CN107645166A - 一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置及其控制方法，装置包括串联变压器，串联变换器，并联变换器，直流母线电容，boost变换器和光伏阵列。当电网电压降低时，启用复功率控制法，串联变换器可以为负载提供有功功率和无功功率；当电网电压正常时及电网电压升高，串联变换器工作在整流状态，并联变换器工作在逆变状态，直流母线电容处于充电状态；当电网电压下降，串联变换器随电网电压跌落程度加深而分别工作于整流状态和逆变状态，直流母线电容随跌落程度加深而处于充电状态和放电状态，并联变换器随电网电压跌落程度加深而分别工作于逆变状态和整流状态；电网电压中断时，光伏阵列通过boost变换器连接到直流母线向负载提供功率。
Description
技术领域
本发明涉及电能质量治理领域，尤其涉及一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置及其控制方法。
背景技术
现今电力系统对可再生能源装置的需求越来越多，特别是在低压配电系统中。这是导致可再生能源系统的渗透率增加的原因。这些功率电子负载虽然能量效率高，但是将谐波电流注入到电网中，引起在公共耦合点(Point of Common Coupling，PCC)处的失真。此外，有些电力电子负载对电压的干扰敏感，在弱分配系统中，由于清洁能源(如风能和太阳能)的间歇性，导致PCC电压波动从而影响敏感的电力负载，例如可调速驱动器，照明系统等，这可能导致频繁跳闸、误操作，影响电力系统稳定运行以及带来经济成本问题。
统一电能质量调节装置(Unified Power Quality Conditioner，UPQC)可以实现负载电压调节以及电网电能质量的改进，能够解决PCC侧电源质量问题。但常规UPQC的串联变换器在额定电压条件下处于空闲状态。
综上所述，有必要发明一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置，以解决现有电能质量以及统一电能质量调节方面存在的诸多问题。
发明内容
针对现有技术中存在的改善传统UPQC串联变换器利用率低、不能在电压中断时长时间供电的问题，本发明提供一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置及其控制方法。
为实现上述目标，本发明提供如下技术方案：
一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置，其组成器件包括：
串联变压器，一次侧串联于在电网与负载之间，二次侧与串联变换器相连，起到串接电网与串联变换器以及隔离串、并联变换器的功能；
串联变换器，通过串联变压器接入电网远离负载的一侧，直流母线与其并联；作为正弦电流源运行，能够为负载提供有功功率与无功功率，通过控制串联变换器，能够实现控制供电主通道的电流值功能以及稳定直流母线电压；
并联变换器，一端与串联变换器共用直流母线，另一端与负载并联；作为正弦电压源运行，能够为负载提供有功功率与无功功率，通过控制并联变换器，能够实现控制负载两端的电压值始终为给定的额定值；
直流母线电容，与串联变换器和并联变换器并联；用于维持直流侧电压，补偿负载无功功率；
boost变换器，用于连接光伏阵列与直流母线电容；由于光伏电池电压较低通过将boost变换器向统一电能质量调节装置提供功率，控制boost变换器能够实现光伏电池恒压输入；
光伏电池阵列，经boost变换器并联于直流母线，光伏电池可以为负载提供一部分功率，以节省电网的能源；为保证串联变换器的传输效率，其传输的功率设计为不超过负载功率的30％；如果电网发生电压中断，可以通过并联逆变器为负载提供所需的全部功率。
本发明一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置的工作过程如下：
1.当电网电压降低时，启用复功率控制法，串联变换器可以为负载提供有功功率和无功功率，从而提高串联变换器的利用效率；
2.当电网电压正常时及电网电压升高，为保证串联变换器的利用率不采用复功率控制方法，此时串联变换器工作在整流状态，并联变换器工作在逆变状态，直流母线电容处于充电状态；
3.当电网电压下降，串联变换器随电网电压跌落程度加深而分别工作于整流状态和逆变状态，直流母线电容随跌落程度加深而处于充电状态和放电状态，并联变换器随电网电压跌落程度加深而分别工作于逆变状态和整流状态；
4.电网电压中断时，光伏阵列通过boost变换器连接到直流母线向负载提供功率，boost变换器控制光伏电池恒压输入。
所述一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置的控制方法，该方法包括如下内容：
(1)为避免电网电压畸变的影响并且能够准确获取电网电压的正序基波分量，使用广义级联延迟信号消除(GCDSC)的方法来提取所需正序基波分量；通过广义延迟信号消除(GDSC)技术，设计变换使电压基波正序分量具有统一的增益通过滤波器，并滤除正序和负序的谐波；
当电压信号不平衡和畸变时，Uαβ可表示为：
式中h次谐波空间矢量的瞬时相角 为初始相角，谐波次数h＝±1,±2...±H；
原始矢量延迟T/n个周期，得到延迟矢量θn是延迟T/n后滞后的角度，θn＝hω×T/n＝2πh/n；用延迟矢量乘以旋转因子得到旋转矢量结合原始矢量组成一个延迟信号消除(DSC)模型：
定义为谐波增益矢量，A为增益幅值，为相角，有
当θn+θr＝2kπ,k＝0,±1,±2...时，谐波幅值增益A＝1；θn+θr＝(2k+1)π,k＝0,±1,±2...时，A＝0，由此可见，选择合适的n和θr，即可决定h次谐波经过DSC模型的幅值增益和相角增益；为计算简单，选择θr＝-2πh*/n,h*为用户设定的目标谐波次数，而所述集成光伏的新型统一电能质量调节装置用于提取基波，所以h*选为1；
当h*选为1时，增益矢量为
由于PCC电压中谐波含量未知，所以采用级联DSC模型，选取N＝2,4,8,16,32五个延迟信号运算模块；
(2)负载的电压与电流通过Park变换以及瞬时功率计算之后，分别用于作为串联变换器给定电压和并联变换器给定电流的计算；
pL＝uLdiLd+uLqiLq (5)
qL＝uLdiLd+uLqiLq (6)
其中，电压pL和qL分别为负载的有功功率和无功功率，uLd、iLd是负载电压、电流经过dq分解的d轴分量，uLq、iLq是负载电压、电流经过dq分解的q轴分量；
(3)串联变换器除在PCC点电压发生变化时保护敏感负载，在电压不发生变化的时候，也能为负载提供其所需的无功功率，因此提高了串联变换器的利用率，降低了并联变换器的额定容量，同时也有维持直流母线电压的功能；
(4)控制传统UPQC并联变换器的目的是防止负载不平衡电流、谐波电流与无功电流对电网的干扰，集成光伏发电的复功率控制下的UPQC(简称UPQC-S)不仅能够实现上述功能，还能够将光伏阵列输出的有功功率注入电网，兼具维持直流母线电压的功能；并联变换器的给定值与电网电压幅值、电网相位以及UPQC-S控制角有关，通过PCC点电压经由广义级联延迟信号消除锁相环(GCDSC-PLL)可得到电压基波正序分量的幅值与电网的相位，由此得到K(K＝1/k)，将K做向下取整运算，得到Kd；由于PCC点电压暂升时，电流会下降，此时串联变换器要补偿相同无功功率就需要输出更高的电压；相比于电压暂降的情况，电压暂升出现的几率非常小，所以当电压发生暂升时，系统工作在有功功率控制下的UPQC(简称UPQC-P)的模式；
而γ角在PCC点电压正常时的为：
当PCC点电压发生变化时，上式被修正为：
其中，k＝US/UL *，Qse为串联变换器输出的无功功率，Kd与式(8)分子相乘可以实现电压暂升时，串联变换器不参与无功补偿的功能；
(5)通过boost变换器，实现光伏电池的恒压输出，从而保证直流母线的电压不变。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：
本发明装置能够实现增加串联变换器的利用率，同时减少了并联变换器上的负担；通过使用上述本发明的控制方法，能够降低并联变换器的额定容量，提高其寿命，从而降低成本；此外，由于光伏电池集成在UPQC的直流母线上，为负载提供了清洁能源，减少了对供电系统的需求，达到环保的目的；另外，当电网电压中断时，本发明装置可以作为UPS的使用，提高了供电系统的稳定性。
附图说明
图1为新型UPQC的结构示意图；
图2为新型UPQC在电网电压正常时的控制策略向量图；
图3为新型UPQC在电网电压变化时的控制策略向量图；
图4为DSC空间矢量图；
图5为DSC模块结构图；
图6为GCDSC模块结构图；
图7为负载计算模块框图；
图8为并联变换器控制给定值的计算框图；
图9为串联变换器给定值计算的计算框图；
图10为Boost电路控制示意图；
图11是所述一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置的控制方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置，其结构示意图如图1所示，所述装置组成器件包括：
串联变压器，一次侧串联于在电网与负载之间，二次侧与串联变换器相连，起到串接电网与串联变换器以及隔离串、并联变换器的功能
串联变换器，通过串联变压器接入电网远离负载的一侧，直流母线与其并联；作为正弦电流源运行，能够为负载提供有功功率与无功功率，通过控制串联变换器，能够实现控制供电主通道的电流值功能以及稳定直流母线电压；
并联变换器，一端与串联变换器共用直流母线，另一端与负载并联；作为正弦电压源运行，能够为负载提供有功功率与无功功率，通过控制并联变换器，能够实现控制负载两端的电压值始终为给定的额定值；
直流母线电容，与串联变换器和并联变换器并联；用于维持直流侧电压，补偿负载无功功率；
boost变换器，用于连接光伏阵列与直流母线电容；由于光伏电池电压较低通过boost变换器向UPQC系统提供功率，控制boost变换器能够实现光伏电池恒压输入；
光伏电池阵列，经boost变换器并联于直流母线，光伏电池可以为负载提供一部分功率，以节省电网的能源；为保证串联变换器的传输效率，其传输的功率设计为不超过负载功率的30％；如果电网发生电压中断，可以通过并联逆变器为负载提供所需的全部功率。
下面结合图2和图3说明本发明的控制原理：
(1)当电压正常时，设负载功率角为电网电压与负载电压幅值相等即相位差角为γ，负载电流在UPQC-P和UPQC-S控制下的电流为光伏电池经并联变换器为负载提供的电流Ipv，满足串联变换器的输出电压为：
串联变换器吸收的有功功率和无功功率分别为：
并联变换器的输出电流为：
设则 且
并联变换器吸收的有功功率和无功功率分别为：
(1)当电压暂降时，维持Ipv保持不变，当US下降k倍时，IS升高到IS/k，此时串联变换器的输出电压计算与式(9)相同。
串联变换器吸收的有功功率：
并联变换器的输出电流和功率：
设则 且
并联变换器输出的有功功率和无功功率分别为：
下面结合图4—11说明本发明的控制方法：
一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置的控制方法，其流程图如图11所示，该控制方法内容的如下：
(1)为避免电网电压畸变的影响并且能够准确获取电网电压的正序基波分量，使用广义级联延迟信号消除(GCDSC)的方法来提取所需正序基波分量。通过广义延迟信号消除(GDSC)技术，可以设计变换使电压基波正序分量具有统一的增益从而可以通过滤波器，而正序和负序的谐波均被滤除。
当电压信号不平衡和畸变时，Uαβ可表示为
式中h次谐波空间矢量的瞬时相角 为初始相角，谐波次数h＝±1,±2...±H。
DSC的空间矢量图如图4所示，原始矢量延迟T/n个周期，得到延迟矢量θn是延迟T/n后滞后的角度，θn＝hω×T/n＝2πh/n。延迟矢量乘以旋转因子得到旋转矢量结合原始矢量可以组成一个DSC模型：
定义为谐波增益矢量，A为增益幅值，为相角，有
当θn+θr＝2kπ,k＝0,±1,±2...时，谐波幅值增益A＝1；θn+θr＝(2k+1)π,k＝0,±1,±2...时，A＝0，由此可见，选择合适的n和θr，即可决定h次谐波经过DSC模型的幅值增益和相角增益。为计算简单，选择θr＝-2πh*/n,h*为用户设定的目标谐波次数，而所述集成光伏的新型统一电能质量调节用于提取基波，所以h*选为1，DSC结构框图如图5所示；
当h*选为1时，增益矢量为
由于PCC电压中谐波含量未知，所以采用级联DSC模型，选取N＝2,4,8,16,32五个延迟信号运算模块，如图6所示。
(2)负载瞬时有功功率和无功功率计算如图7所示，通过Park变换以及瞬时功率计算之后，，分别用于作为串联变换器给定电压和并联变换器给定电流的计算；
pL＝uLdiLd+uLqiLq (29)
qL＝uLdiLd+uLqiLq (30)
其中，电压pL和qL分别为负载的有功功率和无功功率，uLd、iLd是负载电压、电流经过dq分解的d轴分量，uLq、iLq是负载电压、电流经过dq分解的q轴分量。
(3)串联变换器除了在PCC点电压发生变化时保护敏感负载，在电压不发生变化的时候，也能为负载提供其所需的无功功率，因此提高了串联变换器的利用率，降低了并联变换器的额定容量，同时也有维持直流母线电压的功能，串联变换器控制器设计如图8所示；
(4)控制传统UPQC并联变换器的目的是防止负载不平衡电流、谐波电流与无功电流对电网的干扰，集成光伏发电的UPQC-S系统不仅能够实现上述功能，还能够将光伏阵列输出的有功功率注入电网，兼具维持直流母线电压的功能；并联变换器的给定值与电网电压幅值、电网相位以及UPQC-S控制角有关，通过PCC点电压经由GCDSC-PLL可得到电压基波正序分量的幅值与电网的相位，由此得到K(K＝1/k)，将K做向下取整运算，得到Kd；由于PCC点电压暂升时，电流会下降，此时串联变换器要补偿相同无功功率就需要输出更高的电压；相比于电压暂降的情况，电压暂升出现的几率非常小，所以当电压发生暂升时，系统工作在UPQC-P的模式，并联变换器控制给定值的计算如图9所示；
而γ角在PCC点电压正常时的为：
当PCC点电压发生变化时，上式被修正为：
其中，k＝US/UL *，Kd与式(32)分子相乘可以实现电压暂升时，串联变换器不参与无功补偿的功能。
(5)通过boost变换器，实现光伏电池的恒压输出，从而保证直流母线的电压不变，boost变换器控制框图如图10所示。
显然本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明的权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (2)
1.一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置，其特征在于：其组成器件包括：
串联变压器，一次侧串联于在电网与负载之间，二次侧与串联变换器相连，起到串接电网与串联变换器以及隔离串、并联变换器的功能；
串联变换器，通过串联变压器接入电网远离负载的一侧，直流母线与其并联；作为正弦电流源运行，能够为负载提供有功功率与无功功率，通过控制串联变换器，能够实现控制供电主通道的电流值功能以及稳定直流母线电压；
并联变换器，一端与串联变换器共用直流母线，另一端与负载并联；作为正弦电压源运行，能够为负载提供有功功率与无功功率，通过控制并联变换器，能够实现控制负载两端的电压值始终为给定的额定值；
直流母线电容，与串联变换器和并联变换器并联；用于维持直流侧电压，补偿负载无功功率；
boost变换器，用于连接光伏阵列与直流母线电容；由于光伏电池电压较低通过将boost变换器向统一电能质量调节装置提供功率，控制boost变换器能够实现光伏电池恒压输入；
光伏电池阵列，经boost变换器并联于直流母线，光伏电池可以为负载提供一部分功率，以节省电网的能源；为保证串联变换器的传输效率，其传输的功率设计为不超过负载功率的30％；如果电网发生电压中断，可以通过并联逆变器为负载提供所需的全部功率。
2.根据权利要求1所述一种集成光伏的新型统一电能质量调节装置的控制方法，其特征在于：该方法包括如下内容：
(1)为避免电网电压畸变的影响并且能够准确获取电网电压的正序基波分量，使用广义级联延迟信号消除的方法来提取所需正序基波分量；通过广义延迟信号消除技术，设计变换使电压基波正序分量具有统一的增益通过滤波器，并滤除正序和负序的谐波；
当电压信号不平衡和畸变时，Uαβ可表示为：
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式中h次谐波空间矢量的瞬时相角 为初始相角，谐波次数h＝±1,±2...±H；
原始矢量延迟T/n个周期，得到延迟矢量θn是延迟T/n后滞后的角度，θn＝hω×T/n＝2πh/n；用延迟矢量乘以旋转因子得到旋转矢量结合原始矢量组成一个延迟信号消除模型：
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定义为谐波增益矢量，A为增益幅值，为相角，有
当θn+θr＝2kπ,k＝0,±1,±2...时，谐波幅值增益A＝1；θn+θr＝(2k+1)π,k＝0,±1,±2...时，A＝0，由此可见，选择合适的n和θr，即可决定h次谐波经过延迟信号消除模型的幅值增益和相角增益；为计算简单，选择θr＝-2πh*/n,h*为用户设定的目标谐波次数，而所述集成光伏的新型统一电能质量调节装置用于提取基波，所以h*选为1；
当h*选为1时，增益矢量为
由于公共耦合点电压中谐波含量未知，所以采用级联延迟信号消除模型，选取N＝2,4,8,16,32五个延迟信号运算模块；
(2)负载的电压与电流通过Park变换以及瞬时功率计算之后，分别用于作为串联变换器给定电压和并联变换器给定电流的计算；
pL＝uLdiLd+uLqiLq (5)
qL＝uLdiLd+uLqiLq (6)
其中，电压pL和qL分别为负载的有功功率和无功功率，uLd、iLd是负载电压、电流经过dq分解的d轴分量，uLq、iLq是负载电压、电流经过dq分解的q轴分量；
(3)串联变换器除在公共耦合点电压发生变化时保护敏感负载，在电压不发生变化的时候，也能为负载提供其所需的无功功率，因此提高了串联变换器的利用率，降低了并联变换器的额定容量，同时也有维持直流母线电压的功能；
(4)控制传统统一电能质量调节装置并联变换器的目的是防止负载不平衡电流、谐波电流与无功电流对电网的干扰，集成光伏发电的复功率控制下的统一电能质量调节装置不仅能够实现上述功能，还能够将光伏阵列输出的有功功率注入电网，兼具维持直流母线电压的功能；并联变换器的给定值与电网电压幅值、电网相位以及复功率控制下的统一电能质量调节装置的控制角有关，通过公共耦合点电压经由广义级联延迟信号消除锁相环可得到电压基波正序分量的幅值与电网的相位，由此得到K(K＝1/k)，将K做向下取整运算，得到Kd；由于公共耦合点电压暂升时，电流会下降，此时串联变换器要补偿相同无功功率就需要输出更高的电压；相比于电压暂降的情况，电压暂升出现的几率非常小，所以当电压发生暂升时，系统工作在有功功率控制下的统一电能质量调节装置的模式；
而γ角在公共耦合点电压正常时的为：
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<mi>L</mi>
</msub>
<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>v</mi>
</mrow>
</msub>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
当公共耦合点电压发生变化时，上式被修正为：
<mrow>
<mi>&gamma;</mi>
<mo>=</mo>
<mi>a</mi>
<mi>r</mi>
<mi>c</mi>
<mi>s</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<mfrac>
<msub>
<mi>Q</mi>
<mrow>
<mi>s</mi>
<mi>e</mi>
</mrow>
</msub>
<mrow>
<mi>k</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
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<mo>-</mo>
<msub>
<mi>P</mi>
<mrow>
<mi>p</mi>
<mi>v</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，k＝US/UL *，Qse为串联变换器输出的无功功率，Kd与式(8)分子相乘可以实现电压暂升时，串联变换器不参与无功补偿的功能；
(5)通过boost变换器，实现光伏电池的恒压输出，从而保证直流母线的电压不变。
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