CN107482674B - 用于分布式发电系统的并网点电压升抑制方法 - Google Patents

用于分布式发电系统的并网点电压升抑制方法 Download PDF

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Abstract

一种用于分布式发电系统的并网点电压升抑制方法，基于并网点电压和输出有功功率，采用三段式无功功率控制，本发明综合考虑并网点电压及逆变器输出有功功率，最终确定所吸收无功功率值，动态实时地实现对分布式发电系统并网点电压的控制。本发明适用于高密度多接入点分布式发电系统。

Description

用于分布式发电系统的并网点电压升抑制方法
技术领域
本发明涉及一种分布式发电系统并网点电压升抑制方法。
背景技术
随着气候变暖、能源危机问题的日益突出，可再生能源已成为发展趋势，其中太阳能光伏发电是可再生能源利用的重要形式。大规模的光伏发电系统并网运行，有可能引起潮流逆流的问题，导致光伏发电系统公共连接点(PCC)电压升高或过电压。电压升高问题在高密度多接入点分布式发电系统低压网络尤其突出。电压升高不仅影响当地负荷的供电质量，同时增大了变压器和线路等的输配电设备损耗，造成系统过载，而且限制了PCC接入更多的光伏发电系统，影响光伏发电系统渗透率。
目前常用的抑制电压升的本地无功功率控制策略包括固定功率因数法、有功功率-功率因数法
Figure BDA0001359266530000011
和稳态电压幅值-无功功率法(Q(U))，这些方法都是通过一个常数或者一阶分段函数来确定的，在逆变器控制器中实现起来简单，但是每种方法都存在不足之处。采用固定功率因数法，逆变器吸收的无功功率与发出的有功功率成一定的比例，当发出的有功功率很小时，产生过电压的可能性很小，在这种情况下无功功率控制是没有必要的，还会导致额外的网络损耗。
Figure BDA0001359266530000012
方法通过采用分段函数解决了固定因数法的不足。固定功率因数法和
Figure BDA0001359266530000013
方法都是根据测量的得到的有功功率值间接实现并网点电压支撑，都是假定电网电压升高与逆变器发出的有功功率有关，而没有考虑负荷的变化。然而，当本地负荷需求很大，与逆变器输出的有功功率相当时，并网点电压不会超出限定值，这种情况下采用Q(U)方法更合适。当采用Q(U)方法时变压器附近的逆变器吸收的无功功率可以忽略，因为这些点电压升高不明显。但其实当线路末端其它并网点电压超过限定值时，变压器附近的逆变器也应该帮助吸收一定的无功功率，这种情况下
Figure BDA0001359266530000014
方法更合适。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提出一种分布式发电系统并网点电压升抑制方法。本发明适用于高密度多接入点分布式发电系统。本发明综合考虑并网点电压及逆变器输出有功功率，最终确定所吸收的无功功率值，不需要增加额外的设备，在保证光伏系统发电量的同时，对并网点电压进行有效支撑。
应用本发明分布式发电系统并网点电压升抑制方法的三相逆变器，包括逆变器主电路部分和逆变器控制电路部分。逆变器控制电路部分向逆变器主电路部分的三相逆变桥发出触发信号，控制三相逆变桥中的开关器件。所述的逆变器主电路部分包括直流母线电源、三相逆变桥、三相滤波电感、三相滤波电容和三相变压器。逆变器控制电路部分包括采样单元、控制单元及驱动单元，三者顺序依次连接。采样单元采集逆变器主电路部分的电压、电流信号作为控制单元的输入，经过控制单元的处理得到相应的驱动信号，驱动逆变器主电路部分的三相逆变桥。所述的采样单元包括并网点电压、逆变器输出电流、直流母线电源的直流电压和电流的采样电路，采样电路由采样电阻及霍尔传感器组成。控制单元包括锁相环单元、最大功率跟踪单元、Clark变换单元、Park变换单元、无功指令生成单元、电流控制单元以及PWM生成单元。
所述的逆变器主电路部分中，直流母线电源接于三相逆变桥的直流输入测，三相逆变桥的交流输出侧连接于三相滤波电感的一侧，三相滤波电感的另一侧连接三相滤波电容，三相滤波电容的另一侧连接三相变压器的原边，变压器的副边接连接电网。三相滤波电容采用Y型连接法。
本发明分布式发电系统并网点电压升抑制方法采用如下技术方案：
所述逆变器控制电路部分的采样单元采集并网点电压、逆变器输出电流及直流母线电源的直流电压和电流，传送到控制单元。并网点电压作为锁相环单元的输入，锁相环单元的输出为电网电压的相位角θ和并网点电压标幺值Um。逆变器输出电流作为Clark变换单元的输入，Clark变换单元的输出作为Park变换单元的输入，Park变换单元的输出为输出电流的d轴分量id和d轴分量iq。直流母线电源的直流电压和电流作为最大功率跟踪单元的输入，最大功率跟踪单元的输出为有功电流的给定值idref。并网点电压标幺值Um和输出电流d轴分量id作为无功指令生成单元的输入，无功指令生成单元的输出为无功电流的给定值iqref。有功电流的给定值idref与输出电流的d轴分量id作差，无功电流的给定值iqref与输出电流的q轴分量iq作差，将两个作差的结果作为电流控制单元的输入。电流控制单元的输出作为dq/αβ变换单元的输入，dq/αβ变换单元的输出端连接PWM生成单元的输入端。电流控制单元输出的电流信号经dq/αβ变换单元变换，送至PWM生成单元，经PWM生成单元产生PWM信号，该PWM信号送至逆变器主电路部分的驱动单元，作为驱动单元的输入，经驱动单元输出至三相逆变桥，驱动三相逆变桥的开关管动作。电流控制单元均采用PI控制器，实现对给定电流值的无差跟踪。
逆变器控制电路部分的无功指令生成单元根据并网点电压和输出有功功率确定逆变器功率因数，进而确定无功电流的给定值iqref，具体步骤如下：
1、由逆变器控制电路部分的锁相环单元得到的并网点电压标幺值Um，确定逆变器功率因数的最小阈值PFmin，逆变器功率因数的最小阈值PFmin用于确定逆变器功率因数PF与输出有功功率Pm的一阶分段函数的斜率。
逆变器功率因数的最小阈值PFmin与并网点电压标幺值Um的关系如下：
当1.0p.u<Um≤1.05p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝1.0；
当1.05p.u<Um≤1.08p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝0.95；
当Um>1.08p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝0.9。
2、根据逆变器控制电路部分的Park变换单元得到的输出电流的d轴分量id，经过归一化，得到输出有功功率的标幺值Pm，然后根据输出有功功率的标幺值Pm的大小将逆变器功率因数计算分成三段：
当Pm≤0.5时，逆变器功率因数取PF＝1.0；
当0.5<Pm≤1.0时，逆变器功率因数取
Figure BDA0001359266530000031
此一阶线性函数的斜率取决于步骤1计算得到的逆变器功率因数的最小阈值PFmin，PFmin越小，斜率就越大；
当Pm>1.0时，逆变器功率因数取PF＝PFmin。
3、根据步骤2得到的逆变器功率因数PF以及最大功率跟踪单元输出的有功电流的的给定值idref，通过下式得到无功电流的给定值iqref：
Figure BDA0001359266530000032
则逆变器吸收的无功功率Q为：
Q＝ed×iqref
其中ed为并网点电压的d轴分量。
本发明通过逆变器控制电路部分的电流控制单元的闭环控制，一方面使并网逆变器发出一定的有功功率，实现并网发电的主要功能；另一方面使并网逆变器吸收一定的无功功率，将并网点电压控制在合理范围。
本发明能够使并网逆变器在不影响并网发电功能的前提下抑制并网点电压升高。当分布式发电系统并网点电压升高时，可以快速对并网点电压进行调节，使其满足电能质量要求，这不仅可以提高光伏发电的并网渗透率，而且可以有效改善电能质量，增强高密度多接入点分布式发电系统的可靠性和稳定性。
本发明分布式发电系统并网点电压升抑制方法，一方面不需要安装额外的电压补偿设备，而是直接利用并网逆变器本身对电压进行调节；另一方面，本发明避免了常规无功功率控制方法仅根据一维变量并网点电压或输出有功功率确定吸收无功功率值的缺陷，综合考虑并网点电压及输出有功功率最终确定所吸收无功功率值，动态实时地实现对分布式发电系统并网点电压的控制。
附图说明
图1逆变器基本结构图；
图2逆变器控制结构图；
图3锁相环原理图；
图4a由并网点电压确定逆变器功率因数的最小阈值PFmin；
图4b由输出有功功率确定逆变器功率因数PF；
图5a未采取电压升抑制方法时1号逆变器并网点电压；
图5b未采取电压升抑制方法时2号逆变器并网点电压；
图6a采取电压升抑制方法后1号逆变器并网点电压；
图6b采取电压升抑制方法后2号逆变器并网点电压。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施方式进一步说明本发明。
应用本发明分布式发电系统并网点电压升抑制方法的三相逆变器结构如图1所示：包括逆变器主电路部分10和逆变器控制电路部分20。并网点电压、逆变器输出电流及直流电压、电流信号通过采样电路201进入逆变器控制电路部分20，逆变器控制电路部分20计算得出的PWM控制信号经过驱动电路204控制逆变器主电路。
所述的逆变器主电路部分10包括直流母线电源Vdc、三相逆变桥101、三相滤波电感102、三相滤波电容103和三相变压器104。直流母线电源Vdc经过三相逆变桥101逆变输出得到三相交流电压，三相交流电压经过由三相滤波电感102和三相滤波电容103构成的滤波环节后，再连接到三相变压器104的低压侧，三相变压器的高压侧连接到电网。
所述的逆变器控制电路部分20主要包括采样单元201、控制单元202及驱动单元203。其中采样单元201包括并网点电压、逆变器输出电流及直流电压、电流的采样电路；控制单元202包括锁相环单元、最大功率跟踪单元、Clark变换单元、Park变换单元、无功指令生成单元、电流控制单元以及PWM生成单元。
采样单元201依次采集并网点电压、逆变器输出电流以及直流电压、电流信号，送入控制单元202，经过相应的运算后生成PWM控制信号，PWM控制信号经过驱动单元203处理之后得到驱动信号，控制逆变器主电路部分10的三相逆变桥。
逆变器运行时，通过逆变器控制电路部分20的采样单元对并网点电压、逆变器输出电流及直流母线电源的直流电压和电流进行采样，分别得到并网点电压ea、eb、ec，逆变器输出电流ia、ib、ic，直流电压Vdc和直流电流Idc；将并网点电压ea、eb、ec作为逆变器控制电路部分20的锁相环单元的输入，则可以得到电网电压的相位角θ和并网点电压标幺值Um。锁相环单元采用同步旋转坐标系锁相环SRF-PLL，其原理如图3所示。Clark变换矩阵Tαβ和Park变换矩阵Tdq的表达式为：
Figure BDA0001359266530000051
Figure BDA0001359266530000052
其中θ为电网电压的相位角。
根据所得到的电网电压的相位角θ、采样得到的逆变器输出电流ia、ib、ic，经过逆变器控制电路部分20的Clark变换单元及Park变换单元，可得到输出电流的d轴分量id和d轴分量iq，如图2所示。有功电流指令idref由最大功率跟踪单元产生。最大功率跟踪单元采用扰动观察法与固定电压法相结合的控制方法。在逆变器开始运行后的一小段时间内采用固定电压法，将直流电压的参考值设计为启动之初光伏阵列开路电压的0.9倍。当直流母线的电压Vdc达到参考值之后，再经过1-2秒的稳定运行，开启扰动观察法，将直流电压的参考值减小一个步长，计算逆变器输出功率的变化，如果逆变器输出功率增大，直流电压的参考值再减小一个步长，如果逆变器的输出功率还继续增大，则继续将直流电压的参考值减小一个步长，如果此时逆变器的输出功率减小，则将直流电压的参考值增加一个步长。如此不断扰动，反复计算及比较，逆变器便能实现最大功率跟踪。
本发明分布式发电系统并网点电压升抑制方法，根据并网点电压和输出有功功率确定逆变器功率因数，进而确定无功电流的给定值iqref，这个过程由逆变器控制电路部分20的无功指令生成单元完成，原理如图4a和图4b所示，具体步骤如下：
1、由锁相环单元得到的并网点电压标幺值Um确定逆变器功率因数的最小阈值PFmin，此最小值用来确定逆变器功率因数PF与输出有功功率Pm的一阶分段函数的斜率。当1.0p.u<Um≤1.05p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝1.0；当1.05p.u<Um≤1.08p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝0.95；当Um>1.08p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝0.9。
2、根据Park变换单元得到的输出电流的d轴分量id，经过归一化，得到输出有功功率的标幺值Pm，然后根据有功功率的标幺值Pm的大小计算逆变器功率因数：
当Pm≤0.5时，逆变器功率因数取PF＝1.0；
当0.5<Pm≤1.0时，逆变器功率因数取
Figure BDA0001359266530000061
此一阶线性函数的斜率取决于步骤1计算得到的逆变器功率因数的最小阈值PFmin，PFmin越小，斜率就越大；
当Pm>1.0时，逆变器功率因数取PF＝PFmin。
3、根据步骤2得到的逆变器功率因数PF以及最大功率跟踪单元输出的有功电流的的给定值idref，通过下式得到无功电流的给定值：
Figure BDA0001359266530000062
无功电流的给定值生成后，再根据图2所示，将有功电流的给定值idref和无功电流的给定值iqref，分别与id、iq作差，得出二者的差值iderr和iqerr：
Figure BDA0001359266530000063
将差值iderr、iqerr作为电流控制单元的输入，电流控制单元的输出作为dq/αβ变换单元的输入，dq/αβ变换单元的输出接到PWM生成单元的输入端，电流控制单元的输出经dq/αβ变换单元变换后，经PWM生成单元产生PWM信号，该PWM信号作为驱动电路的输入，经驱动电路输出至逆变器主电路部分10的三相逆变桥，驱动三相逆变桥的开关管动作，实现对并网逆变器的控制。
当有两台三相逆变器并网运行时，1号逆变器接近电网，2号逆变器在线路末端。当不采取任何电压升抑制方法时，两台逆变器并网点电压如图5a和图5b所示，两台逆变器同时运行时，并网点电压都明显升高，特别是线路末端的2号逆变器并网点电压远超过1.1倍额定电压的要求。采取本发明分布式发电系统并网点电压升抑制方法后，在同样的条件下运行，得到的并网点电压如图6a和图6b所示，在保证输出有功功率不降低的情况下，将并网点电压有效控制在1.1倍额定电压的范围内。

Claims (2)

1.一种用于分布式发电系统的并网点电压升抑制方法，所述的分布式发电系统的三相逆变器，包括逆变器主电路部分和逆变器控制电路部分；逆变器控制电路部分向逆变器主电路部分的三相逆变桥发出触发信号，控制三相逆变桥中的开关器件；所述的逆变器主电路部分包括直流母线电源、三相逆变桥、三相滤波电感、三相滤波电容和三相变压器；逆变器控制电路部分包括采样单元、控制单元及驱动单元，三者顺序依次连接；采样单元采集逆变器主电路部分的电压、电流信号作为控制单元的输入，经过控制单元的处理得到相应的驱动信号，驱动逆变器主电路部分的三相逆变桥；所述的采样单元包括并网点电压、逆变器输出电流、直流母线电源的直流电压及直流电流的采样电路；控制单元包括锁相环单元、最大功率跟踪单元、Clark变换单元、Park变换单元、无功指令生成单元、电流控制单元以及PWM生成单元，
其特征在于：所述的逆变器控制电路部分中，采样单元采集并网点电压、逆变器输出电流及直流母线电源的直流电压和电流，传送到控制单元；所述的并网点电压作为锁相环单元的输入，锁相环单元的输出为电网电压的相位角θ和并网点电压标幺值Um；逆变器输出电流作为Clark变换单元的输入，Clark变换单元的输出作为Park变换单元的输入，Park变换单元的输出为输出电流的d轴分量id和q轴分量iq；直流母线电源的直流电压和电流作为最大功率跟踪单元的输入，最大功率跟踪单元的输出为有功电流的给定值idref；并网点电压标幺值Um和输出电流d轴分量id作为无功指令生成单元的输入，无功指令生成单元的输出为无功电流的给定值iqref；有功电流的给定值idref与输出电流的d轴分量id作差，无功电流的给定值iqref与输出电流的q轴分量iq作差，将两个作差的结果作为电流控制单元的输入；电流控制单元的输出作为dq/αβ变换单元的输入，dq/αβ变换单元的输出端连接PWM生成单元的输入端，电流控制单元输出的电压信号经dq/αβ变换单元变换，送至PWM生成单元，经PWM生成单元产生PWM信号，该PWM信号送至逆变器主电路部分的驱动单元，作为驱动单元的输入，经驱动单元输出至三相逆变桥，驱动三相逆变桥的开关管动作。
2.根据权利要求1所述的并网点电压升抑制方法，其特征在于：所述的无功指令生成单元根据并网点电压和输出有功功率确定逆变器功率因数，确定无功电流的给定值iqref，步骤如下：
(1)由锁相环单元得到的并网点电压标幺值Um确定逆变器功率因数的最小阈值PFmin，此逆变器功率因数的最小阈值PFmin用来确定逆变器功率因数PF与输出有功功率Pm的一阶分段函数的斜率；当1.0p.u＜Um≤1.05p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝1.0；当1.05p.u＜Um≤1.08p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝0.95；当Um＞1.08p.u时，逆变器功率因数的最小阈值PFmin＝0.9；
(2)根据所述Park变换单元得到的输出电流的d轴分量id，经过归一化，得到输出有功功率的标幺值Pm，然后根据输出有功功率标幺值Pm的大小将逆变器功率因数PF分成三段：
当Pm≤0.5时，逆变器功率因数取PF＝1.0；
当0.5<Pm≤1.0时，逆变器功率因数取
Figure FDA0002239605000000021
此一阶线性函数的斜率取决于步骤(1)计算得到的逆变器功率因数的最小阈值PFmin，最小阈值PFmin越小，斜率便越大；
当Pm＞1.0时，逆变器功率因数取PF＝PFmin；
(3)根据步骤(2)得到的逆变器功率因数PF及最大功率跟踪单元输出的有功电流给定值idref，通过下式得到无功电流的给定值iqref：
Figure FDA0002239605000000022
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