一种光伏发电系统并网接入综合无功补偿控制系统及方法

摘要

本发明公布了一种光伏并网综合无功补偿控制方法及系统，涉及光伏发电控制技术领域。本发明利用数据采集电路和控制电路实现光伏发电并网接入的综合自动无功补偿和谐波控制。通过数据采集单元获得光伏并网前后系统侧功率因素、光伏发电的最大功率跟踪以及并网谐波，根据光伏电站最大输出功率、光伏并网谐波、光伏并网后用户侧功率因素等要求，确定无功补偿电容器投切容量。本发明的优点是能够综合考虑光伏并网带来的系统无功电压控制和谐波问题，通过逆变器消谐和无功就地平衡，实现无功补偿设备和光伏输出功率的协调控制以提高系统接入的电能质量。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电系统并网无功控制和谐波控制，属于可再生光伏发 电系统并网控制领域，具体涉及的是光伏发电系统并网接入综合无功补偿控 制系统及其方法。

背景技术

能源和环境危机已经成为影响人类持续发展的重要问题，清洁、可再生 能源的利用是解决这一问题的根本途径。随着风力发电、光伏发电、波浪发 电等可再生能源发电技术的成熟，越来越多的可再生能源发电系统以分布式 形式接入电网，满足人们日常生产、生活用电的需求。

光伏发电系统以资源普遍、无污染、设备可靠且不受地域限制的优点， 近年来得到大规模的开发。光伏不仅可以集中供电或者并网运行，光伏发电 系统亦可以和建筑相结合，从而提高光伏系统的土地利用率。随着国家对光 伏产业的扶持，允许独立光伏电站并网接入，越来越多的企业积极参与光伏 电站的建设，不仅满足自身的电能需求，同时还能将多余的电量送入电网， 带来效益。随着企业自备光伏发电系统的大量应用，用户侧电能质量必须需 要得到满足，而电能质量主要体现为谐波和功率因素。光伏发电系统的并网 会带来大量的谐波，会影响设备的寿命，同时也会污染电网电能质量；由于 光伏发电输出只有有功功率，必然造成用户接入侧功率因素的变化，由此影 响系统电能质量。

因此当企业自备光伏发电系统时，必须通过一定的技术手段治理无功电 压和谐波污染问题，需要配置无功补偿设备，以提高用户侧计入的功率因素， 从而提高用户侧电能质量。本发明从系统的角度解决付光伏接入的无功补偿 和谐波消除问题。

发明内容

针对目前企业自备光伏发电系统并网接入的用户侧电能质量问题，提出 了一种光伏发电系统并网接入综合无功补偿控制系统及方法，已解决光伏并 网的无功能电压控制问题。

为达到上述目标，本发明以如下技术方案实现：

一种光伏发电系统并网接入综合无功补偿控制系统，其特征在于，包括： 一数据采集电路模块，用于采集系统运行数据，采集的该数据包括光伏电池 直流输出电压，光伏并网逆变器直流侧、交流侧电压、电流和相角；逆变器 交流侧谐波电压、电流；光伏并网变电站低压母线电压、电流和功率因素；

一光伏最大功率跟踪模块，通过控制光伏电池输出端直流电压值实现光 伏电池的最大功率跟踪；

一光伏并网逆变器模块，通过电流、电压控制产生PWM波形控制并网 逆变器，将采集得到的并网接入点电流通过采集并网端电流和参考电流进行 PI控制得到电压参考量，再通过和采集电压进行比较并通过PI控制获得光 伏并网电压参考值从而指导产生PWM波；

一无功补偿控制模块，其作用是控制无功补偿电容器无功功率输出，以 调节用户并网接入电压值和功率因素，满足用户并网的电压和功率因素要 求。

一种光伏发电系统并网接入综合无功补偿控制，该方法包括以下步骤：

1)测量得到光伏电站并网接入前用户实际负载功率P_L+jQ_L，用户变电 站接入从电网吸收的功率P_G+jQ_G，并计算得到用户变电站功率因素 可知光伏电站接入前功率之间的关系：P_L+jQ_L＝P_G+jQ_G， 假设电网公司对用户接入功率因素的要求为：cosα；其中P_L用户侧负载有功 功率、Q_L为用户侧负载无功功率，P_G为用户从电网吸收的有功功率、Q_G为 用户从电网吸收的无功功率、j为功率的向量描述，cosα为系统功率因素、 为电网公司要求用户侧功率因素；

2)测量得到光伏系统输出功率有功功率P_V，计算得到光伏系统接入后 用户变电站功率因素：由此可知光伏电站的接入导致 用户侧功率因素的降低。

3)光伏接入后需要无功补偿量为Q_C，此时功率因素角为计算光伏 系统接入前后功率因素角的变化必须满足：

4)从步骤(3)得此时当光伏电站接入无功补偿设备需要提 供的无功补偿量至少为由此来控制无功补偿设备无功输出。

当光伏电站接入时，无功补偿量和负载以及光伏有功出力存在关系，变换公式可知在系统无功步长容量一定时，光伏的有功出力受到限制 因此，当用户自备光伏发电系统时，其必须同时安装无功补偿设 备，并且无功补偿设备容量和光伏发电系统容量相互匹配，以提高用户侧功 率因素。

本发明的有益效果为：

本发明光伏阵列具有最大功率跟踪功能，利用扰动观察法确定光伏电池 输出电压并通过Boost升压电路来控制实现；能够监测光伏系统并网接入时 用户侧功率因素，并通过瞬时无功检测方法确定用户侧无功功率和瞬时功 率，分析计算光伏电站并网后的系统侧功率因素，将得到的功率因素、系统 侧电压和电流信号传递给无功调节设备输出合适的无功功率来满足系统功 率因素、电能质量的要求；此外，能够综合考虑光伏并网带来的系统无功电 压控制和谐波问题，通过逆变器消谐和无功就地平衡，实现无功补偿设备和 光伏输出功率的协调控制以提高系统接入的电能质量。

附图说明

图1为本发明的光伏电站并网的示意图；

图2为本发明的光伏并网控制器示意图；

图3为本发明的光伏发电系统并网接入示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了 解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1至图3，本发明提供了一种光伏发电系统并网综合无功补偿方 法，针对目前企业自备光伏发电系统并网接入的用户侧用电问题，提出了通 过综合控制无功补偿设备解决系统接入的谐波污染和功率因素问题。本系统 包括数据采集电路模块、光伏最大功率跟踪控制模块、系统负荷跟踪模块、 逆变器控制模块、无功补偿控制模块的等构成；利用数据采集模块采集光伏 系统并网前后电路电压、电流以及功率参数：包括光伏电池板输出电压电流， 光伏逆变器直流侧、交流侧电压电流数据，逆变器交流侧谐波电压电流，用 户接入变电站电压、电流和功率因素等数据。

其中，数据采集电路模块，用于采集系统运行数据，采集的该数据包括 光伏电池直流输出电压，光伏并网逆变器直流侧、交流侧电压、电流和相角； 逆变器交流侧谐波电压、电流；光伏并网变电站低压母线电压、电流和功率 因素；

光伏最大功率跟踪模块，通过控制光伏电池输出端直流电压值实现光伏 电池的最大功率跟踪；

光伏并网逆变器模块，通过电流、电压控制产生PWM波形控制并网逆 变器，将采集得到的并网接入点电流电流通过采集并网端电流和参考电流进 行PI控制得到电压参考量，再通过和采集电压进行比较并通过PI控制获得 光伏并网电压参考值从而指导产生PWM波；

无功补偿控制模块，其作用是控制无功补偿电容器无功功率输出，以调 节用户并网接入电压值和功率因素，满足用户并网的电压和功率因素要求。

根据光伏光照、温度数据计算光伏电池输出电压和电流，根据光伏电池 最大功率跟踪，利用Boost升压电路的PWM斩波控制达到光伏电池的最大功 率跟踪；

本发明是利用Boost升压电路(开关直流升压电路)实现光伏系统的直 流升压，也就是电路DC/DC变换；经过升压处理后，经逆变电路将直流电转 化为交流电,实现电路的DC/AC变换。在DC/DC,DC/AC变换过程中电路必然 产生大量的谐波，通过逆变电路的谐波补偿达到系统消谐的目的。

逆变电路的谐波补偿主要是通过谐波检测电路确定电路的谐波电流，将 谐波电流分离并通过坐标变换，将瞬变交流谐波电流转换至旋转坐标下。在 旋转坐标下，将谐波电流反向和基准电流进行叠加，并经电流内环、电压外 环比例积分控制，最终经调制算法生成PWM波来控制逆变器实现光伏系统的 并网逆变，同时具有消除谐波的功能。

本发明的光伏系统并网输出一定的有功功率从而减少了从电网吸收的 有功功率，此时用户变电站功率因素必然降低，从而影响系统的电能质量， 因此必须进行无功功率补偿才能达到用户并网要求。在光伏系统并网时，光 伏发电系统并网综合无功补偿方法如下：

1)测量得到光伏电站并网接入前用户实际负载功率P_L+jQ_L，用户变电 站接入从电网吸收的功率P_G+jQ_G，并计算得到用户变电站功率因素 可知光伏电站接入前功率之间的关系：P_L+jQ_L＝P_G+jQ_G， 假设电网公司对用户接入功率因素的要求为：cosα,其中P_L用户侧负载有功 功率、Q_L为用户侧负载无功功率，P_G为用户从电网吸收的有功功率、Q_G为 用户从电网吸收的无功功率、j为功率的向量描述，cosα为系统功率因素、 为电网公司要求用户侧功率因素；。

2)测量得到光伏系统输出功率有功功率P_V，计算得到光伏系统接入后 用户变电站功率因素：由此可知光伏电站的接入导致 用户侧功率因素的降低。

3)光伏接入后需要无功补偿量为Q_C，此时功率因素角为可以计算 光伏系统接入前后功率因素角的变化且满足：

4)由此可知此时当光伏电站接入无功补偿设备需要提供的 无功补偿量至少为由此来控制无功补偿设备无功输出。

5)当光伏电站接入时，无功补偿量和负载以及光伏有功出力存在 关系，变换公式可知在系统无功补偿设备容量一定时，光伏系统安 装容量必须满足

本发明利用数据采集电路和控制电路实现光伏发电并网接入的综合自 动无功补偿和谐波控制，通过数据采集单元获得光伏并网前后系统侧功率因 素、光伏发电的最大功率跟踪以及并网谐波，根据光伏电站最大输出功率、 光伏并网谐波、光伏并网后用户侧功率因素等要求，确定无功补偿电容器投 切容量。光伏阵列具有最大功率跟踪功能，利用扰动观察法确定光伏电池输 出电压并通过Boost升压电路来控制实现；能够监测光伏系统并网接入时用 户侧功率因素，并通过瞬时无功检测方法确定用户侧无功功率和瞬时功率， 分析计算光伏电站并网后的系统侧功率因素，将得到的功率因素、系统侧电 压和电流信号传递给无功调节设备输出合适的无功功率来满足系统功率因 素、电能质量的要求。

此外，本发明能够综合考虑光伏并网带来的系统无功电压控制和谐波问 题，通过逆变器消谐和无功就地平衡，实现无功补偿设备和光伏输出功率的 协调控制以提高系统接入的电能质量。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行 业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明 书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本 发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围 内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。