CN111585284A - 一种并网用户电压调节装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种并网用户电压调节装置及控制方法，装置包括串联在并网用户末端负荷与并网点之间的调节电路及其对应的控制器；所述调节电路对应的控制器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；所述调节电路，用于通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行；本发明根据并网用户末端电网交流电压的大小维持并网用户末端负荷电压的稳定，使并网用户末端负荷不受电压波动的影响。

Description

一种并网用户电压调节装置及控制方法

技术领域

本发明涉及分布式发电并网控制领域，具体涉及一种并网用户电压调节装置及控制方法。

背景技术

在分布式发电领域中，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。这样会使参与并网的用户的末端电力负荷产生波动。

现有技术中，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)，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，不会消除对用户家用电器造成的影响。

现有技术中另一种方法是利用电力弹簧技术维持电压稳定，此方法可以有效克服新能源发电不可预测的缺点，解决电网电压波动给用户端关键负载带来的影响，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

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种并网用户电压调节装置及控制方法，根据并网用户末端电网交流电压的大小维持并网用户末端负荷电压的稳定，使并网用户末端负荷不受电压波动的影响。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种并网用户电压调节装置，其改进之处在于，所述装置包括：串联在并网用户末端负荷与并网点之间的调节电路及其对应的控制器；

所述调节电路对应的控制器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；

还用于通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行。

优选地，所述调节电路包括功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、二极管D₁、D₂、D₃、D₄、电容C_DC、电容C和电感L；

所述功率开关管S₁、S₂的集电极连接至所述电容C_DC的第一端口，所述功率开关管S₃、S₄的发射极连接至所述电容C_DC的第二端口，所述功率开关管S₁、S₂的发射极分别连接所述功率开关管S₃、S₄的集电极；

所述二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别并联在所述功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄两端，其中，二极管的正极连接功率开关管的发射极，二极管的负极连接功率开关管的集电极；

所述电感L的一端连接所述电容C_DC的第一端口，所述电感L的另一端连接所述电容C的第一端口，所述电容C的第二端口连接功率开关管S₄的集电极；

所述电容C的第一端口连接并网点，所述电容C的第二端口连接并网用户末端负荷。

进一步地，所述调节电路对应的控制器包括依次连接的信号生成器和PWM比较器；

所述信号生成器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成正弦调节信号，并将所述正弦调节信号输入至所述PWM比较器；

所述PWM比较器，用于获取所述控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号。

进一步地，所述信号生成器的传递函数为：

e_ES＝[(u_ESref+u_S-u_O)G_PR(s)-i_L]k_p

式中，e_ES为正弦调节信号，u_O为并网用户末端电网交流电压，u_S为并网用户末端负荷交流电压，u_ESref为参考电压，G_PR(s)为比例谐振调节器的传递函数，i_L为调节电路中电感L的电流，k_p为电流调节系数。

进一步地，按下式确定所述参考电压u_ESref：

式中，U_ESref为参考电压u_ESref的幅值，

U_O为并网用户末端电网直流电压的有效值，U_N为并网用户末端负荷电压额定值，

为并网用户末端负荷的功率因数，

θ_O为并网用户末端电网直流电压U_O的相位，σ为参考电压的相角差，Δσ为参考电压的相角差修正量。

进一步地，按下式确定所述并网用户末端负荷的功率因数

式中，T_line为移动平均滤波器的时间常数，i_S为并网用户末端负荷交流电流，u_{S_90}为并网用户末端负荷交流电压u_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，i_{S_90}为并网用户末端负荷交流电流i_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，dt为时间t的微分量。

进一步地，按下式确定所述参考电压的相角差σ：

式中，Switch为模式信号，

进一步地，按下式确定所述参考电压的相角差修正量Δσ：

式中，U_DCref为电容C_DC直流电压参考值，U_DC为电容C_DC直流电压，G_PI(s)为比例积分控制器传递函数，ω_n为陷波器滤除电容C_DC直流电压U_DC的谐波分量的角频率，ξ为陷波器的品质因数，s为复变量，n为谐波次数。

本发明还提供一种并网用户电压调节装置的控制方法，其改进之处在于，所述方法包括：

控制器根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；

控制器通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行。

与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果：

本发明提供的一种并网用户电压调节装置及控制方法，装置包括串联在并网用户末端负荷与并网点之间的调节电路及其对应的控制器；所述调节电路对应的控制器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；所述调节电路，用于通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行；本发明根据并网用户末端电网交流电压的大小维持并网用户末端负荷电压的稳定，使并网用户末端负荷不受电压波动的影响；本发明中电压调节装置还具有体积和容量小、成本低、即插即用的优点。

附图说明

图1是本发明并网用户电压调节装置的连接关系示意图；

图2是本发明实施例中并网用户电压调节装置中调节电路图；

图3是本发明实施例中并网用户电压调节装置中控制器的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种并网用户电压调节装置，如图1所示，装置包括：串联在并网用户末端负荷与并网点之间的调节电路及其对应的控制器；

调节电路对应的控制器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；

还用于通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行。

在本发明的实施例中，如图2所示，所述调节电路包括功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、二极管D₁、D₂、D₃、D₄、电容C_DC、电容C和电感L；

功率开关管S₁、S₂的集电极连接至所述电容C_DC的第一端口，所述功率开关管S₃、S₄的发射极连接至所述电容C_DC的第二端口，功率开关管S₁、S₂的发射极分别连接所述功率开关管S₃、S₄的集电极；

二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别并联在所述功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄两端，其中，二极管的正极连接功率开关管的发射极，二极管的负极连接功率开关管的集电极；

电感L的一端连接所述电容C_DC的第一端口，电感L的另一端连接所述电容C的第一端口，电容C的第二端口连接功率开关管S₄的集电极；

电容C的第一端口连接并网点，电容C的第二端口连接并网用户末端负荷。

图2中Z_S为并网用户末端负荷。

在本发明的实施例中，调节电路对应的控制器包括依次连接的信号生成器和PWM比较器，其中：

信号生成器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成正弦调节信号，并将所述正弦调节信号输入至所述PWM比较器；

PWM比较器，用于获取所述控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号。

在本发明的实施例中，所述信号生成器的传递函数为：

e_ES＝[(u_ESref+u_S-u_O)G_PR(s)-i_L]k_p

式中，e_ES为正弦调节信号，u_O为并网用户末端电网交流电压，u_S为并网用户末端负荷交流电压，u_ESref为参考电压，G_PR(s)为比例谐振调节器的传递函数，i_L为调节电路中电感L的电流，k_p为电流调节系数。

按下式确定所述参考电压u_ESref：

式中，U_ESref为参考电压u_ESref的幅值，

U_O为并网用户末端电网直流电压的有效值，U_N为并网用户末端负荷电压额定值，

为并网用户末端负荷的功率因数，

θ_O为并网用户末端电网直流电压U_O的相位，σ为参考电压的相角差，Δσ为参考电压的相角差修正量。

在本发明的实施例中，按下式确定所述并网用户末端负荷的功率因数

式中，T_line为移动平均滤波器的时间常数，i_S为并网用户末端负荷交流电流，u_{S_90}为并网用户末端负荷交流电压u_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，i_{S_90}为并网用户末端负荷交流电流i_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，dt为时间t的微分量。

按下式确定所述参考电压的相角差σ：

式中，Switch为模式信号，

按下式确定所述参考电压的相角差修正量Δσ：

式中，U_DCref为电容C_DC直流电压参考值，U_DC为电容C_DC直流电压，G_PI(s)为比例积分控制器传递函数，ω_n为陷波器滤除电容C_DC直流电压U_DC的谐波分量的角频率，ξ为陷波器的品质因数，s为复变量，n为谐波次数。

本发明提供的另一实施例中上述调节电路对应的控制器可以如图3所示，包括：锁相环、有效值生成器、参考电压相角差修正量生成器、参考电压相角差生成器、功率因数生成器、参考电压幅值生成器、信号生成器和PWM比较器；S_p1、S_p2、S_p3、S_p4分别为PWM比较器输出的功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的PWM脉冲信号。

其中，参考电压相角差修正量生成器的传递函数为：

参考电压相角差生成器的传递函数为：

功率因数生成器的传递函数为：

参考电压生成器的传递函数为：

参考电压幅值生成器的传递函数为：

信号生成器的传递函数为：

e_ES＝[(u_ESref+u_S-u_O)G_PR(s)-i_L]k_p

基于同一发明构思，本发明还提供一种并网用户电压调节装置的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤S101、控制器根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；

步骤S102、控制器通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行。

步骤S101可以包括如下步骤：

步骤S1011、根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压确定参考电压；

步骤S1012、根据所述参考电压确定正弦调节信号，并输入PWM比较器生成所述控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号。

步骤S1011中，可以按下式确定参考电压u_ESref：

式中，U_ESref为参考电压u_ESref的幅值，

U_O为并网用户末端电网直流电压的有效值，U_N为并网用户末端负荷电压额定值，

为并网用户末端负荷的功率因数，

θ_O为并网用户末端电网直流电压U_O的相位，σ为参考电压的相角差，Δσ为参考电压的相角差修正量。

其中，并网用户末端负荷的功率因数

可以按下式确定：

式中，T_line为移动平均滤波器的时间常数，i_S为并网用户末端负荷交流电流，u_{S_90}为并网用户末端负荷交流电压u_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，i_{S_90}为并网用户末端负荷交流电流i_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，dt为时间t的微分量。

其中，参考电压的相角差σ可以按下式确定：

式中，Switch为模式信号，

U_ESref为参考电压u_ESref的幅值。

其中，参考电压的相角差修正量Δσ可以按下式确定：

式中，U_DCref为电容C_DC直流电压参考值，U_DC为电容C_DC直流电压，G_PI(s)为比例积分控制器传递函数，ω_n为陷波器滤除电容C_DC直流电压U_DC的谐波分量的角频率，ξ为陷波器的品质因数，s为复变量，n为谐波次数。

步骤S1011中，可以按下式确定正弦调节信号e_ES：

e_ES＝[(u_ESref+u_S-u_O)G_PR(s)-i_L]k_p

式中，u_O为并网用户末端电网交流电压，u_S为并网用户末端负荷交流电压，u_ESref为参考电压，G_PR(s)为比例谐振调节器的传递函数，i_L为调节电路中电感L的电流，k_p为电流调节系数。

步骤S102中，可以包括如下步骤：

通过四个PWM脉冲信号分别控制四个功率开关管的导通和关断，以达到通过调节功率开关管的电压实现与调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行的目的。

其中，调节电路可以包括功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、二极管D₁、D₂、D₃、D₄、电容C_DC、电容C和电感L；

功率开关管S₁、S₂的集电极连接至所述电容C_DC的第一端口，功率开关管S₃、S₄的发射极连接至所述电容C_DC的第二端口，功率开关管S₁、S₂的发射极分别连接所述功率开关管S₃、S₄的集电极；

二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别并联在所述功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄两端，其中，二极管的正极连接功率开关管的发射极，二极管的负极连接功率开关管的集电极；

电感L的一端连接所述电容C_DC的第一端口，电感L的另一端连接所述电容C的第一端口，电容C的第二端口连接功率开关管S₄的集电极；

电容C的第一端口连接并网点，电容C的第二端口连接并网用户末端负荷。

其中，控制器可以如图3所示，包括：锁相环、有效值生成器、参考电压相角差修正量生成器、参考电压相角差生成器、功率因数生成器、参考电压幅值生成器、信号生成器和PWM比较器；S_p1、S_p2、S_p3、S_p4分别为PWM比较器输出的功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄的PWM脉冲信号。

综上所述，本发明提供的一种并网用户电压调节装置及控制方法，包括串联在并网用户末端负荷与并网点之间的调节电路及其对应的控制器；所述调节电路对应的控制器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；所述调节电路，用于通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行；本发明根据并网用户末端电网交流电压的大小维持并网用户末端负荷电压的稳定，使并网用户末端负荷不受电压波动的影响；本发明中电压调节装置还具有体积和容量小、成本低、即插即用的优点。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种并网用户电压调节装置，其特征在于，所述装置包括：串联在并网用户末端负荷与并网点之间的调节电路及其对应的控制器；

所述调节电路对应的控制器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号，还用于通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调节电路包括功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄、二极管D₁、D₂、D₃、D₄、电容C_DC、电容C和电感L；

所述功率开关管S₁、S₂的集电极连接至所述电容C_DC的第一端口，所述功率开关管S₃、S₄的发射极连接至所述电容C_DC的第二端口，所述功率开关管S₁、S₂的发射极分别连接所述功率开关管S₃、S₄的集电极；

所述二极管D₁、D₂、D₃、D₄分别并联在所述功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄两端，其中，二极管的正极连接功率开关管的发射极，二极管的负极连接功率开关管的集电极；

所述电感L的一端连接所述电容C_DC的第一端口，所述电感L的另一端连接所述电容C的第一端口，所述电容C的第二端口连接功率开关管S₄的集电极；

所述电容C的第一端口连接并网点，所述电容C的第二端口连接并网用户末端负荷。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述调节电路对应的控制器包括依次连接的信号生成器和PWM比较器；

所述信号生成器，用于根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成正弦调节信号，并将所述正弦调节信号输入至所述PWM比较器；

所述PWM比较器，用于获取所述控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号。

4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述信号生成器的传递函数为：

e_ES＝[(u_ESref+u_S-u_O)G_PR(s)-i_L]k_p

式中，e_ES为正弦调节信号，u_O为并网用户末端电网交流电压，u_S为并网用户末端负荷交流电压，u_ESref为参考电压，G_PR(s)为比例谐振调节器的传递函数，i_L为调节电路中电感L的电流，k_p为电流调节系数。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，按下式确定所述参考电压u_ESref：

式中，U_ESref为参考电压u_ESref的幅值，

U_O为并网用户末端电网直流电压的有效值，U_N为并网用户末端负荷电压额定值，

为并网用户末端负荷的功率因数，

θ_O为并网用户末端电网直流电压U_O的相位，σ为参考电压的相角差，Δσ为参考电压的相角差修正量。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，按下式确定所述并网用户末端负荷的功率因数

式中，T_line为移动平均滤波器的时间常数，i_S为并网用户末端负荷交流电流，u_{S_90}为并网用户末端负荷交流电压u_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，i_{S_90}为并网用户末端负荷交流电流i_S延迟1/4个正弦周期后的交流电流，dt为时间t的微分量。

7.如权利要求5所述的装置，其特征在于，按下式确定所述参考电压的相角差σ：

式中，Switch为模式信号，

8.如权利要求5所述的装置，其特征在于，按下式确定所述参考电压的相角差修正量Δσ：

式中，U_DCref为电容C_DC直流电压参考值，U_DC为电容C_DC直流电压，G_PI(s)为比例积分控制器传递函数，ω_n为陷波器滤除电容C_DC直流电压U_DC的谐波分量的角频率，ξ为陷波器的品质因数，s为复变量，n为谐波次数。

9.一种如权利要求1～8任一所述并网用户电压调节装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

控制器根据并网用户末端电网交流电压和末端负荷交流电压生成控制所述调节电路中功率开关管的PWM脉冲信号；

控制器通过所述PWM脉冲信号控制所述调节电路中功率开关管，使与所述调节电路连接的并网用户末端负荷稳定运行。

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