CN112366752B - 一种基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法，可在仅需局部测量和有限通信的条件下基于电压不平衡度进行无功控制调节，通过控制光伏逆变器的无功功率，使光伏逆变器与低压配电网进行无功功率交换，进行基于无功控制的自适应控制，重新配置控制增益以适应不同的电网条件，进行三相配电网的电压不平衡补偿。本发明并通过光伏逆变器的无功调节，降低公共耦合点电压不平衡度，实现并网点电压稳定控制，提高短期电压稳定性的短路供电能力，有助于避免可能出现的电压不稳定，可有效实现配电网三相不平衡补偿与分布式光伏有功功率的输出稳定，由此保证光伏发电机组的连续运行，保障配电网可靠运行。

Description

一种基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法和系统

技术领域

本发明涉及一种基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法和系统，属于新能源发电及并网控制技术领域。

背景技术

随着分布式光伏的推广，原有的单源辐射形配电网转变为多源荷共存网络，使得电网潮流与电压分布特征更为复杂，更易出现三相不平衡状况。由于负序分量的存在，逆变器直流侧出现二次纹波电流和纹波电压，将严重影响逆变器控制性能。为减小对电网安全稳定的影响，对光伏发电这一分布式能源参与配电网无功优化和电压调控产生了对多电压层级配电网无功电压进行协调控制，能够满足线损最小及容量限制等要求。针对配电网不同工况与光伏发电系统不同出力下，有功功率、无功功率优化分配的补偿，可以实现光伏发电系统最大程度提高并网点供电质量。对于光伏接入配网导致的并网点电压抬升问题，可通过合理控制光伏并网逆变器输出有功无功功率，来对电压进行调整，同时兼顾光伏运行效率。

尽管目前已有越来越多的学者对光伏接入的电压控制问题展开研究，光伏并网电站通常采用单位功率因数控制，不参与电网的无功功率调节，因此没有充分发挥光伏逆变器的无功调节功能，造成光伏逆变器无功的大量闲置，已有的光伏无功调控方法缺少对三相不平衡状况的应对策略，利用已知的平衡网电压调节策略会增加不平衡无功潮流，导致逆变器跳闸等，从而恶化电网运行状况。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的缺陷，本发明提供一种仅需局部测量和有限通信即可基于电压不平衡度的无功控制实现配电网不平衡补偿的方法，避免可能出现的电压不稳定。

技术方案：本发明的一种基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法，通过控制光伏逆变器的无功功率，使光伏逆变器与低压配电网进行无功功率交换，进行基于无功控制的自适应控制，重新配置控制增益以适应不同的电网条件，根据测量线电压为每相提供不同的无功功率，进行三相配电网的电压不平衡补偿，具体包括如下步骤：

S1：计算最大无功功率容量和平均线电压；

S2：计算逆变器的无功参考值；

S3：将并网点处电网电压V_abc和电流I_abc、由电网运营商设置的有功参考值P_ref、步骤S2计算得到的无功参考值Q_ref作为测量控制器的输入，利用坐标变换产生对称分量；

S4：将S3产生的对称分量输入基准发生器模块中，产生电流基准值；

S5：将S4中产生的电流基准值输入到电流控制器模块中，电流控制器模块以此控制输出电流。

S1包括以下步骤：

S11，计算逆变器最大无功功率容量Q^max _PV，i：

其中，P_PV，i为第i个光伏向网络注入的有功功率，S^max _PV，i为其额定容量；

为第i个光伏向网络注入的有功功率最大值；

S12，计算平均线电压V_i ^ave为：

其中，V_i ^AB、V_i ^BC、V_i ^CA为相间电压。

S2包括以下步骤：

S21，定义利用率(UR^PP _PV，i(t))用以计算三相逆变器对网络电压平衡的贡献：

其中，V_i ^PP(t)是通过逆变器的两相间电压，k_v ^ind和k_v ^cap分别表示用于调整控制方法的收敛速度的常参数和调整控制方法精度的常参数，Δt表示采样时间段；

S22，当光伏逆变器的线电压(V_i ^PP(t))高于平均线电压(V_i ^ave(t))时，UR^PP _PV，i(t)为正，表示光伏应该吸收无功功率(感应)以降低连接点的电压；相反，负利用率表示光伏逆变器应注入无功(电容)以提高电压，由此得到逆变器交换的无功参考值为：

S3包括以下步骤：

S31，将非对称故障期间并网点电压和电流用正序、负序和零序分量的总和表示为：

其中，上标+、-、和0分别表示正序、负序和零序。

S32，将并网点电压进行克拉克变换后用静止坐标系表示为：

S33，将αβ坐标系下的正负序电压表示为时间的函数：

其中，ω是电网角频率，V+、ψ+和V-、ψ-分别是正序和负序的幅值和初始相角。

S4包括以下步骤：

S41，根据三项基本功率理论，基准发生器模块处理电压和功率的序列分量，将瞬时有功功率和瞬时无功功率表示为：

S42，根据瞬时功率方程及其与正负序电压电流的关系，将有功和无功电流基准值表示为：

式中，P+、P-、Q+、Q-分别为正序、负序有功、无功参考功率。为了识别不平衡电压跌落后的柔性功率控制，通过电流控制器模块引入两种控制增益，分别为有功增益k_p和无功增益k_q，其表达式如下：

S43，根据公式计算将正负序电流的幅值表示为：

S44，假设光伏发电机在稳态条件下以单位功率因数V_n运行(0.95<V_n<1.05)，当电压低于0.95pu或高于1.05pu时，逆变器注入或吸收无功功率；则无功电流参考值为：

其中，I和V_gp分别表示视在额定电流和电网瞬时电压标幺值，μ是无功电流调节系数，取值范围为1.5～2.5。

本发明还提供一种基于光伏逆变器的电压实时调控系统，包括用于提取电压和电流序列分量的测量控制器，用于处理序列分量，产生参考电流的基准发生器和根据参考电流调控输出电流的电流控制器。

其中电流控制器模块包括两个用于精确控制输出电流的比例谐振控制器。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：在仅需局部测量和有限通信的条件下，给出了一种基于电压不平衡度的无功控制调节方法和系统，可实现配电网不平衡补偿，并通过光伏逆变器的无功调节，降低公共耦合点电压不平衡度，实现并网点电压稳定控制，同时提高了短期电压稳定性的短路供电能力，从而有助于避免可能出现的电压不稳定；可有效实现配电网三相不平衡补偿与分布式光伏有功功率的输出稳定，由此保证光伏发电机组的连续运行，保障配电网可靠运行，和传统的控制方法相比原理简单，便于实际应用。

附图说明

图1为本发明基于无功控制的自适应控制框图；

图2为本发明基于无功控制的自适应控制结构图；

图3(a)为采用本发明实施电压不平衡抑制前后，三相电网电流波形；

图3(b)为采用本发明实施电压不平衡抑制前后，三相并网电压波形；

图3(c)为采用本发明实施电压不平衡抑制前后，直流侧电压波形；

图3(d)为采用本发明实施电压不平衡抑制前后，光伏输出功率波形；

图4为采用本发明实施电压不平衡抑制前后，控制侧参数变化波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

图1为本发明基于光伏逆变器的电压实时调控系统的控制框图，系统包括用于提取电压和电流序列分量的测量控制器，用于处理序列分量，产生参考电流的基准发生器和根据参考电流调控输出电流的电流控制器。其中电流控制器模块包括两个用于精确控制输出电流的比例谐振控制器。

测量控制器的输入为在并网点处测量的电网电压V_abc和电流I_abc，有功参考值P_ref和无功参考值Q_ref由电网运营商设置，利用克拉克变换将电压、电流变换为αβ坐标系，然后利用序变换产生对称分量；接下来，基准发生器模块处理电压和功率的序列分量，并产生电流基准值；最后，电流控制器模块通过两个比例谐振控制器实现输出电流的精确控制。

无功功率交换包括以下过程：

步骤1，计算逆变器最大无功功率容量Q^max _PV，i为：

其中，P_PV，i为第i个光伏向网络注入的有功功率，S^max _PV，i为其额定容量；

步骤2，计算平均线电压V_i ^ave为：

步骤3，定义利用率(UR^PP _PV，i(t))用以评估三相逆变器对网络电压平衡的贡献：

其中，V_i ^PP(t)是通过逆变器的两相间电压，k_v ^ind和k_v ^cap分别表示用于调整控制方法的收敛速度的常参数和调整控制方法精度的常参数，Δt表示采样时间段。

步骤4，当光伏逆变器的线电压(V_i ^PP(t))高于平均线电压(V_i ^ave(t))时，UR^PP _PV，i(t)为正。这意味着光伏应该吸收无功功率(感应)以降低连接点的电压。相反，负利用率迫使光伏逆变器注入无功(电容)以提高电压。由此得到逆变器交换的无功功率参考值为：

无功控制的自适应控制包括以下过程：

步骤1，将非对称故障期间并网点电压和电流用正序、负序和零序分量的总和表示为：

其中，上标+、-、和0分别表示正序、负序和零序。

步骤2，将并网点电压进行克拉克变换后用静止坐标系表示为：

步骤3，将αβ坐标系下的正负序电压表示为时间的函数：

其中，ω是电网角频率，V+、ψ+和V-、ψ-分别是正序和负序的幅值和初始相角。

步骤4，根据三项基本功率理论，基准发生器模块处理电压和功率的序列分量，将瞬时有功功率和瞬时无功功率表示为：

步骤5，根据瞬时功率方程及其与正负序电压电流的关系，将有功和无功电流基准值表示为：

式中，P+、P-、Q+、Q-分别为正序、负序有功、无功参考功率。为了识别不平衡电压跌落后的柔性功率控制，通过电流控制器模块引入两种控制增益，分别为有功增益kp和无功增益kq，通过两个比例谐振控制器实现输出电流的精确控制。

步骤6，根据公式计算将正负序电流的幅值表示为：

步骤7，假设光伏发电机在稳态条件下以单位功率因数运行(0.95<Vn<1.05)，当电压低于0.95pu或高于1.05pu时，逆变器注入或吸收无功功率。则无功电流参考值为：

其中，I和V_gp分别表示视在额定电流和电网瞬时电压标幺值，μ是无功电流调节系数。

图2是本发明实施例在PSCAD平台搭建光伏并网测试系统中，基于无功控制的自适应控制结构图，包括电路结构和控制模块。先进行三相逆变器对电压不平衡度其中，光伏逆变器电路采用三相桥式拓扑结构，系统开关频率10kHz。滤波器参数设置为：L1＝3mH,L2＝1.5mH,C＝9.4μF。网侧电感L2并联10Ω电阻用于无源阻尼。设置光伏逆变器容量为0.051MVA，其所连接的光伏模块最大有功输出为0.05MW，设定目标电压不平衡度最大为2％。

下面以图3至图4为例对本发明所提基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法进行更进一步的说明：

首先，模拟电网电压不平衡状况，在6s时，将单相调压器以串联形式投入交流侧三相调压器，模拟三相不平衡率为23％时的状况，并网逆变器有功功率参考值给定为40kW，直流母线电压250V，从而验证控制器对系统三相不平衡产生的补偿作用。图3(a)(b)分别是三相电流、电压波形，可以看出6s前电网处于三相平衡状态，在6s后，出现了明显的电流不平衡分量，系统出现三相不平衡，图3(c)(d)中逆变器直流电压和输出有功无功功率也出现了明显波动。

图4是采用本发明实施电压不平衡抑制前后，控制侧参数变化波形。在6.1秒时，逆变器介入，实施电压不平衡抑制，三相电流不平衡分量在0.05秒内迅速被抑制，使得三相输出电流恢复平衡，直流侧电压中的负序分量也得到大幅抑制，波动幅值由原来的1±0.005pu减少到仅为1±0.0002pu，光伏输出功率的有功功率也由原先大幅震荡状态减弱为小幅振荡，实现了并网有功功率稳定。

Claims (5)

1.一种基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

S1：计算最大无功功率容量和平均线电压；

S2：比较光伏逆变器线电压和平均线电压的大小，根据最大无功功率容量计算逆变器的无功参考值；

S3：将并网点处电网电压V_abc和电流I_abc、由电网运营商设置的有功参考值P_ref、步骤S2计算得到的无功参考值Q_ref作为测量控制器的输入，利用坐标变换产生对称分量；

S4：将S3产生的对称分量输入基准发生器模块中，产生电流基准值；

S5：将S4中产生的电流基准值输入电流控制器模块中，电流控制器模块根据基准值控制输出电流；

S1包括以下步骤：

S11，计算逆变器最大无功功率容量Q^max _PV，i：

其中，P_PV，i为第i个光伏向网络注入的有功功率，S^max _PV，i为其额定容量；

为第i个光伏发出的有功功率最大值；

S12，计算平均线电压V_i ^ave为：

其中，V_i ^AB、V_i ^BC、V_i ^CA为相间电压；

S2包括以下步骤：

S21，定义利用率UR^PP _PV，i(t)用以计算三相逆变器对网络电压平衡的贡献：

其中，V_i ^PP(t)是通过逆变器的两相间电压，k_v ^ind和k_v ^cap分别表示用于调整控制方法的收敛速度的常参数和调整控制方法精度的常参数，取值范围为5～10，Δt表示采样时间段；

S22，当光伏逆变器的线电压V_i ^PP(t)高于平均线电压V_i ^ave(t)时，UR^PP _PV，i(t) 为正，表示光伏应该吸收无功功率以降低连接点的电压；相反，负利用率表示光伏逆变器应注入无功以提高电压，由此得到逆变器交换的无功参考值

为：

2.根据权利要求1所述的基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法，其特征在于：S3包括以下步骤：

S31，将非对称故障期间并网点电压用正序、负序和零序分量的总和表示为：

其中，上标+、-、和0分别表示正序、负序和零序；下标a、b、c分别表示并网点A、B、C三相的相电压；

S32，将并网点电压进行克拉克变换后用静止坐标系表示为：

其中α、β分别表示电压在两相静止坐标系α、β轴上的分量；

S33，将αβ坐标系下的正负序电压表示为时间的函数：

其中，ω是电网角频率，V+、ψ+和V-、ψ-分别是正序和负序的幅值和初始相角。

3.根据权利要求1所述的基于光伏逆变器控制的电压实时调控方法，其特征在于：S4包括以下步骤：

S41，根据三项基本功率理论，基准发生器模块处理电压和功率的序列分量，将瞬时有功功率和瞬时无功功率表示为：

其中i_α和i_β分别为三相电流在αβ坐标系下的表示形式；

S42，根据瞬时功率方程及其与正负序电压电流的关系，将有功和无功电流基准值表示为：

式中，P+、P-、Q+、Q-分别为正序、负序有功、无功参考功率；为了识别不平衡电压跌落后的柔性功率控制，通过电流控制器模块引入两种控制增益，分别为有功增益k_p和无功增益k_q，其表达式如下：

S43，根据公式计算将正负序电流的幅值表示为：

S44，假设光伏发电机在稳态条件下以单位功率因数V_n运行，其中0.95<V_n<1.05，当电压低于0.95pu或高于1.05pu时，逆变器注入或吸收无功功率；则无功电流参考值为：

其中，I和V_gp分别表示视在额定电流和电网瞬时电压标幺值，μ是无功电流调节系数，取值范围为1.5～2.5。

4.一种采用权利要求1所述方法的基于光伏逆变器的电压实时调控系统，其特征在于系统包括用于提取电压和电流序列分量的测量控制器，用于处理序列分量，产生参考电流的基准发生器和根据参考电流调控输出电流的电流控制器。

5.根据权利要求4所述的基于光伏逆变器的电压实时调控系统，其特征在于：所述电流控制器模块包括两个用于精确控制输出电流的比例谐振控制器。

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