入电压电流PI控制器，由其产生控制所述DC/DC变流器的占空比d。

3.根据权利要求2所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述电压修正值δv_PV通过将零和光伏阵列最大输出功率值的差值输入至PI控制器得到。

4.根据权利要求1所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述逆变器控制系统包括ω(s)-P控制模块、U-Q下垂控制模块、矢量控制模块和SPWM；所述ω(s)-P控制模块根据所述交流测量元件检测的电网侧频率ω和有功功率额定值P_n计算有功功率参考值所述U-Q下垂控制模块根据所述交流测量元件检测的电网侧电压U_g计算无功功率参考值所述矢量控制模块由所述有功功率参考值和无功功率参考值计算出调制电压并将所述调制电压输出至SPWM，所述SPWM的输出信号用于控制并网逆变器。

5.根据权利要求4所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述有功功率参考值和无功功率参考值的计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{PV}^{*}=P_n+\frac{{\mathrm{\ω}}_n-\mathrm{\ω}}{k_d\left(s\right)}\\ Q_{PV}^{*}=Q_n+\frac{U_n-U_g}{k_V}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，k_d(s)为所述ω(s)-P下垂控制模块中的动态下垂系数，ω_n为频率额定值，U_n为电网电压额定值，P_n为有功功率额定值，Q_n为无功功率额定值，k_V为电压下垂系数。

6.根据权利要求5所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述有功功率额定值P_n的计算方法为：

P_n＝m·U'_m·I'_m(2)

其中m为光伏组件的并联数目；U'_m、I'_m分别为修正后的最大功率点电压和电流，其计算方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_m^{\′}=U_m(1-\mathrm{\γ}\mathrm{\Δ}T)ln(e+\mathrm{\β}\mathrm{\Δ}S)\\ I_m^{\′}=I_m\frac{S}{S_{nom}}(1+\mathrm{\α}\mathrm{\Δ}T)\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，U_m、I_m分别为理想情况下光伏最大功率输出时所对应的电压和电流，S为光照强度，α为电流温度修正系数，β为电压辐照度修正系数，γ为电压温度修正系数，e为自然常数，S_nom为额定光照，ΔT为实际温度与额定温度之差，ΔS为实际光照和额定光照之差。

所述ΔT的计算方法为：

ΔT＝T_PV-T_nom(4)

式中T_PV为太阳能电池板的实际温度；T_nom为额定温度。

所述ΔS的计算方法为：

$\mathrm{\Δ}S=\frac{S}{S_{nom}}-1---\left(5\right)$

7.根据权利要求5所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述动态下垂系数k_d(s)通过对初始下垂系数k_w按照频率暂态响应输出的偏差量时时修正得到：

k_d(s)＝k_w+k_f·H(s)·(ω_ref-ω)(6)

其中，k_f为频率调节系数；ω_ref为频率参考值；H(s)为高通滤波环节：

H(s)＝st/(1+st)(7)

其中t为时间。

8.根据权利要求5所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述下垂控制的表达式为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\ω}={\mathrm{\ω}}_n-k_d\left(s\right)\left(P-P_n\right)\\ U=U_n-k_V\left(Q-Q_n\right)\end{array}\right.---\left(8\right)$

式中，ω_n为频率额定值；U_n为电网电压额定值；k_d(s)、k_V分别为动态频率下垂系数以及电压下垂系数；Q_n为无功功率额定值；P_n为有功功率额定值，U为节点电压。

9.根据权利要求2所述的改善频率动态响应的单级式光伏并网控制系统，其特征在于：所述电压修正值δv_PV产生方法包括以下步骤：

步骤A：计算光伏系统输出功率：

P＝v_PVi_PV(10)

式中，v_PV、i_PV分别为光伏阵列输出端口的电压和电流；

步骤B：计算最大功率点计算模块的输出值：

dP/dv_PV＝i_PV+v_PV·(di_PV/dv_PV)(11)

步骤C：当dP/dv_PV＝0时，光伏阵列输出最大功率值，将零和最大功率点计算模块的输出值i_PV+v_PV·(di_PV/dv_PV)的差值输入至PI控制环节，输出电压修正值δv_PV。