CN112769117A - 一种防止直流电网过电压的控制方法 - Google Patents

一种防止直流电网过电压的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种防止直流电网过电压的控制方法，包括以下步骤：构建AC/DC变流器的电压‑功率下垂控制曲线，电压‑功率下垂控制曲线由两段不同斜率的下垂控制曲线构成，两端不同斜率的下垂控制曲线由拐点相连接；若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，反之则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，定点电压设为拐点电压。本发明通过在AC/DC变流器已有的下垂控制斜线中，增加拐点，将一条下垂控制斜线变为两段斜率不同的斜线，当运行电压到达拐点时，DC/DC变流器停止最大功率跟踪控制，直流电网不会出现过电压，此时，AC/DC变流器容量剩余很小，光伏发电也得到了充分利用。

Description

一种防止直流电网过电压的控制方法
技术领域
本发明涉及直流电网过电压控制技术领域，尤其涉及一种防止直流电网过电压的控制方法。
背景技术
通过低压直流电网汇集光伏发电再通过多个AC/DC变流器将功率送入不同点交流电网可以更好地收集光伏能量，同时对交流电网电能质量影响更小，甚至有助于改善电网的供电可靠性。在直流电网中，如果存在多台AC/DC变流器并联运行，可以采用主从式的控制方式，一台AC/DC变流器控制直流电压，其它的控制功率；也可以采用分布式控制，即各AC/DC变流器都采用电压-功率下垂控制方式。采用分布式控制，不需要主机，各变流器之间也不需要通信。各AC/DC变流器通过检测直流电压的大小，调整输送功率的大小与方向，达到功率在各AC/DC变流器的合理分配。
目前，AC/DC变流器采用的电压-功率下垂控制方式都是一条斜线，即：在电压-功率坐标系上，通过一条直线连接最高运行电压、反向最大功率与最低运行电压、正向最大功率这两点。通过检测电压，可以感知AC/DC变流器还剩余百分之几的额定功率，但无法确定剩余功率的绝对值。若直流电网中存在一个或若干个AC/DC变流器停运检修，光伏发电总容量将超过运行AC/DC变流器容量，如果没有其他通信设施控制，容易导致过电压发生。为防止过电压，应该对光伏DC/DC变流器设置最高电压限值。在已有的电压-功率下垂控制方式下，一条斜线比较平坦，再加上电压测量误差，会导致以下情况：1、若限值设置太低，则出现AC/DC变流器还有足够容量情况下，光伏不再提高功率输出，不利于光伏发电的利用；2、若限值设置太高，则出现AC/DC变流器剩余容量不足时，光伏依然按最高跟踪功率输出，可能造成直流系统过电压。例如，中国专利文献CN107104456A公开了“含多端光伏发电系统的直流电网电压优化控制方法”，该专利的不足之处在于无法在保证直流电网不过电压的同时提高光伏发电产能的利用率。
发明内容
本发明主要解决原有的直流电网过电压的控制方法无法在保证直流电网不过电压的同时提高光伏发电产能的利用率的技术问题；提供一种防止直流电网过电压的控制方法，通过在AC/DC变流器已有的下垂控制斜线中，增加拐点，将一条下垂控制斜线变为两段斜率不同的斜线，在直流运行电压靠近最高允许电压时，斜率变大，反之斜率变小，同时，将拐点电压设置为直流电网的最高运行电压。当运行电压到达拐点时，DC/DC变流器停止最大功率跟踪控制，直流电网不会出现过电压，此时，AC/DC变流器容量剩余很小，因此光伏发电也得到了充分利用。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
构建AC/DC变流器的电压-功率下垂控制曲线，所述电压-功率下垂控制曲线由两段不同斜率的下垂控制曲线构成，两端不同斜率的下垂控制曲线由拐点相连接；
判断直流电网的电压是否低于拐点电压，若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，若直流电网的电压高于拐点电压，则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，所述定点电压设为拐点电压。
通过在AC/DC变流器电压-功率下垂控制曲线中增加一个拐点，并将拐点电压设置为直流电网的最高运行电压。由于在AC/DC变流器向交流侧输送功率接近额定功率时，下垂控制曲线斜率的绝对值很高，使得系统运行电压到达拐点时，AC/DC变流器容量剩余很小，直流电压远小于系统允许最高电压。此时，即使DC/DC变流器电压测量存在误差，也足以使DC/DC变流器在直流电网的运行电压达到最高值前改变最大功率跟踪运行模式，防止系统出现过电压，同时，AC/DC变流器容量剩余很小，光伏发电已得到充分利用。通过本发明协调控制方法，在一个或若干个AC/DC变流器停运检修时，不需要另外建立通信设施，就可实现既充分利用光伏资源，又不产生过电压。
作为优选，所述的两段不同斜率的下垂控制曲线分别为下垂控制曲线一和下垂控制曲线二，设下垂控制曲线一的斜率为-k1，其所对应的电压区间为(U3，U1]、功率区间为[-P1，-P3)，设下垂控制曲线二的斜率为-K2，其所对应的电压区间为[U2，U3)、功率区间为(-P3，P2]，其中k1＞k2，U1为直流电网允许的最高运行电压，U2为直流电网允许的最低运行电压,U3为拐点电压，P1为直流电网的运行电压为U1时AC/DC变流器输出的功率，P2为直流电网的运行电压为U2运行时AC/DC变流器输出的功率，P3为拐点功率，AC/DC变流器向直流电网输送功率记为正方向。
作为优选，设AC/DC变流器直流侧额定电流为Ie，则P1＝Ie*U1，P2＝Ie*U2。
作为优选，所述的k1、k2通过以下公式计算获取：
k1＝-(U3-U1)/(P1-P3)
k2＝-(U2-U3)/(P2+P3)。
作为优选，所述的拐点(-P3，U3)的设置方法是：U3＝ku*U1，P3＝ki*Ie*U3，其中ku、ki均为小于1的比例系数，Ie为AC/DC变流器直流侧额定电流。
作为优选，ku的取值范围为：0.99>ku>0.9；ki的取值范围为：0.98>ki>0.8。
作为优选，所述的步骤S2具体包括：
S21、获取AC/DC变流器当前的输出功率Pn；
S22、将-Pn与-P3进行比对，若-Pn<-P3，则采用下垂控制曲线一计算直流电网的电压参考值，反之，则采用下垂控制曲线二计算直流电网的电压参考值，所述直流电网的电压参考值即为直流电网的电压；
S23、将直流电网的电压与拐点电压进行比对，若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，若直流电网的电压高于拐点电压，则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，所述定点电压设为拐点电压，所述拐点电压为两段不同斜率的下垂控制曲线的连接拐点的电压。
作为优选，所述的步骤S22中，在计算获取直流电网的电压参考值后，将直流电网的电压参考值和直流电网的电压测量值通过PI环节得到直流电网的电流参考值；将直流电网的电流参考值输入AC/DC变流器的电流内环控制，控制AC/DC变流器的功率输出，使得直流电网的电压的值稳定在计算获取的直流电网的电压参考值。
本发明的有益效果是：通过在AC/DC变流器电压-功率下垂控制曲线中增加一个拐点，并将拐点电压设置为直流电网的最高运行电压。由于在AC/DC变流器向交流侧输送功率接近额定功率时，下垂控制曲线斜率的绝对值很高，使得系统运行电压到达拐点时，AC/DC变流器容量剩余很小，直流电压远小于系统允许最高电压。此时，即使DC/DC变流器电压测量存在误差，也足以使DC/DC变流器在直流电网的运行电压达到最高值前改变最大功率跟踪运行模式，防止系统出现过电压，同时，AC/DC变流器容量剩余很小，光伏发电已得到充分利用。通过本发明协调控制方法，在一个或若干个AC/DC变流器停运检修时，不需要另外建立通信设施，就可实现既充分利用光伏资源，又不产生过电压。
附图说明
图1是本发明的一种电压-功率下垂控制曲线图。
图2是本发明光伏并网系统的一种结构示意图。
图3是本发明AC/DC变流器的双环控制方式的一种流程示意图。
图中X1、下垂控制曲线一，X2、下垂控制曲线二。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种防止直流电网过电压的控制方法，包括以下步骤：
S1、构建AC/DC变流器的电压-功率下垂控制曲线，所述电压-功率下垂控制曲线由两段不同斜率的下垂控制曲线构成，两端不同斜率的下垂控制曲线由拐点相连接；
S2、判断直流电网的电压是否低于拐点电压，若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，若直流电网的电压高于拐点电压，则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，所述定点电压设为拐点电压。
如图1所示，电压-功率下垂控制曲线包括下垂控制曲线一X1和下垂控制曲线二X2，下垂控制曲线一和下垂控制曲线二的交点即为拐点，纵坐标为直流电网的运行电压，横坐标为AC/DC变流器输出的功率。设下垂控制曲线一的斜率为-k1，其所对应的电压区间为(U3，U1]、功率区间为[-P1，-P3)，设下垂控制曲线二的斜率为-K2，其所对应的电压区间为[U2，U3)、功率区间为(-P3，P2]，其中k1＞k2，U1为直流电网允许的最高运行电压，U2为直流电网允许的最低运行电压,U3为拐点电压，P1为直流电网的运行电压为U1时AC/DC变流器输出的功率，P2为直流电网的运行电压为U2运行时AC/DC变流器输出的功率，P3为拐点功率，即直流电网的运行电压为拐点电压U3时AC/DC变流器输出的功率，将AC/DC变流器向直流电网输送功率记为正方向。
设AC/DC变流器直流侧额定电流为Ie，则P1＝Ie*U1，P2＝Ie*U2；
k1、k2通过以下公式计算获取：k1＝-(U3-U1)/(P1-P3)，k2＝-(U2-U3)/(P2+P3)；
拐点(-P3，U3)的设置方法是：U3＝ku*U1，P3＝ki*Ie*U3，其中ku、ki均为小于1的比例系数，ku的取值范围为：0.99>ku>0.9；ki的取值范围为：0.98>ki>0.8。
步骤S2具体包括：
S21、获取AC/DC变流器当前的输出功率Pn；
S22、将-Pn与-P3进行比对，若-Pn<-P3，则采用下垂控制曲线一计算直流电网的电压参考值，反之，则采用下垂控制曲线二计算直流电网的电压参考值，所述直流电网的电压参考值即为直流电网的电压；
S23、将直流电网的电压与拐点电压进行比对，若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，若直流电网的电压高于拐点电压，则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，所述定点电压设为拐点电压，所述拐点电压为两段不同斜率的下垂控制曲线的连接拐点的电压。
在步骤S22中，在计算获取直流电网的电压参考值后，将直流电网的电压参考值和直流电网的电压测量值通过PI环节得到直流电网的电流参考值；将直流电网的电流参考值输入AC/DC变流器的电流内环控制，控制AC/DC变流器的功率输出，使得直流电网的电压的值稳定在计算获取的直流电网的电压参考值。
例如，本发明的一种防止直流电网过电压的控制方法应用于如图2所示的光伏并网系统，4个光伏电源矩阵分别通过4个50kW DC/DC变流器接入额定电压为750V的直流电网，750V直流电网和380V交流电网通过直流侧额定电流Ie为150A的AC/DC变流器相互连接。
750V的直流电网允许的最高运行电压U1＝800V、最低运行电压U2＝650V，直流电网的运行电压为U1时AC/DC变流器输出的功率P1＝800*150＝120000W，直流电网的运行电压为U2运行时AC/DC变流器输出的功率P2＝650*150＝97500W，为充分利用AC/DC变流器容量，电压-功率下垂控制曲线可设置ku＝0.95、ki＝0.9的拐点(-P3，U3)，则U3＝760V，-P3＝-102600W，此时，k1＝0.0023，k2＝0.00055，并将拐点电压设置为DC/DC变流器电网侧最高运行电压。
AC/DC变流器的控制方式采用电流内环和电压外环的双环控制方式，如图3所示，Pn是AC/DC变流器当前传送的功率值，Utdref和Utqref分别为AC/DC变流器端电压d轴分量和q轴分量，Ud和Uq分别为AC/DC变流器并网点的电压d轴分量和q轴分量，Id和Iq分别为变流器输出电流d轴分量和q轴分量，Uref为直流侧电压参考值，Idref与Iqref分别d轴和q轴电流参考值，GI(s)为电流内环传递函数，GFF(s)为电压前馈环节中低通滤波的传递函数，Gdc(s)为直流电压外环传递函数。
电流内环控制是目前常见的控制，电压外环控制中，除包含传统的直流电压外环传递函数Gdc(s)控制环节外，还加入了本发明所述的变斜率电压-功率下垂控制，即电压-功率下垂控制曲线由两段不同斜率的下垂控制曲线构成，两端不同斜率的下垂控制曲线由拐点相连接。步骤S22由AC/DC变流器的双环控制方式来操作完成。
若此时一台AC/DC变流器停运检修，且4台光伏发电功率之和达到110000W时，AC/DC变流器将向交流电网输送功率Pn＝110000W，显然-Pn<-P3，应采用-k1的斜率计算电压参考值，通过图3可以计算电压参考值Uref＝(-Pn+P3)*-k1+U3＝777V，将777V直流电压的参考值与直流电压测量值通过PI环节得到d轴电流参考值Idref，由于系统没有无功要求，q轴电流参考值Iqref可设为零。最后将电流参考值输入至电流内环，最后，由电流内环控制AC/DC变流器的功率输出。通过AC/DC变流器的控制过程，此时，直流电网电压稳定在777V，大于拐点电压760V，只要DC/DC变流器电压测量环节误差不大于10V，DC/DC变流器就可以检测到直流电网电压达到其最高运行电压，从而将其控制方式转为定电压控制方式，电压定值为760V，光伏不再提高功率输出，不会产生过电压，同时，AC/DC变流器剩余功率为10kW，光伏发电也得到充分利用。

Claims (8)

1.一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建AC/DC变流器的电压-功率下垂控制曲线，所述电压-功率下垂控制曲线由两段不同斜率的下垂控制曲线构成，两端不同斜率的下垂控制曲线由拐点相连接；
判断直流电网的电压是否低于拐点电压，若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，若直流电网的电压高于拐点电压，则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，所述定点电压设为拐点电压。
2.根据权利要求1所述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，所述两段不同斜率的下垂控制曲线分别为下垂控制曲线一和下垂控制曲线二，设下垂控制曲线一的斜率为-k1，其所对应的电压区间为(U3，U1]、功率区间为[-P1，-P3)，设下垂控制曲线二的斜率为-K2，其所对应的电压区间为[U2，U3)、功率区间为(-P3，P2]，其中k1＞k2，U1为直流电网允许的最高运行电压，U2为直流电网允许的最低运行电压,U3为拐点电压，P1为直流电网的运行电压为U1时AC/DC变流器输出的功率，P2为直流电网的运行电压为U2运行时AC/DC变流器输出的功率，P3为拐点功率，AC/DC变流器向直流电网输送功率记为正方向。
3.根据权利要求2述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，设AC/DC变流器直流侧额定电流为Ie，则P1＝Ie*U1，P2＝Ie*U2。
4.根据权利要求2或3所述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，所述k1、k2通过以下公式计算获取：
k1＝-(U3-U1)/(P1-P3)
k2＝-(U2-U3)/(P2+P3)。
5.根据权利要求2所述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，所述拐点(-P3，U3)的设置方法是：U3＝ku*U1，P3＝ki*Ie*U3，其中ku、ki均为小于1的比例系数，Ie为AC/DC变流器直流侧额定电流。
6.根据权利要求5所述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，ku的取值范围为：0.99>ku>0.9；ki的取值范围为：0.98>ki>0.8。
7.根据权利要求2所述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21、获取AC/DC变流器当前的输出功率Pn；
S22、将-Pn与-P3进行比对，若-Pn<-P3，则采用下垂控制曲线一计算直流电网的电压参考值，反之，则采用下垂控制曲线二计算直流电网的电压参考值，所述直流电网的电压参考值即为直流电网的电压；
S23、将直流电网的电压与拐点电压进行比对，若直流电网的电压低于拐点电压，则DC/DC变流器按最大功率跟踪控制模式运行，若直流电网的电压高于拐点电压，则DC/DC变流器按定点电压控制模式运行，所述定点电压设为拐点电压，所述拐点电压为两段不同斜率的下垂控制曲线的连接拐点的电压。
8.根据权利要求7所述的一种防止直流电网过电压的控制方法，其特征在于，所述步骤S22中，在计算获取直流电网的电压参考值后，将直流电网的电压参考值和直流电网的电压测量值通过PI环节得到直流电网的电流参考值；将直流电网的电流参考值输入AC/DC变流器的电流内环控制，控制AC/DC变流器的功率输出，使得直流电网的电压的值稳定在计算获取的直流电网的电压参考值。
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Legal Events

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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Inventor after: Xu Weifeng

Inventor after: Lin Qiaohong

Inventor after: Tang Yongqing

Inventor after: Yang Yusuan

Inventor after: Zhu Huijun

Inventor after: Dai Xiaojun

Inventor after: Cheng Jianjun

Inventor after: Luo Yonghui

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GR01 Patent grant
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