CN108808722A - 光伏并网与电能质量治理统一控制方法 - Google Patents

光伏并网与电能质量治理统一控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光伏并网与电能质量治理统一控制方法，包括如下步骤：光伏阵列分析，对电路模型进行简化处理，通过检测电路和控制电力电子器件的投入，生成相关补偿信号以实现对电网的补偿；电网无功、谐波电流的检测，并将检测的指令信号与并网电流指令信号合成；在电流检测完成的基础上，其各相检测值作为补偿电流的指令值，与直流电压环输出并网电流的有功分量合成，作为调节器输出电流指令；通过扰动观察法改变DC/DC变换器中功率开关管的占空来调整、控制光伏电池工作在最大功率点，实现最大功率跟踪控制，通过DC/DC变换器将直流电压上升，上升后的直流电压为并网逆变器提供电能，并网逆变器采用电流控制方式，以电流源方式向电网注入功率。

Description

光伏并网与电能质量治理统一控制方法
技术领域
本发明属于光伏并网发电系统控制技术领域，涉及一种光伏并网与电能质量治理统一控制方法。
背景技术
光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，将光能转化成电能。太阳能光伏电源系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。光伏并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。就是太阳能光伏发电系统与常规电网相连，共同承担供电任务。光伏并网系统主要由光伏电池板、DC/DC 变换器以及DC/AC逆变器构成。其中，DC/DC变换器负责将太阳能电池组件的宽范围直流输出电压变换为并网逆变器所需要的稳定的直流母线电压，并实现最大功率点跟踪；DC/AC逆变器负责将光伏电池发出的电能以交流电的形式送入电网，供负载使用。光伏并网系统由于投切的随机性和波动出力的方式，对电力系统电能质量的影响包括频率偏差、电压偏差、波形畸变、电压波动和闪变、二相不平衡、长时间电压中断、电压暂降与短时间中断、暂时和瞬时过电压等。主要体现在：谐波问题，一是光伏并网系统通过逆变器控制输出电流的幅值、频率和相位并跟踪并网点电压以实现并网过程中会产生大量谐波，二是由于电力系统中大量非线性负载的使用，导致电网特别是远离负荷中心的电网末梢电能质量下降；对电压的影响，光伏并网系统出力具有典型的不确定性、间歇性等特点，影响电网稳态电压分布，同时也可能使得电网电压畸变，产生电压波动，另外供电系统短路故障等原因也有可能造成电压暂降等问题。配电网中除了投切电容电抗器外，很少有其他动态无功调节设备，通过对光伏并网逆变器输出端电压幅值及相位的调节可补偿畸变电压、改善电压质量。
配电网是整个电力传输的重要组成部分，其从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网，配电网是与用户关系最密切的部分，是向用户提供优质电力的直接保证。随着人们对于新能源发电的关注，大量发电系统接入配电网。光伏并网发电系统运行中会向配电网注入谐波和直流分量，对配电网的安全运行和用电设备的正常工作造成的危害与影响不断增加，造成配电网质量问题日益突出。
发明内容
本发明的目的是提供光伏并网与电能质量治理统一控制方法，提高光伏并网系统的利用率，改善电力系统的电能质量，满足供电的可靠性，效率高且灵活。
为了实现以上目的，本发明提出了一种光伏并网与电能质量治理统一控制方法，包括如下步骤：
(1)光伏阵列分析，对电路模型进行简化处理，通过检测电路和控制电力电子器件的投入，生成相关补偿信号以实现对电网的补偿；
(2)电网无功、谐波电流的检测，并将检测的指令信号与并网电流指令信号合成；
(3)在电流检测完成的基础上，其各相检测值作为补偿电流的指令值，与直流电压环输出并网电流的有功分量合成，作为调节器输出电流指令；
(4)通过扰动观察法改变DC/DC变换器中功率开关管的占空来调整、控制光伏电池工作在最大功率点，实现最大功率跟踪控制，通过DC/DC变换器将直流电压上升，上升后的直流电压为并网逆变器提供电能，并网逆变器采用电流控制方式，以电流源方式向电网注入功率；
(5)通过采样实际的直流母线电压与给定电压比较，两者之差经调节器后得到调节信号，该调节信号和MPPT模块计算得出的光伏阵列有功电流指令一起叠加到有功电流的直流分量上；
(6)经指令合成运算后，在指令信号中包含基波有功、无功和谐波电流；
(7)指令信号由滞环比较控制器调节后，控制主电路按照指令信号产生无差电流注入电网，输出光伏阵列有功能量，调节直流侧电压至给定值，补偿无功和谐波电流；
(8)通过检测负载交流母线上的无功、谐波分量，并将其经过检测提取换算为补偿电流指令，再通过与最大功率检测跟踪MPPT得出变器所要输出的有功电流指令相合成，得到最终并网电流指令，经电流内环调节实现统一控制。
进一步的，步骤(1)中光伏阵列分析中采用光伏电池的I-V特性曲线方程：
再进一步的，步骤(4)中在原有的光伏电池输出电压上增加一个扰动，通过实时采样光伏电池的输出电压和输出电流，计算出瞬时功率，然后与上一次采样得到的功率进行比较，根据瞬时功率增减变化情况，动态地改变DC/DC变换器的占空比来调节光伏电池工作电压，使其向着最大功率点的方向移动。
本发明的技术效果在于：提高光伏并网系统的利用率，改善电力系统的电能质量，满足供电的可靠性，效率高且灵活。
附图说明
图1为光伏电池的等效电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种光伏并网与电能质量治理统一控制方法，包括如下步骤：
(1)光伏阵列分析，对电路模型进行简化处理，通过检测电路和控制电力电子器件的投入，生成相关补偿信号以实现对电网的补偿；
(2)电网无功、谐波电流的检测，并将检测的指令信号与并网电流指令信号合成；
(3)在电流检测完成的基础上，其各相检测值作为补偿电流的指令值，与直流电压环输出并网电流的有功分量合成，作为调节器输出电流指令；
(4)通过扰动观察法改变DC/DC变换器中功率开关管的占空来调整、控制光伏电池工作在最大功率点，实现最大功率跟踪控制，通过DC/DC变换器将直流电压上升，上升后的直流电压为并网逆变器提供电能，并网逆变器采用电流控制方式，以电流源方式向电网注入功率；
(5)通过采样实际的直流母线电压与给定电压比较，两者之差经调节器后得到调节信号，该调节信号和MPPT模块计算得出的光伏阵列有功电流指令一起叠加到有功电流的直流分量上；
(6)经指令合成运算后，在指令信号中包含基波有功、无功和谐波电流；
(7)指令信号由滞环比较控制器调节后，控制主电路按照指令信号产生无差电流注入电网，输出光伏阵列有功能量，调节直流侧电压至给定值，补偿无功和谐波电流；
(8)通过检测负载交流母线上的无功、谐波分量，并将其经过检测提取换算为补偿电流指令，再通过与最大功率检测跟踪MPPT得出变器所要输出的有功电流指令相合成，得到最终并网电流指令，经电流内环调节实现统一控制。
进一步的，步骤(1)中光伏阵列分析中采用光伏电池的I-V特性曲线方程：
再进一步的，步骤(4)中在原有的光伏电池输出电压上增加一个扰动，通过实时采样光伏电池的输出电压和输出电流，计算出瞬时功率，然后与上一次采样得到的功率进行比较，根据瞬时功率增减变化情况，动态地改变DC/DC变换器的占空比来调节光伏电池工作电压，使其向着最大功率点的方向移动。
由于配网中一直存在的谐波和无功及其对电网运行的不利影响，针对传统配网电能质量治理的原理和方法，在对比光伏并网控制结构和原理的相似之处后，本发明提出通过采样电网的负载电流，检测其谐波成分和无功缺额，通过电压外环和电流内环控制控制，加入了MPPT最大功率跟踪和直流侧稳压PI调节，实现了光伏并网发电同时充当电能质量调节器的可行性，先对光伏阵列分析：根据电子学，光伏电池的等效电路，如图1所示。
根据附图，忽略电容C，可以得到光伏电池的I-V特性曲线方程：
上式中由于能较大程度还原光伏电池的基本原理，所以已被广泛应用于光伏电池的分析中，但由于表达式中的参数确定起来十分困难，也不是光伏电池供应商向用户提供的技术参数，因此不便于工程应用，在上式的基础上，对电路模型进行简化处理，推导出一个实用的工程用数学模型。即：
该模型仅需要光伏电池提供四个重要技术参数Im、Isc、Vm和Voc，就能在一定的精度下复现出光伏电池的I-V特性。
由于单个光伏电池的输出功率很小，实际应用的光伏阵列通常是由大量光伏电池串并联组成，对单个光伏电池的模型进行推广即可得到下式所示的光伏阵列的工程用数学模型。
本发明是通过检测电路和控制电力电子器件的投入，生成相关补偿信号以实现对电网的补偿。因此分析光伏并网控制系统，两者的工作方式有一定的相似性，不过多了有功发电这一环节，要实现对电能质量调节以及并网电流的综合控制，其关键技术是电网无功、谐波电流的检测，并将检测的指令信号与并网电流指令信号合成。为了保证电网的供电质量，系统必须能够实现对无功电流补偿的快速反应。在电流检测完成的基础上，其各相检测值作为补偿电流的指令值，与直流电压环输出并网电流的有功分量合成，作为调节器输出电流指令。这样就发挥光伏并网系统有功发电输出和充当电能质量调节器的双重作用。在太阳光强度充足时，两种作用同时进行，在夜晚或者光强不足时，仅进行电能质量调节。
在光伏并网发电系统中，光伏电池是最基本的环节，若要提高整个系统的效率必须要提高光伏电池的转换效率，使其输出功率达到最大。目前，较为常用的最大功率点跟踪方法有扰动观察法和电导增量法两种。其中，扰动观察法的结构简单、被测参数少、容易实现；而电导增量法控制较精确、响应速度较快，在外界环境发生迅速变化时，其动态性能和跟踪特性方面比扰动观察法好。本发明采用的方法是将扰动观察法与DC/DC变换器结合，二者联合起来对最大功率点进行跟踪，即通过扰动观察法改变转换器中功率开关管的占空来调整、控制光伏电池工作在最大功率点，进而实现最大功率跟踪控制。其工作原理：在原有的光伏电池输出电压上增加一个扰动，通过实时采样光伏电池的输出电压和输出电流，计算出瞬时功率，然后与上一次采样得到的功率进行比较，根据瞬时功率增减变化情况，动态地改变DC/DC变换器的占空比来调节光伏电池工作电压，使其向着最大功率点的方向移动，以达到逼近最大功率点的目的。光伏电池以直流源的形式，通过DC/DC变换器将较低的直流电压升为较高的直流电压后为并网逆变器提供电能，并网逆变器采用电流控制方式，以电流源方式向电网注入功率，以达到向电网注入有功功率的目的。由于常规并网逆变电源直流母线电压控制与有源滤波器的直流母线电压的电压控制方式是一致的，即通过调节并网电流有功电流分量的大小和方向来稳定直流母线电压，并且它们的输出都是采用的电流跟踪控制。直流侧稳定控制则是通过采样实际的直流母线电压与给定电压比较，两者之差经调节器后得到调节信号，它和MPPT模块计算得出的光伏阵列有功电流指令一起叠加到有功电流的直流分量上。经指令合成运算后，在指令信号中包含基波有功、无功和谐波电流。指令信号由滞环比较控制器调节后，控制主电路按照指令信号产生无差电流注入电网，输出光伏阵列有功能量，调节直流侧电压至给定值，补偿无功和谐波电流。通过检测负载交流母线上的无功、谐波分量，并将其经过检测提取换算为补偿电流指令，再通过与最大功率检测跟踪MPPT得出变器所要输出的有功电流指令相合成，即可得到最终并网电流指令，经电流内环调节即可实现光伏并网发电和电能质量调节的统一控制。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。

Claims (3)

1.一种光伏并网与电能质量治理统一控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光伏阵列分析，对电路模型进行简化处理，通过检测电路和控制电力电子器件的投入，生成相关补偿信号以实现对电网的补偿；
(2)电网无功、谐波电流的检测，并将检测的指令信号与并网电流指令信号合成；
(3)在电流检测完成的基础上，其各相检测值作为补偿电流的指令值，与直流电压环输出并网电流的有功分量合成，作为调节器输出电流指令；
(4)通过扰动观察法改变DC/DC变换器中功率开关管的占空来调整、控制光伏电池工作在最大功率点，实现最大功率跟踪控制，通过DC/DC变换器将直流电压上升，上升后的直流电压为并网逆变器提供电能，并网逆变器采用电流控制方式，以电流源方式向电网注入功率；
(5)通过采样实际的直流母线电压与给定电压比较，两者之差经调节器后得到调节信号，该调节信号和MPPT模块计算得出的光伏阵列有功电流指令一起叠加到有功电流的直流分量上；
(6)经指令合成运算后，在指令信号中包含基波有功、无功和谐波电流；
(7)指令信号由滞环比较控制器调节后，控制主电路按照指令信号产生无差电流注入电网，输出光伏阵列有功能量，调节直流侧电压至给定值，补偿无功和谐波电流；
(8)通过检测负载交流母线上的无功、谐波分量，并将其经过检测提取换算为补偿电流指令，再通过与最大功率检测跟踪MPPT得出变器所要输出的有功电流指令相合成，得到最终并网电流指令，经电流内环调节实现统一控制。
2.根据权利要求1所述的光伏并网与电能质量治理统一控制方法，其特征在于，步骤(1)中光伏阵列分析中采用光伏电池的I-V特性曲线方程：
3.根据权利要求1所述的光伏并网与电能质量治理统一控制方法，其特征在于，步骤(4)中在原有的光伏电池输出电压上增加一个扰动，通过实时采样光伏电池的输出电压和输出电流，计算出瞬时功率，然后与上一次采样得到的功率进行比较，根据瞬时功率增减变化情况，动态地改变DC/DC变换器的占空比来调节光伏电池工作电压，使其向着最大功率点的方向移动。
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