CN108075484A - 一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法，属于太阳能光伏发电领域。该方法为：通过降低逆变器与电网之间电缆的电压损失来提高锁相环的精度，以保证逆变器锁相环功能的正常实现，从而提高逆变器的发电功率，提高光伏电站的发电量，增加投资效益。

Description

一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法

技术领域

本发明涉及一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法，属于太阳能光伏发电领域。

背景技术

光伏发电系统中，逆变器是一种将光伏阵列产生的直流电转换为交流电的电力设备，通过大功率电力电子器件IGBT的导通与关断实现其逆变功能。作为光伏发电系统中关键部件之一，其性能优劣直接关系到光伏发电系统能否安全、可靠、高效地并网发电。逆变器主要由直流输入部分、逆变部分、二次电路部分、控制和保护电路部分(包括锁相环控制电路等)、LC滤波器和交流输出部分组成，其主电路结构见附图1，而影响逆变器发电功率的大小主要有以下三个方面。

一是直流侧MPPT最大功率点跟踪技术，通过对电压电流的测量，计算出当前功率，判断当前工作点和峰值点的位置关系，并调节工作点电压(或电流)，使其向峰值点靠拢，从而使光伏系统工作在峰值功率点附近。成熟的MPPT最大功率点跟踪技术能保证逆变器实时跟踪光伏阵列的最大功率输出，使光伏阵列实时功率输出为最大功率输出或接近最大功率输出，逆变器始终工作在太阳能电池板阵列的最大功率输出点附近。

二是光伏组件直流侧电压工作范围，范围宽可增加光伏组件的发电时间，更充分的利用早晚及阴天等太阳光照不足等时间，增加逆变器的工作时间，提高逆变器的发电功率。

三是锁相环技术PLL，锁相环是一种通过对电网电压的监测与控制得到电网电压相位，将并网电流与电网电压进行频率、相位的比较，并进行锁相控制，从而保证光伏组件所发电与电网电压保持同相位的技术。

在电路结构上，锁相环电路由锁相环控制电路、电流电压转换电路、电压检测电路、过零相位检测电路组成，其结构在逆变器主电路的结构如附图2所示。其中逆变电路的输入端与直流输入部分相连，其输出端与外部电网相连；锁相环控制电路的输入端包括In1～In4，其中In1，In2与直流输入部分相连，接收来自直流输入部分的直流电压U_dc，直流电流I_dc信号，In3，In4分别与逆变电路的输出端及外部电网相连，获得来自逆变电路的并网电流I_ac及电网电压U_ac信号。锁相环控制电路部分DSP数字信号处理模块将所接收的数据进行锁相处理，输出信号通过PWM驱动产生所需的PWM控制信号送至逆变电路，驱动IGBT的Q1～Q6。

在物理模型上，锁相环一般由鉴相器，环路滤波器，压控振荡器组成(如附图3所示)，其基本工作原理为：1)输入信号V_i通过鉴相器与反馈信号V_o进行比较计算出相位差，将其结果转化为电压信号V_d；2)V_d经环路滤波器将高频分量及其它噪声信号滤除后，得到稳定的电压控制信号V_c；3)V_c经压控振荡器进行频率和相位的修正后，将输出信号V_o作为反馈信号反馈到鉴相器；4)重复步骤1)～3)直到输入信号与输出信号的频率相位保持一致。

完善的PLL技术既能保证逆变器输出的电能质量满足大电网电能质量的需求，又能扩大逆变器出线侧跟踪电网电压的范围，以改善逆变器较低出力的功率区间，使逆变器工作在最佳出力工作区间或其附近(即满负荷运行状态)，提高逆变器发电效率。

上述三个方面中的任何一个方面出现设计缺陷都会影响逆变器的发电功率，导致逆变器的发电功率不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法，用以解决逆变器的发电功率不足的问题。

为了实现上述目的，本发明的一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法：通过减少逆变器与电网之间电缆的电压损失来提高锁相环的精度。

进一步的，通过增大所述电缆的截面积来减少电缆的电压损失。

进一步的，通过减小所述电缆的长度来减少电缆的电压损失。

本发明通过增大逆变器出线侧电缆的截面积或减少出线侧电缆的长度来提高锁相环的精度，以保证逆变器锁相环功能的正常实现，逆变器处于满负荷运行状态，从而提高逆变器的发电功率。

当锁相环电路正常工作时，鉴相器对输入信号进行线性处理，环路滤波器的输出电压正比于相位误差，滤去相位误差后，锁相环电路的数学模型如图4所示，其中V_i表示输入信号，V_o表示输出信号，K_d表示鉴相器对信号处理的变比，F(s)表示环路滤波器的传递函数，K_v/s表示压控振荡器的传递函数。LF环路类型由F(s)中纯积分s项的次数决定，VCO中固有一个纯积分s，可以等效为一个积分环节，因此PLL至少为一阶系统，若LF中含有一个纯积分，则PLL为二阶系统。

由自动控制原理的方块图求系统传递函数等相关知识，可得出锁相环控制系统前向通路传递函数为G(s)＝K_dK_vF(s)/s，反馈通路传递函数为H(s)＝1，因此带负反馈环节的锁相环控制系统的闭环传递函数为：

当LF为无源滤波器，即LF中传递函数F(s)中纯积分s项的次数为零，F(s)相当于一无源比例积分滤波器，可表示成：

此时PLL相当于一阶系统，PLL的闭环传递函数为：

为了便于分析，该式可写成：

当LF为有源滤波器，即LF中传递函数F(s)中纯积分s项的次数为一，F(s)可用一个理想二阶环节(相当于一个PI环节)表示成：

此时PLL相当于二阶系统，PLL的闭环传递函数为：

为了便于分析，该式可写成：

锁相环控制系统作为自动追踪电网电压信号频率及相位的闭环工作系统，它能使输出的并网电流信号的频率相位与电网电压的频率相位之间的差值保持最小。当逆变器与电网之间电缆电网电压损失过大，即锁相环输出信号V_o与实际的电网电压信号U_ac频率相位差值过大，则锁相环控制系统追踪的不是实际的电网电压信号的频率相位，而是经过一定衰减后的电网电压信号的频率相位，因此锁相环的精度大大降低，逆变器逆变后的交流电频率相位与实际的电网电压频率相位相差过大，对电网照成冲击，迫使逆变器部分模块停机，逆变器处于非满负荷运行状态，从而影响了逆变器发电功率的大小。

由此分析，逆变器与电网之间电缆电压损失在一定程度上影响了逆变器锁相环功能的正常实现，从而影响了逆变器发电功率的大小。所以，通过减少逆变器与电网之间电缆的电压损失来提高锁相环的精度，进而提高逆变器的发电功率。

附图说明

图1是逆变器的主电路结构示意图；

图2是逆变器锁相环电路结构示意图；

图3是逆变器锁相环的物理模型示意图；

图4是逆变器锁相环的数学模型示意图；

图5是实施例中项目所在厂区逆变房和箱变分布示意图；

图6是实施例中17#逆变器正午时刻发电功率示意图；

图7是实施例中18#逆变器正午时刻发电功率示意图；

图8是实施例中该厂区所有逆变器当日累计发电量示意图；

图9是实施例中增大电缆截面积时的改进流程图；

图10是实施例中实际电网电压U_ac与18#逆变器并网电流I_ac的波形示意图；

图11是实施例中实际电网电压U_ac与18#逆变器出线侧电缆截面积增大时并网电流I_ac的波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的说明。

通过减少逆变器与电网之间电缆的电压损失来提高锁相环的精度，进而提高逆变器的发电功率。减少逆变器与电网之间电缆的电压损失的方法可采用增大电缆的截面积或者减小电缆的长度的方式(当然也可以采用其他的方式，如改变线缆的材质等)。由于考虑到场地限制，逆变器与电网之间的距离一般为固定的，所以通过减小电缆长度来减少电缆的电压损失的方法一般并不常用。实际中一般采用增大电缆的截面积来减少电缆的电压损失，接下来给出一种通过增大所述电缆的截面积来提高逆变器发电功率的实施例来具体说明。

一种基于锁相环技术的逆变器发电功率不足的改进方法实施例：

某项目光伏发电示范项目中厂区逆变房和箱变分布图如图5所示：增加内容：17#逆变柜位于5#逆变房，18#逆变柜与13#，14#，15#逆变柜均位于7#逆变房，16#逆变柜位于6#逆变房。其中17#，18#逆变柜与9#美变组成1MW升压逆变单元。10#厂房宽约为60米，12#厂房与10#厂房，10#厂房与8#厂房间道路宽约为10米。比较分析18#逆变器与17#逆变器的不同之处17#逆变柜距9#箱变的距离只有10米，18#逆变柜距9#箱变的距离接近90米。18#逆变器在光照充足的情况下，其发电功率明显低于17#逆变器，如附图6和附图7所示，在正午时刻左右，17#逆变器发电功率约为240kw左右，18#逆变器发电功率只有150kw左右，相差接近100kw左右。如附图8所示，一天下来，18#逆变器与17#逆变器发电量累计相差700kwh左右，按1元标杆电价计算，每天少发电成本约700元，一个月近20000元。

为了探讨分析逆变器出线侧电缆电压损失是否为影响逆变器发电功率的最终因素，接下来采用增大逆变器出线侧电缆截面积的方式来减小电缆电压损失，其过程如图9所示。

就该项目中发电功率低的18#逆变器，根据逆变器出线侧到箱变低压侧电缆长度及型号计算出其电缆电压损失ΔU₁。从施工图纸中可得出发电功率低的18#逆变器出线侧到箱变低压侧电缆长度L₁，同时从设备清单、技术手册中查找该电缆的截面积S₁及单位电阻r₁、单位电抗x₁，计算出该电缆的阻抗为Z₁＝r₁L₁+x₁L₁；再通过钳式电流表计算出该段电缆的相电流I₁，计算该段电缆的单相电压损失ΔU₁＝Z₁I₁。

发电功率正常的逆变器，其出线侧距箱变低压侧基本在10米以内，以17#逆变器为对比，计算其电压损失并令该值为该项目现场所允许的最大电压损失ΔU_max，其计算方法和18#逆变器出线侧电缆电压损失相同。

计算18#逆变器出线侧同种电缆截面积更高一级时电缆电压损失ΔU₂₁，若ΔU₂₁<ΔU_max，则说明截面积提高一级的同种电缆可减少电压损失，；若ΔU₂₁>ΔU_max则继续选择截面积更高一级的电缆，计算其电压损失ΔU₂₂直到ΔU_2n<ΔU_max，其计算方法和18#逆变器出线侧电缆电压损失相同。

采用示波器测量实际电网电压U_ac与18#逆变器锁相环控制电路并网电流I_ac的波形，如附图10所示；当18#逆变器出线侧电缆截面积增大时，再测量实际电网电压U_ac与18#逆变器锁相环控制电路并网电流I_ac的波形，如附图11所示。结合附图10,11可看出，当增大逆变器出线侧电缆截面积时，锁相环输出信号V_o与实际的电网电压信号U_ac相位差值明显降低，锁相环的精度在一定程度上提高了，逆变器逆变后的交流电频率相位与电网电压频率相位差值减小，对电网冲击减小，18#逆变器中处于停机状态的单元模块恢复运行状态，逆变器接近满负荷运行，发电功率提高。

结合发明内容中的论述，当逆变器与电网之间电缆电网电压损失过大，即锁相环输出信号V_o与实际的电网电压信号U_ac频率相位差值过大，则锁相环控制系统追踪的不是实际的电网电压信号的频率相位，而是经过一定衰减后的电网电压信号的频率相位，因此锁相环的精度大大降低，逆变器逆变后的交流电频率相位与电网电压频率相位相差过大，对电网冲击过大，迫使逆变器部分模块停机，逆变器处于非满负荷运行状态，从而影响了逆变器发电功率的大小。

通过本实施例，在不改变逆变器锁相环本身工作电路结构的前提下，通过增加逆变器与电网之间电缆的截面积来降低电缆电压损失，让逆变器锁相环技术正常工作，以保证逆变器工作在最佳功率区间或附近，让处于停机状态的逆变器单元模块转为运行状态，以提高逆变器发电功率。

Claims (3)

1.一种基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法，其特征在于，通过减少逆变器与电网之间电缆的电压损失来提高锁相环的精度。

2.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法，其特征在于，通过增大所述电缆的截面积来减少电缆的电压损失。

3.根据权利要求1所述的基于锁相环技术的提高逆变器发电功率的方法，其特征在于，通过减小所述电缆的长度来减少电缆的电压损失。