CN109274120A - 一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法。接线方式为每个光伏农户的电力负载均串联一台电力弹簧装置，所有光伏农户均通过低压电力线路连接到配电网中。通过对各台电力弹簧装置独立进行调节来实现所有农户电力负载的端电压稳定，控制方法为：当光伏并网农户向电网倒送电而引起农户端电压过高时，所述电压调节方法通过调节电力弹簧装置吸收的无功功率大小来维持农户电力负载的端电压稳定；当光伏并网农户(光伏出力不足)向电网取电而引起农户端低电压时，所述电压调节方法通过调节电力弹簧装置发出的无功功率大小来维持农户电力负载的端电压稳定。所述电压调节方法使得农户电力负载的端电压幅值被牢牢地限制在规定的范围内。

Description

一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法

技术领域

本发明涉及新能源并网技术领域，特别是涉及一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法。

背景技术

光伏扶贫主要是在住房屋顶和农业大棚上铺设太阳能电池板，“自发自用、多余上网”。也就是说，农民可以自己使用这些电能，并将多余的电量卖给国家电网。然而，在偏远的农村，并网的时候经常出现电压过高的现象，不仅因为电压过高出现故障报警，而且还导致逆变器停机保护，经常出现这种情况，影响光伏收益。

出现这类情况，工作人员普遍会在逆变器方面找原因，通常的做法是：放宽保护电压范围(可以按照不通地区，将出厂交流电压放宽到150-300V就可以)这种方式针对逆变器经常发生停机保护的事情是很好的解决办法，但是由于输出的电网电压太高，多多少少都会对家用的电器造成影响。如果次数多了的话，对电器的影响还是很大的。

电压过高的现象本质原因：由于低压电力线路的阻抗和阻感比(R/X)均较大，其在光伏发电输送有功功率的时候必然造成农户末端电压偏高。一种办法是增大线缆截面，并选择合适的并网点。这种方法可以从根本上解决电压过高的问题，但增加投资成本，实施难度较大。此外，对于阻性线路传输有功引起的电压过高问题，增加传统的并联型无功补偿装置也无效果。

电力弹簧(Electric spring，ES)能够自动地发出或吸收功率来维持电压稳定，有效克服新能源发电不可预测的缺点，是一种全新的控制思路。但现有电力弹簧方案主要解决源端电网电压波动给用户端关键负载带来的影响，并不能解决用户端向电网倒送电引起的电压波动问题。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法，接线方式为电力弹簧装置(Electric spring device，ESD)与农户电力负荷串联后再接到低压配电网络的馈线上，当光伏并网农户向电网倒送电而引起农户末端高电压时所述电压调节方法通过调节ESD吸收的无功功率大小来维持农户电力负荷的端电压稳定，当光伏并网农户(光伏出力不足)向电网取电而引起农户末端低电压时所述电压调节方法通过调节ESD发出的无功功率大小来维持农户电力负荷的端电压稳定，使得农户电力负荷的端电压幅值被牢牢地限制在规定的范围内。具体调节方案如下。

一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法，其特征在于，单个光伏用户的设备包括光伏发电单元、农户电力负荷和ESD，并且ESD与农户电力负荷串联连接；所有光伏用户均通过低压电力线路连接到配电网中，通过对各台ESD独立进行调节来实现所有农户电力负荷的端电压稳定。

电力弹簧装置ESD的主电路包括：全桥逆变电路，直流滤波电容，交流滤波电感和电容。

所述电压调节方法包括步骤：

A、采集ESD本地的电压电流信息，包括：农户电力负荷端电压u_S、农户电力负荷输入电流i_S、农户末端电网电压u_O、电力弹簧装置ESD的交流滤波电感电流i_L、ESD的直流电容电压U_DC。

B、计算农户电力负荷的功率因数和农户末端电网电压幅值U_O(有效值)，公式为

式中T_line为移动平均值滤波器的时间常数，u_{S_90}为u_S延迟1/4个正弦基波周期后的信号，i_{S_90}为i_S延迟1/4个正弦基波周期后的信号。

C、计算ESD参考电压幅值U_ESref，公式为

式中，U_N为农户电力负荷额定电压值，

D、判断U_O是否大于农户电力负荷额定电压值U_N，并计算ESD参考电压相角差σ，公式为

式中，Switch为模式信号。

E、通过锁相环获取u_O的相位θ_O。

F、通过直流电压附加控制获取ESD参考电压相角差修正量Δσ，公式为

式中，U_DCref为ESD的直流电容电压给定值，G_PI(s)为直流电压附加控制电路中PI调节器的传递函数，ω_n为陷波器需要滤除的谐波角频率，ζ为陷波器品质因数。

G、根据U_ESref、θ_O、σ、Δσ合成ESD参考电压基波u_ESref，公式为

H、电压双闭环控制，公式为

式中，G_PR(s)为ESD输出电压双闭环控制电路中准PR调节器的传递函数，k_p为ESD的电流调节系数，i_ESref为ESD的电流参考值，e_ES为ESD的调制信号。

I、根据电压双闭环控制输出的调制信号驱动ESD的功率管工作，实现ESD的稳压功能。

当Switch＝1时ESD工作在容性输出模式；当Switch＝-1时ESD工作在感性输出模式。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：所述电压调节方法无需通信，只需采集光伏用户的本地电压电流信息来调控本地的ESD，就能够保证光伏并网农户电力负荷的端电压稳定；所述电压调节方法根据农户末端电网电压的幅值大小调节ESD吸收或发出的无功功率大小来维持农户电力负荷的端电压幅值，避免光伏出力波动给农户电力负荷带来的不利影响；所述电压调节方法具有补偿容量小、调节精度高、易于实施的优点。

附图说明

图1为多个光伏用户并网示意图；

图2为电力弹簧装置ESD的主电路；

图3为本发明电力弹簧装置ESD的电压调节方法流程图；

图4为本发明电力弹簧装置ESD的电压调节原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

本发明的目的是提供一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法，该方法根据农户末端电网电压U_O的大小调节ESD发出或吸收无功功率来维持农户电力负荷的端电压，避免光伏出力波动给农户电力负荷带来的不利影响。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1中，单个光伏用户的设备包括：光伏发电单元、农户电力负荷和ESD。电力弹簧装置ESD串联在农户电力负荷上，所有光伏用户均通过低压电力线路连接到配电网中。

图2中，ESD主电路包括：全桥逆变电路，直流滤波电容C_DC，交流滤波电感L和电容C。并且，ESD与农户电力负荷Z_S串联连接。

图2中，农户电力负荷端电压为u_S，农户电力负荷输入电流为i_S，农户末端电网电压为u_O，电力弹簧装置ESD的交流滤波电感电流为i_L，ESD的直流电容电压为U_DC。

图3为本发明实施例基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法流程图；如图3所示，所述方法包括步骤：

A、采集ESD本地的电压电流信息，包括：农户电力负荷端电压u_S、农户电力负荷输入电流i_S、农户末端电网电压u_O、电力弹簧装置ESD的交流滤波电感电流i_L、ESD的直流电容电压U_DC。

B、计算农户电力负荷的功率因数和农户末端电网电压幅值U_O(有效值)，公式为

式中T_line为移动平均值滤波器的时间常数，u_{S_90}为u_S延迟1/4个正弦基波周期后的信号，i_{S_90}为i_S延迟1/4个正弦基波周期后的信号。

C、计算ESD参考电压幅值U_ESref，公式为

式中，U_N为农户电力负荷额定电压值，

D、判断U_O是否大于农户电力负荷额定电压值U_N，并计算ESD参考电压相角差σ，公式为

式中，Switch为模式信号。

E、通过锁相环获取u_O的相位θ_O。

F、通过直流电压附加控制获取ESD参考电压相角差修正量Δσ，公式为

式中，U_DCref为ESD的直流电容电压给定值，G_PI(s)为直流电压附加控制电路中PI调节器的传递函数，ω_n为陷波器需要滤除的谐波角频率，ζ为陷波器品质因数。

G、根据U_ESref、θ_O、σ、Δσ合成ESD参考电压基波u_ESref，公式为

H、电压双闭环控制，公式为

式中，G_PR(s)为ESD输出电压双闭环控制电路中准PR调节器的传递函数，k_p为ESD的电流调节系数，i_ESref为ESD的电流参考值，e_ES为ESD的调制信号。

I、根据电压双闭环控制输出的调制信号驱动ESD的功率管工作，实现ESD的稳压功能。

图4为本发明ESD的电压调节原理图，其中4(a)为U_O偏高的情形，即U_O≥U_N；4(b)为U_O偏低的情形，即U_O≤U_N。图4中，当农户末端电网电压幅值U_O偏高时，需要控制相量超前相量90度，则通过调节ESD吸收的无功功率大小来维持农户电力负荷的端电压幅值U_S；当U_O偏低时，需要控制相量滞后相量90度，则通过调节ESD发出的无功功率大小来维持农户电力负荷的端电压幅值U_S。

根据图4中相量之间的关系，假定端电压幅值U_S保持不变，根据任意已知的可以求解出唯一对应的具体求解和调节方法见图3。同时，为了稳定直流母线电压，在图3中还增加了直流电压附加控制；为了与农户末端电网电压同步，采用了锁相环。

因此，无论U_O偏高还是偏低，所述电压调节方法通过对ESD的调控均能够保持农户电力负荷的端电压幅值基本不变。

由于基于ESD的电压调节方法为串联补偿方法，因此具有补偿容量小的特点。例如，当U_O＝280V，U_N＝220V时，所需最大补偿容量仅为农户电力负荷复功率的62％。

如上所述，对本发明进行了详细的说明，显然，只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果、对本领域的技术人员来说是显而易见的变形，也均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法，其特征在于，所述方法的接线方式为每个光伏农户的电力负载均串联一台电力弹簧装置(Electric springdevice，ESD)，所有光伏农户均通过低压电力线路连接到配电网中，通过对各台ESD独立进行调节来实现所有农户电力负载的端电压稳定。

2.根据权利要求1所述，一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法，其特征在于，所述方法当光伏并网农户向电网倒送电而引起农户末端电压过高时，通过调节ESD吸收的无功功率大小来维持农户电力负载的端电压稳定，当光伏并网农户(光伏出力不足)向电网取电而引起农户端低电压时，通过调节ESD发出的无功功率大小来维持农户电力负载的端电压稳定，使得农户电力负载的端电压幅值被牢牢地限制在规定的范围内。

3.根据权利要求1所述，一种基于电力弹簧技术的末端光伏并网农户的电压调节方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

A、采集ESD本地的电压电流信息；

B、计算农户电力负载的功率因数和农户末端电网电压幅值U_O；

C、计算ESD参考电压幅值U_ESref；

D、判断U_O是否大于农户电力负载额定电压值U_N，并计算ESD参考电压相角差σ；

E、通过锁相环获取农户末端电网电压的相位θ_O；

F、通过直流电压附加控制获取ESD参考电压相角差修正量Δσ；

G、根据U_ESref、θ_O、σ、Δσ合成ESD参考电压基波u_ESref；

H、电压双闭环控制；

I、根据电压双闭环控制输出的调制信号驱动ESD的功率管工作，实现ESD的稳压功能。