CN108336743A - 一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，在传统分布式电源并网逆变器控制系统的基础上，增加一个本地电压控制器，当电网电压有效值US在过电压设定值US.up和欠电压设定值US.low之间时，本地电压控制器输出的无功功率指令值为零，即分布式电源工作于单位功率因数方式；当电网电压有效值US低于欠电压设定值US.low时，本地电压控制器输出适量的容性无功功率指令值，通过并网逆变器可抬升电网电压；当电网电压有效值US高于过电压设定值US.up时，本地电压控制器输出适量的感性无功功率指令值，通过并网逆变器可降低电网电压。本地电压控制器的引入使得分布式电源可以自主参与本地电网电压的调节，提高本地电网电压的合格率。

Description

一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法
技术领域
本发明属于电气工程领域，具体涉及一种基于分布式电源并网逆变器的分布式电源接入点的电网电压的控制方法。
背景技术
分布式电源接入中低压配电线路，理所当然地改变了馈线的潮流分布，甚至改变了馈线的潮流方向，这种潮流变化影响着线路的稳态电压分布。一方面，分布式电源的合理配置对馈线各点电压具有支撑作用，有利于提高电压质量和电压合格率；另一方面，分布式电源的无序无约束安装与运行也可能导致馈线上某些节点出现过电压，降低了电网的电压质量。
分布式电源的主要任务是发电并网，并充分最大化利用当时的可再生资源。因此，目前并网运行的分布式电源基本上都工作于单位功率因数方式，仅向电网输出有功功率，而不输出无功功率。但是，分布式电源并网逆变器具有向电网提供无功功率的能力，并利用这种能力可以有效改善配电网的电压分布。
在配电网中接入分布式电源，若允许分布式电源工作于非单位功率因数模式，则分布式电源输出的无功功率对馈线上各节点电压具有一定的调节作用。理论分析表明，分布式电源输出的无功功率越大、分布式电源的安装位置越接近线路末端，分布式电源对馈线电压的调节作用就越强。
由于分布式电源只能向电网发出有功功率，但可以向电网发出无功功率(容性，为正)或从电网吸收无功功率(感性，为负)，因此分布式电源仅工作于两象限下，如图1a至图1d所示，分布式电源的有功功率与负荷相反，具有补偿负荷有功在线路上产生的压降的作用；分布式电源的无功功率既可像负荷一样增大线路上的电压降，也可以像补偿设备一样减小负荷引起的线路压降或压升。这为利用分布式电源并网逆变器的输出无功功率调节分布式电源本地电压提供了理论基础。
分布式电源并网逆变器可以独立控制两个变量，并网有功功率(对应于并网有功电流分量)和并网无功功率(对应于并网无功电流分量)，如图2所示。有功功率控制可工作于最大功率点跟踪(MPPT)方式或来自上级调度设定值的定有功功率方式；无功功率控制则可工作于定功率因数方式(单位功率因数是其中的一个特例)或来自上级调度设定值的定无功功率方式。图2给出了一种分布式电源并网逆变器的主电路结构及其控制系统框图，其中有功功率控制环路工作于MPPT方式，无功功率控制环路工作于单位功率因数或零无功功率方式。显然，分布式电源的输出无功功率不随本地电压按照某种规律而变化，即分布式电源不具备本地电压自动调节的能力。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，使得分布式电源可以自主参与本地电网电压的调节，提高本地电网电压的合格率。
为达到上述目的，本发明所述一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，是在分布式电源并网逆变器控制系统的输入端连接本地电压控制器，当电网电压有效值US在过电压设定值US.up和欠电压设定值US.low之间时，本地电压控制器输出的无功功率指令值为零，使分布式电源工作于单位功率因数方式；当电网电压有效值US低于欠电压设定值US.low时，本地电压控制器输出适量的容性无功功率指令值，通过并网逆变器抬升电网电压，使电压不低于欠电压设定值US.low；当电网电压有效值US高于过电压设定值US.up时，本地电压控制器输出适量的感性无功功率指令值，通过并网逆变器降低电网电压，使电压不高于过电压设定值US.up；其中，US.up≥US.low。
进一步的，本地电压控制器按照以下步骤进行电压调节处理：
步骤1、读取分布式电源并网逆变器当前输出的有功功率PDG和并网逆变器的额定电流IDG.N；
步骤2、检测分布式电源接入点的当前电网电压，并计算出电网电压有效值US；
步骤3、按照下式计算分布式电源并网逆变器当前可输出的最大无功功率QDG.max的绝对值，
上式中，IDG.P为分布式电源当前输出的有功电流分量，与分布式电源当前输出的有功功率PDG相对应；IDG.Q为分布式电源当前可输出的最大无功电流分量，它决定了分布式电源并网逆变器当前可输出的最大无功功率；
步骤4、根据检测得到的当前电网电压US和预先设定的欠电压设定值US.low，通过欠压调节器按照比例积分调节规律进行运算后输出欠电压补偿所需的无功功率QDG.1；
步骤5、根据检测得到的当前电网电压US和预先设定的过电压设定值US.up，通过过压调节器按照比例积分调节规律进行运算后输出过电压补偿所需的无功功率QDG.2；
步骤6、对欠压调节器输出的无功功率QDG.1经过第一限幅环节进行正向限幅处理后得到QDG.3，同时对过压调节器输出的无功功率QDG.2经过第二限幅环节进行负向限幅处理后得到QDG.4，QDG.3和QDG.4之和为本地电压控制器输出的无功功率指令值Qref。
进一步的，按照下式对QDG.1进行限幅处理，
进一步的，按照下式对QDG.2进行限幅处理，
进一步的，欠压调节器和过压调节器均采用比例积分调节规律。
进一步的，本地电压控制的方式为嵌入式，即将本地电压控制器嵌入到分布式电源并网逆变器的控制系统之中。
进一步的，本地电压控制的方式为外置式，即本地电压控制器置于分布式电源并网逆变器之外，所述本地电压控制器通过通信方式与分布式电源并网逆变器控制系统连接，并从分布式电源并网逆变器控制系统接收当前电网电压，经过本地电压控制器处理后，向分布式电源并网逆变器控制系统回送无功功率指令值。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果，本发明根据分布式电源接入点的电网电压，按照设定的控制规律对分布式电源输出的无功电流指令进行调整，并利用分布式电源并网逆变器的剩余能力，自动调节本地电压，维持本地电压在合理的运行范围内。在不额外增加补偿设备的情况下，利用分布式电源并网逆变器有功出力之外的剩余能力，改善分布式电源接入点的电网电压质量，提高用电设备的用电效率和供电可靠性。
附图说明
图1a为负荷的四象限功率特性；
图1b为补偿设备四象限功率特性；
图1c为综合负荷四象限功率特性；
图1d为分布式电源四象限功率特性；
图2是分布式电源并网逆变器的现有控制方式原理图(以光伏发电并网逆变器为例)；
图3是本发明提出的分布式电源并网逆变器的含本地电压控制功能的控制方式原理图(以光伏发电并网逆变器为例)；
图4是以发电量最大并兼顾调压的本地电压控制方法原理框图；
图5a为内嵌式本地电压控制结构示意图；
图5b为外置式本地电压控制结构示意图；
图6为应用本地电压控制策略的配电系统仿真示例结构图；
图7a为分布式电源不采用本地电压控制策略时配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的负荷功率(PL+jQL)变化情况示意图；
图7b为分布式电源不采用本地电压控制策略时配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的PV分布式电源输出功率(PPV+jQPV)变化情况示意图；
图7c为分布式电源不采用本地电压控制策略时配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的本地电压(U)变化情况示意图；
图8a为分布式电源采用本地电压控制策略后配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的负荷功率(PL+jQL)变化情况示意图；
图8b为分布式电源采用本地电压控制策略后配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的PV分布式电源输出功率(PPV+jQPV)变化情况示意图；
图8c为分布式电源采用本地电压控制策略后配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的本地电压(U)变化情况示意图；
附图中：1、欠压调节器，2、过压调节器，3、第一限幅环节，4、第二限幅环节。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提出一种分布式电源的本地电压控制方式，如图3所示，并给出本地电压控制器的具体控制策略(如图4所示)及其实现方法(如图5所示)，根据分布式电源接入点的电网电压，按照设定的控制规律对分布式电源输出的无功功率指令进行调整，并利用分布式电源并网逆变器的剩余能力，自动调节本地电压，维持本地电压在合理的运行范围内。
一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法包括以下步骤：
首先，在传统分布式电源并网逆变器控制系统的基础上，增加一个本地电压控制器，即在分布式电源并网逆变器控制系统的输入端连接本地电压控制器，将本地电压控制器作为分布式电源并网逆变器控制系统的输入信号之一。本地电压控制器的输入为分布式电源接入点的三相电网线电压有效值US，本地电压控制器的输出为并网逆变器应输出的无功功率指令值Qref。
参照图4，本地电压控制器按照如下步骤和方法进行电压调节处理：
1)读取分布式电源并网逆变器当前输出的有功功率PDG和并网逆变器的额定电流IDG.N；
2)检测分布式电源接入点的当前电网电压，并计算出电压有效值US；
3)按照下式计算分布式电源并网逆变器当前可输出的最大无功功率QDG.max的绝对值：
式中：IDG.P为分布式电源当前输出的有功电流分量，与分布式电源当前输出的有功功率PDG相对应；IDG.Q为分布式电源当前可输出的最大无功电流分量，它决定了分布式电源并网逆变器当前可输出的最大无功功率。
4)根据检测得到的当前电网电压US和预先设定的欠电压设定值US.low，通过欠压调节器1按照比例积分调节规律进行运算后输出欠电压补偿所需的无功功率QDG.1；
5)根据检测得到的当前电网电压US和预先设定的过电压设定值US.up，通过过压调节器2按照比例积分调节规律进行运算后输出过电压补偿所需的无功功率QDG.2；
6)为了保障分布式电源并网逆变器工作在额定功率之内，需要将无功功率指令限制在并网逆变器当前可输出的最大无功功率QDG.max之内。对欠压调节器1输出的无功功率QDG.1经过第一限幅环节3进行正向限幅处理后得到QDG.3，同时对过压调节器2输出的无功功率QDG.2经过第二限幅环节4进行负向限幅处理后得到QDG.4，限幅逻辑分别如式(2)和式(3)所示。处理后两者之和即为本地电压控制器输出的无功功率指令值Qref，如式(4)所示；
Qref＝QDG.3+QDG.4 (4)，
7)欠电压设定值US.low是本地电压控制的电压下限值，过电压设定值US.up是本地电压控制的电压上限值，欠电压设定值US.low和过电压设定值US.up满足式(5)所示关系。
US.up≥US.low (5)。
上述本地电压控制的结果是：当电网电压有效值US在电压上下限之间时，本地电压控制器输出的无功功率指令值为零，即分布式电源工作于单位功率因数方式；当电网电压有效值US低于下限值时，本地电压控制器输出适量的容性无功功率指令值给分布式电源并网逆变器控制系统；当电网电压有效值US高于上限US.up时，本地电压控制器输出适量的感性无功功率指令值给分布式电源并网逆变器控制系统。如图5a和图5b所示，本地电压控制器的实现方式可有嵌入式和外置式两种。嵌入式是把本地电压控制器嵌入到传统的分布式电源并网逆变器控制系统之中；外置式是设计一个独立的置于分布式电源并网逆变器之外的本地电压控制器，该本地电压控制器通过通信方式与分布式电源并网逆变器控制系统连接，一方面从分布式电源并网逆变器控制系统接收当前电网电压，经过本地电压控制器处理后，向分布式电源并网逆变器控制系统回送无功功率指令值。
下面通过一个馈线算例来说明本方法的可行性及有益效果。
所用馈线算例的网络结构如图6所示，该配电网电压等级为10kV，线路空载电压为10.5kV，在节点4接有一个分布式光伏电源(图6中的PV)，假设光伏电源正常工作在单位功率因数下的最大功率点跟踪模式。
图7给出了不采用本地电压控制时配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下馈线上的负荷功率(PL+jQL)、光伏电源PV输出功率(PPV+jQPV)及节点4电压(U)(即本地电压)随时间的变化，此时光伏逆变器始终工作于单位功率因数模式。可以看出，在馈线重载期间节点4电压低于9.5kV，出现低电压现象；在馈线轻载期间由于分布式光伏的逆潮流导致节点4电压高于10.5kV，出现过电压现象。即在重载时本地电压低于9.5kV，在轻载下本地电压高于10.5kV，均超出10kV馈线所要求的±5％的变化范围，而PV分布式电源始终工作于单位功率因数模式，在不同负载场景下输出无功均保持为零。
图8给出了采用本地电压控制后配电系统在重载、正常负荷和轻载三种不同场景下的负荷功率(PL+jQL)、光伏电源PV输出功率(PPV+jQPV)及节点4电压(U)随时间的变化，可以看出，在馈线重载期间，光伏电源PV输出容性无功功率(QPV为正)，将节点4电压支撑到最低限定值9.5kV并维持，消除了低电压现象；在馈线轻载期间，光伏电源PV输出感性无功功率(QPV为负)，将节点4电压抑制在最高限定值10.5kV并维持，消除了过电压现象；在馈线正常负荷下，光伏电源PV则工作于单位功率因数模式，保持最大有功功率输出。因此，采用本发明的本地电压控制策略可以将分布式光伏电源接入点的电压稳定在设定的电压运行区间内，并在正常负荷下分布式光伏电源仍然工作于单位功率因数下的最大功率点跟踪模式，保持最大有功功率输出。

Claims (7)

1.一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，在分布式电源并网逆变器控制系统的输入端连接本地电压控制器，当电网电压有效值US在过电压设定值US.up和欠电压设定值US.low之间时，本地电压控制器输出的无功功率指令值为零，使分布式电源工作于单位功率因数方式；当电网电压有效值US低于欠电压设定值US.low时，本地电压控制器输出容性无功功率指令值，通过并网逆变器抬升电网电压，使电压不低于欠电压设定值US.low；当电网电压有效值US高于过电压设定值US.up时，本地电压控制器输出感性无功功率指令值，通过并网逆变器降低电网电压，使电压不高于过电压设定值US.up；其中，US.up≥US.low。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，本地电压控制器按照以下步骤进行电压调节处理：
步骤1、读取分布式电源并网逆变器当前输出的有功功率PDG和并网逆变器的额定电流IDG.N；
步骤2、检测分布式电源接入点的当前电网电压，并计算出电网电压有效值US；
步骤3、按照下式计算分布式电源并网逆变器当前可输出的最大无功功率QDG.max的绝对值，
上式中，IDG.P为分布式电源当前输出的有功电流分量，与分布式电源当前输出的有功功率PDG相对应；IDG.Q为分布式电源当前可输出的最大无功电流分量，它决定了分布式电源并网逆变器当前可输出的最大无功功率；
步骤4、根据检测得到的当前电网电压US和预先设定的欠电压设定值US.low，通过欠压调节器(1)按照比例积分调节规律进行运算后输出欠电压补偿所需的无功功率QDG.1；
步骤5、根据检测得到的当前电网电压US和预先设定的过电压设定值US.up，通过过压调节器(2)按照比例积分调节规律进行运算后输出过电压补偿所需的无功功率QDG.2；
步骤6、对欠压调节器(1)输出的无功功率QDG.1经过第一限幅环节(3)进行正向限幅处理后得到QDG.3，同时对过压调节器(2)输出的无功功率QDG.2经过第二限幅环节(4)进行负向限幅处理后得到QDG.4，QDG.3和QDG.4之和为本地电压控制器输出的无功功率指令值Qref。
3.根据权利要求2所述的一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，按照下式对QDG.1进行限幅处理，
4.根据权利要求2所述的一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，按照下式对QDG.2进行限幅处理，
5.根据权利要求2所述的一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，欠压调节器(1)和过压调节器(2)均采用比例积分调节规律。
6.根据权利要求1所述的一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，本地电压控制的方式为嵌入式，即将本地电压控制器嵌入到分布式电源并网逆变器的控制系统之中。
7.根据权利要求1所述的一种基于分布式电源并网逆变器的本地电压控制方法，其特征在于，本地电压控制器置于分布式电源并网逆变器之外，所述本地电压控制器通过通信方式与分布式电源并网逆变器控制系统连接，本地电压控制器从分布式电源并网逆变器控制系统接收当前电网电压，经过本地电压控制器处理后，向分布式电源并网逆变器控制系统回送无功功率指令值。
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Kashyap et al. Ancillary Services And Stability Analysis Of Distributed Generation System

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