CN108711858B - 基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制装置及方法，涉及电网控制技术领域。该逆变器谐波抑制装置包括DC/DC变换器、触发器、控制器、逆变器，首先获取光伏电站输出的电压与电流以及电压的角频率和初始相位；经过触发器触发，使DC/DC变换器工作，经过DC/DC变换后，得到输出电压；通过基于天气条件的触发角设置控制器对不同天气情况进行触发角整定，将DC/DC变换后的电压，经过逆变器后得到最终输出三相电压。本发明针对不同天气条件，进行跟随天气变化的控制，并且利用DC/DC‑DC/AC的谐波抑制方法可以有效的减少谐波分量，输出稳定的直流电压，使得电能的质量得以大幅度提升。

Description

基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法
技术领域
本发明涉及电网控制技术领域，尤其涉及一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法。
背景技术
随着光伏发电等新能源发电技术的快速发展，电能的消纳与送出成为当前制约中国可再生能源发展的瓶颈问题，基于电压源型换流器的柔性直流输电技术则是解决可再生能源接入、送出问题的有效途径，为更好地实现大规模可再生能源接纳，提升直流系统的稳定性，对于电能的控制变的尤为重要。
光伏电站并网时对电能的质量要求较高，由于传统的逆变器采用SPWM技术，电路如图1所示。将正弦波等效成为一系列等时间间隔的脉冲波形，通过控制IGBT导通时间，形成需要的正弦波，但是由于受外部天气条件以及其他因素的影响，光伏电站出力会随之发生波动，由于传统技术的缺陷，在通过逆变器后所产生交流电，会有较多的低次谐波，为了减少谐波含量，可能输出与载波相关频率的谐波分量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法，针对不同天气条件，进行跟随天气变化的控制，并且利用DC/DC-DC/AC的谐波抑制方法可以有效的减少谐波分量，输出稳定的直流电压，使得电能的质量得以大幅度提升。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一方面，本发明提供一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制装置，包括DC/DC变换器、触发器、控制器、逆变器；所述DC/DC变换器采用全桥变换器，其输入端连接光伏电站的输出，DC/DC变换器输出端连接逆变器的输入端；逆变器的输出端连接三相交流电网，其中控制器为控制逆变器中元件的触发角，通过不同相位的触发角脉冲得到不同的输出电压，所述控制器为普通脉宽调制电路，能输出不同相位角的脉冲。
另一方面，本发明还提供一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法，采用上述的装置实现，首先获取光伏电站输出的电压与电流以及电压的角频率和初始相位；经过触发器触发，使DC/DC变换器工作，经过DC/DC变换后，得到输出电压；通过基于天气条件的触发角设置控制器对不同天气情况进行触发角整定，将DC/DC变换后的电压，经过逆变器后得到最终输出三相电压；具体包括以下步骤：
步骤1：首先进行无约束条件的触发角计算，将计算所得的触发角在不同天气条件下进行整定，得到谐波含量较低的电压；具体通过求解以下五个方程计算出触发角α1、α3、α5、α7、α9：
其中，Ug为光伏电站输出电压；
步骤2：计算不同天气条件下对应的触发角，具体如下：
晴天条件下对应触发角计算公式为：
其中，α11、α31、α51、α71、α91为晴天条件下的触发角，P为光伏电站在当前天气条件下的实际输出功率，P′为光伏电站的额定功率；
多云天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α12、α32、α52、α72、α92为多云天气条件下的触发角，
阴天天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α13、α33、α53、α73、α93为阴天天气条件下的触发角，
雨天天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α14、α34、α54、α74、α94为阴天天气条件下的触发角，
步骤3：经过天气判断整定后得到DC/DC变换器输出电压，如下式所示：
其中，Ud0为DC/DC变换器的输出电压，ω为基波频率；k＝1、2、3、…、9；
步骤4：将DC/DC变换后的输出电压输入逆变器，经过逆变器后得到最终输出三相电压；输出谐波电压为：
其中，i＝1,2,3,4，晴天时i＝1，多云时i＝2，阴天时i＝3，雨天时i＝4；Uxhi为第i种天气条件下的输出谐波电压；N为逆变器频率调制比，N为整数，fc为载波频率，fm为调制波频率；M为逆变器幅值调制比，/>Mc为载波幅值，Mm为调制波幅值；m为谐波次数；
步骤5：计算输出电压谐波含量υ是否达到要求；
若υ≤10％，则符合要求，将最终输出的三相电压并入电网；若υ＞10％，则需要重新整定触发角α1、α3、α5、α7、α9，然后返回步骤2重新计算，使输出电压谐波含量符合要求。
所述步骤5中重新整定触发角α1、α3、α5、α7、α9遵循以下整定方法， 其中i＝1,2,3,4；α1′、α3′、α5′、α7′、α9′为整定后的触发角。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法，基于跟随光伏电站出力波动前提下，针对逆变器进行在不同天气条件下触发角的整定，使得输出的谐波含量大幅度降低，达到并网条件，提高了电力系统的电能质量，有利于电网的安全稳定运行。
附图说明
图1为传统的逆变器电路原理图；
图2为本发明实施例提供的DC/DC变换器电路原理图；
图3为本发明实施例提供的逆变器电路原理图；
图4为本发明实施例提供的逆变器谐波抑制过程框图；
图5为本发明实施例提供的基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明将传统的逆变装置进行改进，在逆变器前加上DC/DC变换器，将光伏发出的直流电压进行相应的斩波，变成另一种固定电压的直流电压，通过判断天气条件情况进行逆变器控制算法的调用，将不同天气条件下直流电压并进行对应的SPWM变换，有效减弱各次谐波含量提高电能质量，达到符合并网的三相交流电压。
一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制装置，包括DC/DC变换器、触发器、控制器、逆变器；所述DC/DC变换器采用全桥变换器，其输入端连接光伏电站的输出，DC/DC变换器输出端连接逆变器的输入端；逆变器的输出端连接三相交流电网，其中控制器为控制逆变器中元件的触发角，通过不同相位的触发角脉冲得到不同的输出电压。所述控制器为普通脉宽调制电路，可以输出不同相位角的脉冲。
本发明中应用的DC/DC变换器是开关电源中最常见的一种，由控制芯片、电感线圈、二极管、三极管、电容器构成具体电路。DC/DC变换器是重复通断开关，把直流电转换成高频方波交流电，再经整流平滑变为直流电压输出。输入、输出之间需要进行电气隔离时，可以采用变压器，把高频方波电压通过变压器传送到输出侧。构成DC/DC变换器的基本元器件如图2所示。
本发明中所述的DC/DC变换器采用的是全桥变换器，电压和电流是平缓的上升和下降的方波，可以显著降低开关耐受电压，同时全桥变换器电路可以实现固定的PWM控制的频率。
本发明中所述的逆变器采用载波移相全桥PWM电路，其采用传统的PWM变换器和谐振变换器相结合形式，单相桥式逆变器每个臂由三极管、二极管和电容器构成，电路如图3所示。
基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制过程如图4所示，首先获取光伏电站输出的电压与电流以及电压的角频率和初始相位；经过触发器触发，使DC/DC变换器工作，经过DC/DC变换后，得到输出电压；通过基于天气条件的触发角设置控制器对不同天气情况进行触发角整定，将DC/DC变换后的电压，经过逆变器后得到最终输出三相电压，检测是否符合要求后并网。
采用上述的装置实现基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法，如图5所示，具体步骤如下所述。
步骤1：首先进行无约束条件的触发角计算，将计算所得的触发角在不同天气条件下进行整定，得到谐波含量较低的电压；具体通过求解以下五个方程计算出触发角α1、α3、α5、α7、α9：
其中，Ug为光伏电站输出电压；
步骤2：计算不同天气条件下对应的触发角；
晴天条件下对应触发角计算公式为：
其中，α11、α31、α51、α71、α91为晴天条件下的触发角，P为光伏电站在当前天气条件下的实际输出功率，P′为光伏电站的额定功率；
多云天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α12、α32、α52、α72、α92为多云天气条件下的触发角，
阴天天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α13、α33、α53、α73、α93为阴天天气条件下的触发角，
雨天天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α14、α34、α54、α74、α94为阴天天气条件下的触发角，
步骤3：经过天气判断整定后得到DC/DC变换器输出电压，如下式所示：
其中，Ud0为DC/DC变换器的输出电压，ω为基波频率；k＝1、2、3、…、9；
步骤4：将DC/DC变换后的输出电压输入逆变器，经过逆变器后得到最终输出三相电压；输出谐波电压为：
其中，i＝1,2,3,4，晴天时i＝1，多云时i＝2，阴天时i＝3，雨天时i＝4；Uxhi为第i种天气条件下的输出谐波电压；N为逆变器频率调制比，N为整数，fc为载波频率，fm为调制波频率；M为逆变器幅值调制比，/>Mc为载波幅值，Mm为调制波幅值；m为谐波次数；
步骤5：计算输出电压谐波含量υ是否达到要求；
若υ≤10％，则符合要求，将最终输出的三相电压并入电网；若υ＞10％，则需要重新整定触发角α1、α3、α5、α7、α9，然后返回步骤2重新计算，使输出电压谐波含量符合要求。
实施例1
某日为晴天天气条件，光伏电站采用的是36V的电池板，其串并联数分别为10和100，逆变器的幅值调制比为0.8，频率调制比为40，输出基波频率为50Hz。其中光伏电站在当前天气条件下的实际输出功率P＝36MW，光伏电站的额定功率P’＝40MW。
首先计算无约束条件的触发角，通过公式(1)～(5)计算得到触发角分别为
然后计算晴天天气条件下对应触发角，则
在经过DC/DC变换后，得到输出电压为其中k＝1、2、3、…、9；
通过计算可得输出谐波电压为：
计算输出电压谐波含量υ的值：将Ud0与Uxh1代入下式
解得υ＝6.18％<10％，所以本实施例中输出电压谐波含量符合要求，可以进行并网。
实施例2
对于大多数情况来说，基于上述控制的逆变器输出电压符合并网要求，但是在某些特殊天气条件下，光伏电站出力受天气影响比较大，出力较低，在通过上述的方法进行控制后输出的电压不能满足并网要求，针对这种天气条件的约束，进行以下操作。
某日为雨天天气，光伏电站采用的是36V的电池板，其串并联数分别为10和100，逆变器的幅值调制比为0.8，频率调制比为40，输出基波频率为50Hz。其中光伏电站在当前天气天条件下的实际输出功率P＝2MW，光伏电站的额定功率P’＝40MW。
首先计算无约束条件的触发角，通过公式(1)～(5)计算得到触发角分别为
然后计算雨天天气条件下对应触发角，则
在经过DC/DC变换后，得到输出电压，由于DC/DC变换是经过逆变和整流后形成的六脉波，故可得其输出电压为：
其中k＝1、2、3、…、9。
通过计算可得输出谐波电压为：
计算输出电压谐波含量υ的值：将Ud0与Uxh4代入下式
解得υ＝11.23％>10％，所以此时不符合并网要求。对于重新整定触发角α1′、α3′、α5′、α7′、α9′，遵循以下整定方法，
通过计算解得整定后的触发角为
故可得整定后的输出电压为：
其中k＝1、2、3、…、9；
通过计算可得整定后的输出谐波电压为：
计算整定后输出电压谐波含量υ′的值：将整定后的输出电压Ud0′与输出谐波电压Uhx4′代入下式
解得整定后输出电压谐波含量υ′＝7.37％<10％，所以通过整定符合并网要求，可以进行并网，能够达到抑制谐波作用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法，采用基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制装置实现，该装置包括DC/DC变换器、触发器、控制器、逆变器；所述DC/DC变换器采用全桥变换器，其输入端连接光伏电站的输出，DC/DC变换器输出端连接逆变器的输入端；逆变器的输出端连接三相交流电网，其中控制器为控制逆变器中元件的触发角，通过不同相位的触发角脉冲得到不同的输出电压，所述控制器为普通脉宽调制电路，能输出不同相位角的脉冲；
其特征在于：该方法首先获取光伏电站输出的电压与电流以及电压的角频率和初始相位；经过触发器触发，使DC/DC变换器工作，经过DC/DC变换后，得到输出电压；通过基于天气条件的触发角设置控制器对不同天气情况进行触发角整定，将DC/DC变换后的电压，经过逆变器后得到最终输出三相电压；具体包括以下步骤：
步骤1：首先进行无约束条件的触发角计算，将计算所得的触发角在不同天气条件下进行整定，得到谐波含量较低的电压；具体通过求解以下五个方程计算出触发角α1、α3、α5、α7、α9：
其中，Ug为光伏电站输出电压；
步骤2：计算不同天气条件下对应的触发角，具体如下：
晴天条件下对应触发角计算公式为：
其中，α11、α31、α51、α71、α91为晴天条件下的触发角，P为光伏电站在当前天气条件下的实际输出功率，P′为光伏电站的额定功率；
多云天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α12、α32、α52、α72、α92为多云天气条件下的触发角，阴天天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α13、α33、α53、α73、α93为阴天天气条件下的触发角，雨天天气条件下对应触发角计算公式为：
其中，α14、α34、α54、α74、α94为阴天天气条件下的触发角，
步骤3：经过天气判断整定后得到DC/DC变换器输出电压，如下式所示：
其中，Ud0为DC/DC变换器的输出电压，ω为基波频率；k＝1、2、3、…、9；
步骤4：将DC/DC变换后的输出电压输入逆变器，经过逆变器后得到最终输出三相电压；输出谐波电压为：
其中，i＝1,2,3,4，晴天时i＝1，多云时i＝2，阴天时i＝3，雨天时i＝4；Uxhi为第i种天气条件下的输出谐波电压；N为逆变器频率调制比，N为整数，fc为载波频率，fm为调制波频率；M为逆变器幅值调制比，/>Mc为载波幅值，Mm为调制波幅值；m为谐波次数；
步骤5：计算输出电压谐波含量υ是否达到要求；
若υ≤10％，则符合要求，将最终输出的三相电压并入电网；若υ＞10％，则需要重新整定触发角α1、α3、α5、α7、α9，然后返回步骤2重新计算，使输出电压谐波含量符合要求。
2.根据权利要求1所述的基于跟随光伏电站出力波动的逆变器谐波抑制方法，其特征在于：所述步骤5中重新整定触发角α1、α3、α5、α7、α9遵循以下整定方法， 其中i＝1,2,3,4；α1′、α3′、α5′、α7′、α9′为整定后的触发角。
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