一种降低光伏发电系统并网点电压不平衡度的控制方法

摘要

本发明公开了一种降低光伏发电系统并网点电压不平衡度的控制方法。降低光伏发电系统并网点电压不平衡度的控制方法，包括计算参考电流和设置参考电流步骤。考虑分布式光伏发电系统容量、电网电压负序不平衡度、线路等效阻抗、并网点最大电流限制因素，实现并网点电压支撑作用的参考电流设置。本发明在电网电压不平衡时，利用光伏系统自身功率容量，通过给定合适的参考电流的注入实现并网点电压支撑，降低并网点负序电压不平衡度的作用。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低配电网电压不平衡度的控制方法，尤其是一种降低 光伏发电系统并网点电压不平衡度的控制方法，属于电力系统新能源发电并 网控制技术领域。

背景技术

随着光伏发电系统并网容量的快速提高，使得光伏发电系统与电网之间 的相互影响日趋突出，光伏发电系统在非正常电网工况下的控制研究正受到 更多的关注。其中电网不对称故障或非对称负载等因素造成的电网电压不平 衡下的并网逆变器控制问题尤为突出。

电网电压不平衡时，电网电压会存在负序分量，会导致交流负序电流的 产生，从而直流电压会产生二次谐波电压，交流侧产生三次谐波电流，传输 的功率存在二次谐波的波动，使得注入电网电流谐波含量过高、电网电压进 一步畸变等一系列问题，将严重影响逆变器与电网的友好、安全运行。目前 电网电压不平衡下的并网逆变器控制问题的研究主要集中在抑制逆变器输出 功率的波动，实现高功率因数、低谐波、无电流越限、保证并网电流质量等 方面。随着光伏发电系统渗透率的增大，对并网逆变器控制提出了更高的要 求，主要涉及在电网电压不对称故障下的电网电压的提升、电网电压的均衡 等多方面的问题。事实上，光伏发电系统在白天太阳充足的时候利用 MPPT(MaximumPowerPointTracking)向系统发送最大的有功功率；当夜晚或 者阴天没有太阳辐射或者电网故障时，MPPT可以退出运行，充分利用光伏发 电系统的无功功率，在电网电压不平衡下，以改善电网电压不平衡度为直接 目标，从而提升并网点电压，提高电网电压质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种降低光伏发电系统并网点电压不 平衡度的控制方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种降低光伏发电系统并网点电压不平衡度的控制方法，包括以下步骤：

步骤1：计算参考电流：包括以下具体步骤：

步骤1-1：计算正序电路的正序电流：

$\stackrel{·}{I^P}=\frac{U_1-U_2^P}{Z}\angle -\delta ---\left(1\right)$

其中，U₁为并网点额定电压，U₂^P为故障点电压正序分量，Z为线路等效阻抗 模值，δ为线路等效阻抗的阻抗角，为正序电流。

步骤1-2：计算负序电路的负序电流：

其中，U₂^N为故障点电压负序分量，为负序电流。

步骤2：设置参考电流：包含以下具体步骤：

步骤2-1：判断光伏发电并网系统容量S是否大于容量阈值：

$S>3\left(\frac{U_1{U}_1-U_1{U}_2^P}{Z}\right)---\left(3\right)$

如果是转向步骤2-2；否则，转向步骤2-7；

步骤2-2：判断负序电压的不平衡度是否小于平衡度阈值：

${ϵ}_2\%=\frac{U_2^N}{U_2^P}\times 100\%=\frac{U_2^P+I_{max}Z/\left(\sqrt{2}\right)-U_1}{U_2^P}---\left(4\right)$

其中，ε₂％为不平衡度，I_max为并网点最大限制电流。

如果是，转向步骤2-3；如果否，转向步骤2-4；

步骤2-3：设置参考电流：

步骤2-4：判断允许最大电流是否满足：

$I_{max}>\sqrt{2}\frac{U_1-U_2^P}{2}---\left(6\right)$

如果是，转向步骤2-5；如果否，转向步骤2-6；

步骤2-5：设置参考电流为：

步骤2-6：设置参考电流为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_3^P}=\frac{I_{\max }}{\sqrt{2}}\angle -\delta \\ \stackrel{·}{I_3^N}=0\end{array}\right)---\left(8\right)$

转向步骤3；

步骤2-7：判断允许最大电流I_max是否满足：

$I_{max}>\frac{\sqrt{U_2^P{U}_2^P+\frac{4}{3}SZ}-U_2^P}{2Z}---\left(9\right)$

如果是，转向步骤2-8，否则转向步骤2-9；

步骤2-8：

步骤2-9：允许最大电流I_max是否满足：

$I_{max}>\frac{U_2^N}{Z}---\left(11\right)$

如果是，转向步骤2-10，否则转向步骤2-11；

步骤2-10：设置参考电流为：

步骤2-11：设置参考电流为：

步骤3：结束。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明在电网电压不平衡时，利用光伏系统自身功率容量，通过给定合 适的参考电流，注入到电网，实现并网点电压支撑，降低并网点负序电压不 平衡度的作用。

附图说明书

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中光伏发电系统并网电路原理图；

图3是本发明中光伏发电系统并网电路等效电路的相量图；

图4是本发明中光伏发电系统并网后正序电路的等效电路图；

图5是本发明中光伏发电系统并网后负序电路的等效电路图；

图6是本发明中光伏发电系统并网后正序电路等效电路图的相量图；

图7是本发明中光伏发电系统并网后负序电路等效电路图的相量图；

图8是本发明中光伏系统控制主电路的电路原理图；

图9是本发明中电压正序和负序波形图；

图10是本发明中不平衡度波形图；

图11是本发明中并网点电压电流波形。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，一种降低光伏发电系统并网点电压不平衡度的控制方法， 包括以下步骤：

步骤1：计算参考电流：包括以下具体步骤：

步骤1-1：计算正序电路的正序电流：

$\stackrel{·}{I^P}=\frac{U_1-U_2^P}{Z}\angle -\delta ---\left(1\right)$

其中，其中，U₁为并网点额定电压，U₂^P为故障点电压正序分量，Z为线路等 效阻抗模值，δ为线路等效阻抗的阻抗角，为正序电流。

步骤1-2：计算负序电路的负序电流：

其中，U₂^N为故障点电压负序分量，为负序电流。

步骤2：设置参考电流：包含以下具体步骤：

步骤2-1：判断光伏发电并网系统容量S是否大于容量阈值：

$S>3\left(\frac{U_1{U}_1-U_1{U}_2^P}{Z}\right)---\left(3\right)$

如果是转向步骤2-2；否则，转向步骤2-7；

步骤2-2：判断负序电压的不平衡度是否小于平衡度阈值：

${ϵ}_2\%=\frac{U_2^N}{U_2^P}\times 100\%=\frac{U_2^P+I_{max}Z/\left(\sqrt{2}\right)-U_1}{U_2^P}---\left(4\right)$

其中，ε₂％为不平衡度，I_max为并网点最大限制电流。

如果是，转向步骤2-3；如果否，转向步骤2-4；

步骤2-3：设置参考电流：

步骤2-4：判断允许最大电流是否满足：

$I_{max}>\sqrt{2}\frac{U_1-U_2^P}{Z}---\left(6\right)$

如果是，转向步骤2-5；如果否，转向步骤2-6；

步骤2-5：设置参考电流为：

步骤2-6：设置参考电流为：

$\left(\begin{array}{c}\stackrel{·}{I_3^P}=\frac{I_{\max }}{\sqrt{2}}\angle -\delta \\ \stackrel{·}{I_3^N}=0\end{array}\right)---\left(8\right)$

转向步骤3；

步骤2-7：判断允许最大电流I_max是否满足：

$I_{max}>\frac{\sqrt{U_2^P{U}_2^P+\frac{4}{3}SZ}-U_2^P}{2Z}---\left(9\right)$

如果是，转向步骤2-8，否则转向步骤2-9；

步骤2-8：

步骤2-9：允许最大电流I_max是否满足：

$I_{max}>\frac{U_2^N}{Z}---\left(11\right)$

如果是，转向步骤2-10，否则转向步骤2-11；

步骤2-10：设置参考电流为：

步骤2-11：设置参考电流为：

步骤3：结束。

本发明中光伏发电并网系统容量S、线路等效阻抗模值Z、线路等效阻抗 的阻抗角δ、并网点最大限制电流I_max、并网点额定电压U₁、故障点电压正序 分量故障点电压正序分量均为已知量。

光伏发电系统并网即通过逆变器与电网并联运行，如图2所示，R+jX为 线路阻抗。I∠Φ为线路电流；I_PV、U_PV分别为光伏阵列输出电流和电压；U₁∠θ₁、P₁+jQ₁分别为交流电网侧的电压和功率；U₂∠θ₂、P₂+jQ₂分别为光伏 发电系统并网点电压和功率。只考虑其基波分量，光伏逆变器输出电压与并 网点电压关系为

$\Delta \stackrel{·}{U}=U_1\angle {\theta }_1-U_2\angle {\theta }_2=(R+jX)I\angle \phi ---\left(14\right)$

其等效电路的相量图如图3所示，设θ＝θ₁-θ₂为U₁∠θ₁和U₂∠θ₂之间 的夹角，Φ为U₁∠θ₁和I∠Φ之间的夹角。将U₁∠θ₁作为参考轴，则电压 降落可分解为横分量ΔU和纵分量δU,其中横分量ΔU的大小确定U₁∠θ₁幅 值的变化，δU确定U₁∠θ₁与U₂∠θ₂夹角的变化,δ为电网线路阻抗角， tanδ＝X/R，设因此可得：

ΔU＝RIcosφ+XIsinφ＝ZIcos(δ+φ)(15)

当电网电压不平衡时，采用对称分量法，只考虑电网电压基波分量，则 电网电压可以表示为:

$\left(\begin{array}{c}{u}_a=\sqrt{2}{U}^P\cos (\omega t+{\theta }^P)+\sqrt{2}{U}^N\cos (\omega t+{\theta }^N)\\ u_b=\sqrt{2}{U}^P\cos (\omega t-2\pi /3+{\theta }^P)+\sqrt{2}{U}^N\cos (\omega t+2\pi /3+{\theta }^N)\\ u_c=\sqrt{2}{U}^P\cos (\omega t+2\pi /3+{\theta }^P)+\sqrt{2}{U}^N\cos (\omega t-2\pi /3+{\theta }^N)\end{array}\right)---\left(16\right)$

式中，U^P、U^N分别为三相电网电压的正序和负序分量的幅值；θ^P、θ ^N为相应的相角，ω为电网基波角频率。分布式光伏并网发电系统正负序等效 电路如图4与图5所示，其相量图如图6与图7所示。

图4、5中，u^P_2a,b,c、u^N_2a,b,c分别为电网电压的正、负序分量；u^P_1a,b,c、u^N_1a,b,c分别为并网逆变器输出电压的正、负序分量；i^P_a,b,c、i^N_a,b,c分别为并网逆变 器输出电流的正、负序分量。

在图6正序电路中，ΔU能够提升的最大值为ZI，且Φ^P＝-δ。ΔU能够 将输出正序电压提升到额定电压U₁。在图7中负序电路中，要尽可能减 少负序电压的大小，从而降低光伏逆变器并网负序电压的不平衡度；光伏逆 变器输出负序电压最低为0，此时需要ΔU等于且负序电流与的 夹角为φ^N＝180°-δ。

如图8所示，光伏发电系统控制主电路包括太阳能光伏电池阵列、直流 侧稳压电容、三相逆变器、1、电压互感器2、电流互感器1、ADC模数转换 器、电网同步与相序分解环节、参考电流计算环节、滞环跟踪控制环节、驱 动电路。太阳能光伏阵列发出直流电经稳压电容稳压，再经三相逆变器转换 成三相交流电通过一段线路，再经400V/10kV升压变压器并网。电压互感器 1与电流互感器均1接在三相逆变器并网点处，电压互感器2接在400V低压 母线处；电压互感器1、电压互感器2、电流互感器1的输出端均接入ADC 模数转换器的输入端；ADC模数转换器的输出通过进行电网同步技术与相序 分解技术后获得故障点处电压正、负序分量，并网点电压正、负序分量，进 而计算出参考电流值，再将参考电流信号与实际输出并网点电流经滞环控制 产生触发脉冲，最后通过驱动电路驱动三相逆变器开关管。

将电压互感器2采集的电压信号通过电网同步技术与正负序提取技术，计 算出400V低压侧的电压的正负序分量根据电压互感器1测量出并 网点处正常工况下的电压U₁；将光伏系统容量S、线路等效阻抗模值Z、并网 允许最大电流I_max、等效线路阻抗角δ和以上所有参数输入至DSP控制器中。 在电网10kV高压侧发生不对称短路故障时，通过图1所示原则计算出合适的 参考电流给定值。

将参考电流值与电流互感器1测出的实际电流值通过滞环控制器生成触发 脉冲，再经驱动电路驱动三相逆变器的开关管。

假设光伏发电系统额定输出功率为S＝10kVA，通过线路阻抗和 400V/10kV，Dy型变压并入电网，假设0.1s时刻电网中10kV母线出发生单 相接地故障，出现B型电压暂降，通过变压器在低压母线处派生成了C型电 压暂降。线路阻抗按实际输电线路参选取(0.131+j0.372)/km取12.7km线路， 即R+X＝1.664+j4.724，故Z＝5.001，δ＝70.6°；并网点允许的最大限流为 Imax＝20A。通过电压互感器测得并网点额定电压U₁＝255.8V，0.1s～0.2s之间继 续向电网中注入对称的正序电流。0.2s时刻采用所述参考电流设置原则，计算 出正负序参考电流，通过电流滞环控制产生触发脉冲。图9、图10、图11分 别给出了采用本发明所提出的电流设置原则后对并网点处电压的不平衡度和 电压提升的效果图。根据图9与图10可知在0-0.1s时电网正常并网点U₁处 电压正负序分量分别为255.3V、0.5V，负序不平衡度为0.002；在0.1-0.2时 电网故障继续采取电网正常时的电流设置原则并网点U₁处电压正负序分量分 别为194.3V、25.6V，负序不平衡度为0.132；在0.2-0.3时电网故障采取本发 明所提的参考电流设置方法后并网点U₁处电压正负序分量分别为253.2V、 2V，负序不平衡度为0.008，并网点电压负序不平衡度几乎维持电网正常时状 态，并网点电压亦得到提升。根据图11电压波形可知采取本发明控制方法后 并网点电压明显提升和均衡。