CN112152259B - 一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法及系统 - Google Patents

一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法及系统，采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，通过控制光伏并网逆变器的工作状态限制分布式光伏发电的输出功率，设置制动控制环节形成协同控制系统调节光伏并网点电压，电压越限时光伏并网点本地负荷无功控制优先生效，避免对配电网消纳光伏发电能力的影响。本发明可有效解决分布式光伏并网点电压越限问题，且最大化地保证配电网对光伏发电的消纳能力。

Description

一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法及系统
技术领域
本发明涉及一种新能源发电并网控制技术，特别涉及了一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法及系统。
背景技术
由于大量分布式光伏发电系统并网运行，光伏发电容量所占系统总容量的比例越来越高，对电力系统的影响逐步加大。光伏并网点电压越限问题即为影响电网安全稳定的一个重要因素。在电压发生越限时，给予系统动态无功功率支撑，可有效改善光伏并网点电压越限程度，提高分布式光伏发电系统并网的安全稳定性。光伏并网逆变器具备快速无功补偿的能力，且对其剩余容量的利用可减少系统无功补偿设备的投入成本。在逆变器无功容量受限时，限制逆变器输出有功功率可增大逆变器的无功容量。
尽管限制光伏并网逆变器有功输出是应对其无功充裕性不足时的有效措施，但未考虑对分布式光伏发电系统渗透率的影响，不能在保证无功需求的基础上，尽可能地减少弃光。因此，还需一种可有效减少光伏并网点电压越限现象，且最大化地保证配电网对光伏发电消纳能力的分布式光伏并网协同控制系统。
发明内容
发明目的：为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法及系统，兼顾弥补光伏并网逆变器无功充裕性不足与保证配电网对光伏发电的消纳能力。
技术方案：本发明所述的一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法，包括主电路结构和控制模块，采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率；通过控制光伏并网逆变器的工作状态限制分布式光伏发电的输出功率，设置制动控制环节形成协同控制来调节光伏并网点电压，电压越限时分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率控制优先生效，以避免对配电网消纳光伏发电能力的影响。
所述采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，是将并网点电压UPCC的偏离值送入PI调节器，根据PI调节器输出值m的符号对相位差θ进行取值，为-90°或者90°；单相锁相环PLL确定本地负荷电流INC的相位角，将m进行限幅并取绝对值后与sinα相乘得到调制信号送入PWM发生器，其中α为本地负荷电流INC相位角与相位差θ之和；PWM发生器的输出信号作为背靠背变流器中二级变流器的控制信号。
所述设置制动控制环节形成协同控制来调节光伏并网点电压，是指通过制动控制环节来切换光伏并网逆变器控制的运行/制动模式：当仅依靠光伏并网点本地负荷无功功率控制无法有效调节光伏并网点电压时，经所述制动控制环节将光伏并网逆变器控制模式切换为运行模式，光伏并网点电压维持在设定值水平后，经制动控制环节将光伏并网逆变器控制模式切换为制动模式；所述运行模式是通过限制分布式光伏发电系统的输出功率来稳定光伏并网点电压，所述制动模式是采用分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率控制来稳定光伏并网点电压。
所述运行模式包括以下过程：
步骤1，计算并网逆变器控制过程中输出有功功率的设定参考值P’和无功功率的设定参考值Q’为：
Figure BDA0002676884500000021
其中，Uref为电压参考值，kP为有功功率调节系数，kQ为无功功率调节系数，P为光伏输出的实时功率，UPCC为光伏并网点电压；
步骤2，根据功率因数的范围确定功率因数
Figure BDA0002676884500000022
Figure BDA0002676884500000023
其中，n为功率因数范围参数；
步骤3，确定有功功率设定值Pref和无功功率设定值Qref：
Figure BDA0002676884500000024
步骤4，在经过等功率坐标变换的电压定向同步旋转坐标系中，得到d-q坐标轴上的电流参考值：
Figure BDA0002676884500000025
其中，id_ref为d轴的电流参考值，iq_ref为q轴的电流参考值，Pref为有功功率设定值，Qref为无功功率设定值，Ud为旋转坐标系的电压分量；
步骤5，将d-q坐标轴上的电流参考值与实际值作差送入PI调节器，再经坐标系变换后得到调制信号送入PWM发生器，PWM发生器的输出信号作为光伏并网逆变器的控制信号。
本发明还提出一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统，包括分布式光伏发电系统，所述分布式光伏发电系统通过光伏并网逆变器接入电网，所述分布式光伏发电系统本地负荷中的非关键负荷通过背靠背变流器接入电网；该系统应用上述分布式光伏并网协同控制方法来稳定光伏并网点电压。
其中所述制动控制环节采用同向输出的施密特电路技术，当光伏并网点电压越限时，在电压上升与下降的过程中采用不同的阈值电压，用于切换光伏并网逆变器控制模式。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：1、本发明通过背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，通过控制光伏并网逆变器的工作状态限制分布式光伏发电的输出功率，设置制动控制环节，出现越限现象时优先采取本地负荷无功控制调节光伏并网点电压，避免对配电网消纳光伏发电能力的影响；2、本发明对于解决分布式光伏发电并网点电压越限问题、减少光伏发电系统出力带来的降低分布式光伏发电的利用率问题具有积极作用。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明光伏并网点本地负荷无功功率控制结构图；
图3为本发明光伏并网逆变器控制结构图；
图4为分布式光伏发电系统输出功率波形；
图5为未采取控制措施的光伏并网点电压波形；
图6为光伏并网点本地负荷无功控制参与调节后光伏并网点电压波形；
图7为采用本发明所得到光伏并网点电压波形。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
图1为本发明所述的防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统结构示意图，包括主电路结构。分布式光伏发电系统通过并网逆变器，从公共连接点处接入电网。选取分布式光伏发电系统本地负荷中的非关键负荷，采用背靠背变流器加以控制，形成光伏并网点本地负荷无功控制，用于调节光伏并网点电压。背靠背变流器系统是由两个电压源型脉冲宽度调制变流器依靠中间直流储能电容以背靠背的方式连接，一侧变流器工作于整流状态，另一侧变流器工作于逆变状态，共同实现两侧交流系统之间的功率交换。制动控制环节采用同向输出的施密特电路技术，当光伏并网点电压越限时，在电压上升与下降的过程中采用不同的阈值电压，用于切换光伏并网逆变器控制模式的判断。正向阈值电压值大于反向阈值电压值。当光伏并网点电压偏离值小于正向阈值电压值时，光伏并网逆变器控制处于制动模式，光伏并网点本地负荷无功控制优先生效，通过本地负荷吸收无功功率，可有效稳定光伏并网点电压。单纯依靠光伏并网点本地负荷无功控制参与调节下，光伏并网点电压偏离值仍然达到正向阈值电压值，则光伏并网逆变器控制进入运行模式，限制分布式光伏发电系统的输出功率，稳定光伏并网点电压。光伏并网点电压偏离值小于反向阈值电压值后，光伏并网逆变器控制重新进入制动模式，仅光伏并网点本地负荷无功控制调节作用生效。
光伏并网点本地负荷无功控制包括电路结构和控制模块。光伏并网点本地负荷无功控制结构如图2所示，背靠背变流器与本地负荷串联，其中直流储能电容C作用于提供直流电压支撑，并减少直流侧谐波；交流侧电感L作用于变流器与交流电网实现能量交换，滤除电流中的谐波；Cf和Lf组成的低通滤波器作用于滤除高频信号。UNC和INC分别为本地负荷两端电压和流经本地负荷的电流。背靠背变流器中一级变流器作为整流器，采用普通整流器所使用的单位功率因数稳压控制回路，用于将配电网的交流电压转换为稳定的直流电压输出，并实现二级变流器输入侧的单位功率因数控制。二级变流器作为逆变器，根据光伏并网点电压偏离值来实现对输出侧交流电压Uac的幅值和相位的实时控制，从而实现对本地负荷无功功率的灵活控制，使得光伏并网点电压UPCC稳定在允许范围内。非关键负载电压UNC、交流侧输出电压Uac与本地负荷电压UL的矢量关系：
UL＝Uac+UNC (1)
UNC即为背靠背变流器参与调节前的UPCC，将UL视为背靠背变流器参与调节后的UPCC。背靠背变流器产生的Uac应与INC呈正交关系，Uac超前INC的相位差θ应被控制为-90°/90°。通过测量装置实时监测UPCC，根据UPCC偏离值的大小动态改变Uac的幅值，Uac幅值应与UPCC偏离值的绝对值成正比，同时根据UPCC偏离值的正负改变相位差θ的角度。
采用电压跟随控制回路，将UPCC偏离值送入PI调节器，根据PI调节器输出值m的符号对θ进行取值；单相锁相环PLL用于确定INC的相位角，α为INC相位角与θ之和。将m进行限幅并取绝对值后与sinα相乘得到调制信号送入PWM发生器。
光伏并网逆变器控制包括电路结构和控制模块。光伏并网逆变器控制结构如图3所示，制动控制环节主要利用同向输出的施密特电路技术，当UPCC越限时，在电压上升与下降的过程中采用不同的阈值电压，用于切换光伏并网逆变器控制模式的判断。正向阈值电压UT1大于反向阈值电压UT2。当UPCC偏离值小于UT1时，光伏并网逆变器控制处于制动模式，光伏并网点本地负荷无功控制优先生效，通过本地负荷吸收无功功率，可有效稳定UPCC。单纯依靠光伏并网点本地负荷无功控制参与调节下，UPCC偏离值仍然达到UT1，则光伏并网逆变器控制进入运行模式，限制分布式光伏发电系统的输出功率，稳定UPCC。UPCC偏离值小于UT2后，光伏并网逆变器控制重新进入制动模式，仅光伏并网点本地负荷无功控制调节作用生效。
光伏并网逆变器控制进入运行模式时，通过以下步骤调节并网点电压：
步骤1，将UPCC越限值相乘调节系数后与光伏输出的实时功率相加，得到并网逆变器控制过程中输出有功功率的设定参考值P’和无功功率的设定参考值Q’为：
Figure BDA0002676884500000051
其中，Uref为电压参考值，kP为有功功率调节系数，kQ为无功功率调节系数，P为光伏输出的实时功率；
步骤2，根据功率因数的范围确定功率因数
Figure BDA0002676884500000052
Figure BDA0002676884500000053
其中，n为功率因数范围参数；
步骤3，确定有功功率设定值Pref和无功功率设定值Qref：
Figure BDA0002676884500000054
步骤4，在经过等功率坐标变换的电压定向同步旋转坐标系中，得到d-q坐标轴上的电流参考值：
Figure BDA0002676884500000055
其中，Ud为旋转坐标系的电压分量；
步骤5，将d-q坐标轴上的电流参考值与实际值作差送入PI调节器，再经坐标系变换后得到调制信号送入PWM发生器，PWM发生器的输出信号作为光伏并网逆变器的控制信号，用以调节光伏系统输出来稳定并网点电压。
下面以图4至图7为例对本发明所提防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统进行更进一步的说明：
配电网正常允许的最高电压为1.05UN，UN为额定电压。实施例中光伏并网点电压设定值Uref即为UN。图4为实施例中分布式光伏发电系统输出的功率波形，在10s-90s之间，分布式光伏发电系统出力突增。图5为实施例中未采取控制措施的光伏并网点电压波形。0-40s内，UPCC维持在正常范围内；40s之后，UPCC出现越限现象。图6为实施例中光伏并网点本地负荷无功控制参与调节后光伏并网点电压波形，在40s时UPCC仍然出现越限现象。依据本发明的技术思想，当UPCC偏离值达到UT1时，分布式光伏并网逆变器控制进入运行模式，改变分布式光伏并网逆变器工作状态，限制光伏发电输出功率；当UPCC偏离值降至UT2时，切换光伏并网逆变器控制接进入制动模式，恢复分布式光伏发电的最大出力，避免对配电网消纳光伏发电能力的影响。采用本发明所提防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统进行控制得到的光伏并网点电压波形如图7所示，38s时在光伏并网点本地负荷无功控制参与调节的作用下，UPCC偏离值仍然达到UT1，光伏并网逆变器控制进入运行模式，限制光伏发电输出功率。61s时UPCC偏离值小于UT2，切换光伏并网逆变器控制进入制动模式，仅光伏并网点本地负荷无功控制调节作用生效。73s时UPCC偏离值再次达到UT1，切换光伏并网逆变器控制重新进入运行模式，稳定UPCC。UPCC始终处于正常运行所允许的范围之内。

Claims (5)

1.一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法，其特征在于：采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，通过控制光伏并网逆变器的工作状态限制分布式光伏发电的输出功率，设置制动控制环节形成协同控制用以调节光伏并网点电压，电压越限时分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率控制优先生效；所述设置制动控制环节形成协同控制来调节光伏并网点电压，是指：当仅依靠光伏并网点本地负荷无功功率控制无法有效调节光伏并网点电压时，经所述制动控制环节将光伏并网逆变器控制模式切换为运行模式，光伏并网点电压维持在设定值水平后，经制动控制环节将光伏并网逆变器控制模式切换为制动模式；所述运行模式是通过限制分布式光伏发电系统的输出功率来稳定光伏并网点电压，所述制动模式是采用分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率控制来稳定光伏并网点电压；所述运行模式包括以下过程：
步骤1，计算并网逆变器控制过程中输出有功功率的设定参考值P’和无功功率的设定参考值Q’为：
Figure FDA0003403108220000011
其中，Uref为电压参考值，kP为有功功率调节系数，kQ为无功功率调节系数，P为光伏输出的实时功率，UPCC为光伏并网点电压；
步骤2，根据功率因数的范围确定功率因数
Figure FDA0003403108220000012
Figure FDA0003403108220000013
其中，n为功率因数范围参数；
步骤3，确定有功功率设定值Pref和无功功率设定值Qref：
Figure FDA0003403108220000014
步骤4，在经过等功率坐标变换的电压定向同步旋转坐标系中，得到d-q坐标轴上的电流参考值：
Figure FDA0003403108220000015
其中，id_ref为d轴的电流参考值，iq_ref为q轴的电流参考值，Pref为有功功率设定值，Qref为无功功率设定值，Ud为旋转坐标系的电压分量；
步骤5，将d-q坐标轴上的电流参考值与实际值作差送入PI调节器，再经坐标系变换后得到调制信号送入PWM发生器，PWM发生器的输出信号作为光伏并网逆变器的控制信号。
2.根据权利要求1所述的防止电压越限的分布式光伏并网协同控制方法，其特征在于：所述采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，是将并网点电压UPCC的偏离值送入PI调节器，根据PI调节器输出值m的符号对相位差θ进行取值，为-90°或者90°；单相锁相环PLL确定本地负荷电流INC的相位角，将m进行限幅并取绝对值后与sinα相乘得到调制信号送入PWM发生器，其中α为本地负荷电流INC相位角与相位差θ之和；PWM发生器的输出信号作为背靠背变流器中二级变流器的控制信号。
3.一种防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统，其特征在于：该系统包括分布式光伏发电系统，所述分布式光伏发电系统通过光伏并网逆变器接入电网，所述分布式光伏发电系统本地负荷中的非关键负荷通过背靠背变流器接入电网；该系统采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，通过控制光伏并网逆变器的工作状态限制分布式光伏发电的输出功率，设置制动控制环节形成协同控制用以调节光伏并网点电压，电压越限时分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率控制优先生效；当仅依靠光伏并网点本地负荷无功功率控制无法有效调节光伏并网点电压时，经所述制动控制环节将光伏并网逆变器控制模式切换为运行模式，光伏并网点电压维持在设定值水平后，经制动控制环节将光伏并网逆变器控制模式切换为制动模式；所述运行模式是通过限制分布式光伏发电系统的输出功率来稳定光伏并网点电压，所述制动模式是采用分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率控制来稳定光伏并网点电压；所述运行模式包括以下过程：
步骤1，计算并网逆变器控制过程中输出有功功率的设定参考值P’和无功功率的设定参考值Q’为：
Figure FDA0003403108220000021
其中，Uref为电压参考值，kP为有功功率调节系数，kQ为无功功率调节系数，P为光伏输出的实时功率，UPCC为光伏并网点电压；
步骤2，根据功率因数的范围确定功率因数
Figure FDA0003403108220000022
Figure FDA0003403108220000023
其中，n为功率因数范围参数；
步骤3，确定有功功率设定值Pref和无功功率设定值Qref：
Figure FDA0003403108220000024
步骤4，在经过等功率坐标变换的电压定向同步旋转坐标系中，得到d-q坐标轴上的电流参考值：
Figure FDA0003403108220000031
其中，id_ref为d轴的电流参考值，iq_ref为q轴的电流参考值，Pref为有功功率设定值，Qref为无功功率设定值，Ud为旋转坐标系的电压分量；
步骤5，将d-q坐标轴上的电流参考值与实际值作差送入PI调节器，再经坐标系变换后得到调制信号送入PWM发生器，PWM发生器的输出信号作为光伏并网逆变器的控制信号。
4.根据权利要求3所述的防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统，其特征在于：所述采用背靠背变流器控制分布式光伏发电系统并网点本地负荷的无功功率，是将并网点电压UPCC的偏离值送入PI调节器，根据PI调节器输出值m的符号对相位差θ进行取值，为-90°或者90°；单相锁相环PLL确定本地负荷电流INC的相位角，将m进行限幅并取绝对值后与sinα相乘得到调制信号送入PWM发生器，其中α为本地负荷电流INC相位角与相位差θ之和；PWM发生器的输出信号作为背靠背变流器中二级变流器的控制信号。
5.根据权利要求3所述的防止电压越限的分布式光伏并网协同控制系统，其特征在于：所述制动控制环节采用同向输出的施密特电路技术，当光伏并网点电压越限时，在电压上升与下降的过程中采用不同的阈值电压，用以切换光伏并网逆变器控制模式。
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