分布式电源接入的电压稳定调节系统及其控制方法 |
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| 申请号 | CN201510008866.1 | 申请日 | 2015-01-08 | 公开(公告)号 | CN104538988A | 公开(公告)日 | 2015-04-22 |
| 申请人 | 广西大学; | 发明人 | 卢泉; 胡立坤; 卢子广; 龙军; 吕智林; 田向渝; 李晓东; 陈秋华; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了分布式电源接入的 电压 稳定调节系统，所述分布式电源包括光伏电源、 风 力 发电电源、储能装置，该系统采用基于“背靠背”的电力 电子 拓扑结构，包括左功率桥和右功率桥，左功率桥为静止无功补偿器STATCOM，右功率桥为变流器；DSP 控制器 模 块 通过调制左功率桥的PWM脉冲控制静止无功补偿器STATCOM向公共耦合点PCC提供 无功功率 ，通过调制右功率桥的PWM脉冲分别控制 风力 发电电源和光伏电源的发电效率以及储能装置的充放电，实现公共耦合点PCC和直流侧的电压稳定。本发明消除 电网 间歇电源中断引起的 频率 波动 和负荷变化产生的电压波动问题，实现电压稳定控制，提高分布式电源接入的兼容性与 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.分布式电源接入的电压稳定调节系统，所述分布式电源包括光伏电源、风力发电电源、储能装置，其特征在于，该系统采用基于“背靠背”的电力电子拓扑结构，该电力电子拓扑结构主要包括左功率桥和右功率桥，所述左功率桥为接入交流电网和直流母线之间的静止无功补偿器STATCOM，用于分布式电源及负载接入电网引起电压突变时的调节功率的吸收或补偿；所述右功率桥为连接在直流母线和分布式电源之间的PWM变流器，而分布式电源连接PWM变流器用于实现分布式电源接入的变流功能；电容Cdc连接在直流母线和地之间；DSP控制器模块通过STATCOM控制模块调制左功率桥的PWM脉冲，控制静止无功补偿器STATCOM向公共耦合点PCC提供无功功率；DSP控制器模块还分别通过风力发电MPPT控制模块、光伏发电MPPT控制模块和储能装置充放电控制模块调制右功率桥的多路PWM脉冲，分别控制风力发电电源和光伏电源的发电效率以及控制储能装置的充放电，实现公共耦合点PCC和直流侧电压稳定。 |
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| 说明书全文 | 分布式电源接入的电压稳定调节系统及其控制方法技术领域[0001] 本发明属于分布式发电微网技术领域，具体涉及一种分布式电源接入的电压稳定调节系统及其控制方法。 背景技术[0002] 风能、太阳能等能源分布广泛，可以持续再生，其使用不排放污染物和温室气体，在化石能源逐渐耗竭时，最终将成为人类未来的主要能源。可再生能源大规模应用给未来电网提出了更高的要求，传统的电网难以胜任这些要求，所以一些国家立足于本国电力系统的实际问题与国家的可持续发展能源目标，提出了微电网的概念和发展目标。作为一个新的技术领域，微电网在各国的发展呈现不同特色。微电网也非常适合中国发展可再生能源的需求与方向。 [0003] 微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控系统、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以独立运行。一方面，充分利用可再生能源发电对于中国调整能源结构、保护环境、开发西部、解决农村用能及边远地区用电、进行生态建设等均具有重要意义；另一方面，中国可再生能源的发展潜力十分巨大。然而微电网中各分布式电源节点构成差异较大且具有间歇性。例如光伏发电、风力发电、潮汐发电等易受季节气候的影响，微电网电源通过变流器频繁切入和退出电网，系统的稳定必定会受到影响，而人们对电力供应的稳定性要求越来越高，保证电能质量的要求也更加突出。因此，如何对各分布式电源投切时的稳定控制，需对现有的电力电子变流器进行升级，在实现投切节点参数实时监测的基础上维持电压的稳定控制具有重要的研究意义。 [0004] 为了适应越来越大规模的清洁能源发电应用和分布式电源的接入，各种配套的电压稳定控制系统装置随之产生，发展也越来越成熟。典型设备包括动态电压恢复器(dynamic voltage restorer，DVR)和配电静止同步补偿器(distribution static synchronous compensator，D-STATCOM)。通过DVR串联接入配电网，可以在电网系统电压波动或停电故障期间，通过储能单元的能量吸收或释放，提供有功和无功支持，从而消除电压波动和短时供电中断对用户区馈线上负荷产生的影响。D-STATCOM并联接入配电网，既可以对感性负载进行无功补偿，又可以抑制电动汽车充电的有功冲击负荷引起的电压波动，防止这些扰动通过低压配电网影响到其他用户。 [0005] 在国外，许多著名的电气公司都竞相推出了容量为数十Mvar的D-STATCOM装置，以解决电压波动和谐波治理的电能质量问题，目前已有系列产品投入市场。D-STATCOM装置广泛应用于低压配电系统中，在电网中D-STATCOM装置起到调节电网电能质量问题。随着科学技术的不断更新发展，尤其是电力电子技术、自动控制技术以及计算机技术的飞速发展，使得D-STATCOM在电力电子装置中得到广泛应用和深入研究。从目前的研究现状来看，国外发达国家如美国、日本等在这方面的研究较为成熟。日本在1980年研制出第一台20MVar的D-STATCOM，并进行并网试验，1986年美国EPRI公司和西屋公司共同研制了1MVar的D-STATCOM装置并投入运行，1991年三菱公司和关西电力公司共同开发研制了80MVar的D-STATCOM装置在日本154KV的电网系统中进行并网运行。 [0006] 我国对D-STATCOM装置的研究起步相对较晚，主要是理论研究和实验研究阶段。1994年电力部门把研制和开发大容量D-STATCOM列为重点科研攻关项目。在电力部门的支持下，1999年与河南电力局和清华大学历时4年共同研制的20MVar D-STATCOM在河南 220KV电网中并网运行成功，2001年国家电力公司电力自动化研究所自主研发的20MVar D-STATCOM成功并网运行，2006年有清华大学研发的50MVar D-STATCOM在上海黄渡分区西郊变电站并网运行成功。目前，国内外的D-STATCOM设备总体上都是面向变电站设计的大容量设备，昂贵的价格限制了其在低压配电系统的推广应用。 [0007] 然而，随着小型光伏发电、风力发电、电动汽车储能等分布式电源在配电网端的高密度渗透，其投切过程中必定会引起电压的波动，其中适用于分布式电源接入低压配电系统小容量的电压稳定装置尚无相关产品投放市场，无法解决高渗透分布式电源接入的电压稳定调节问题。 [0008] 综上所述，实现高渗透分布式电源接入的电压稳定调节，不仅需要充分考虑调节设备的简易性、易维护性性，还需要考虑分布式节点不同电源种类的统一协调管理。然而，现有技术的功能大部分集成在功能单一的变流器设备上，节点数目的增加不仅使得设备投资增大，而且没有远动功能，不能实现在线测量的功能转换和设备运行管理。 发明内容[0009] 本发明要解决的技术问题是提供分布式电源接入的电压稳定调节系统及其控制方法，消除电网间歇电源中断引起的频率波动和对用户区馈线上负荷变化产生的影响，解决分布式电源、负荷投切造成的电压波动问题，实现分布式电源接入的电压稳定控制，提高分布式电源接入的兼容性与稳定性。 [0010] 为解决上述技术问题，本发明采作以下技术方案： [0011] 分布式电源接入的电压稳定调节系统，所述分布式电源包括光伏电源、风力发电电源、储能装置，其特征在于，该系统采用基于“背靠背”的电力电子拓扑结构，该电力电子拓扑结构主要包括左功率桥和右功率桥，所述左功率桥为接入交流电网和直流母线之间的静止无功补偿器STATCOM，用于分布式电源及负载接入电网引起电压突变时的调节功率的吸收或补偿；所述右功率桥为连接在直流母线和分布式电源之间的PWM变流器，而分布式电源连接PWM变流器用于实现分布式电源接入的变流功能；电容Cdc连接在直流母线和地之间；DSP控制器模块通过STATCOM控制模块调制左功率桥的PWM脉冲，控制静止无功补偿器STATCOM向公共耦合点PCC提供无功功率；DSP控制器模块还分别通过风力发电MPPT控制模块、光伏发电MPPT控制模块和储能装置充放电控制模块调制右功率桥的多路PWM脉冲，分别控制风力发电电源和光伏电源的发电效率以及控制储能装置的充放电，实现公共耦合点PCC和直流侧电压稳定。 [0012] 所述STATCOM控制模块包括：公共耦合点PCC的电压UPCC及其参考电压UPCC*经比* *较后通过第一PI控制器得到d轴参考电流id；电容Cdc两端的电压Udc及其参考电压Udc* * * 经比较后通过第二PI控制器得到q轴参考电流iq，参考电流id和参考电流iq的误差通过第三控制器PI得到PI结果，再经第一PWM调制器产生PWM脉冲信号控制静止无功补偿器STATCOM向公共耦合点PCC提供无功功率；所述公共耦合点PCC的电压UPCC和电容Cdc两端的电压Udc由DSP控制器模块分别采样。 [0013] 所述风力发电MPPT控制模块包括：由DSP控制器模块分别采样的风力发电电源的电压UWT与电流iWT，依次通过第一MPPT控制器、第四PI控制器、第二PWM调制器处理产生PWM脉冲信号控制风力发电电源的发电效率。 [0014] 所述光伏发电MPPT控制模块包括：分别由DSP控制器模块采样的光伏电源的电压UPV与电流iPV，依次通过第二MPPT控制器、第五PI控制器、第三PWM调制器处理产生PWM脉冲信号控制光伏电源的发电效率。 [0015] 所述储能装置充放电控制模块包括：由DSP控制器模块采样的储能装置的电流iB，依次通过第六PI控制器、第四PWM调制器处理产生PWM脉冲信号控制储能装置的充放电。 [0016] 所述DSP控制器模块包括与DSP控制器连接的传感器及信号调理模块，所述传感器及信号调理模块包括传感器、信号跟随模块、反向求和模块、反向放大模块；传感器为多个，分别连接公共耦合点PCC、电容Cdc、光伏电源、风力发电电源和储能装置；传感器的输出端连接信号跟随模块的输入端，信号跟随模块的输出端连接反向求和模块的输入端；反向求和模块的输出端连接反向放大模块的输入端，反向放大模块的输出端连接DSP控制器。 [0017] 所述的分布式电源接入的电压稳定调节系统的控制方法，包括以下步骤： [0018] S010：DSP控制器中设定分布式电源接入的数目、电压和电流的等级以及通讯协议； [0019] S020：分别对公共耦合点PCC电压和电容Cdc两端电压、分布式电源输出的电压和电流进行A/D实时采样； [0020] S030：分别将步骤S020的采样数据传感信号进行隔离放大、反向求和、反向放大运算后获得用于数据运算的数字信号； [0022] 循环执行上述步骤S020至步骤S040，对接入的分布式电源进行实时监测，完成分布式电源、负荷投切时的电压稳定控制； [0023] 所述稳压控制策略为：如电网向负荷输送的视在功率为P+jQC，则公共耦合点PCC电压变化为 [0024] [0025] 式中，△U为公共耦合点PCC的电压变化，P为储能装置充放电过程的冲击性有功功率，R为线路传输阻抗，Qc为静止无功补偿器STATCOM补偿的无功功率，X为线路传输感抗，UPCC为公共耦合点的电压； [0026] 要求静止无功补偿器STATCOM发出的无功功率与分布式电源、负荷投切的有功功率对公共耦合点PCC电压的影响相互抵消，即上式的分子为零，就能实现公共耦合点PCC的电压稳定。 [0027] 所述控制方法还包括通过稳压控制策略获得维持系统实时稳定的储能装置基点运行功率、分布式电源的基点运行功率范围、负荷裕度及所需的静止无功补偿器STATCOM单元个数和容量，将切负荷和卸荷控制作为功率的辅助调节，实现公共耦合点PCC和直流侧电压稳定。 [0028] 本发明的优点在于： [0029] 本发明系统不仅整合了常规变流器的功能，实现分布式电源的高效利用，还融入了基于储能装置及STATCOM的稳压控制策略，提高了分布式电源接入的兼容性与稳定性。系统通过储能装置能量的吸收或释放，提供有功支持，以消除间歇电源中断引起的频率波动和对用户区馈线上负荷变化产生的影响。系统集成储能装置充放电控制和静止无功补偿器STATCOM，解决了分布式电源、负荷投切造成的电压波动问题，实现分布式电源接入的电压稳定控制。 附图说明 [0030] 图1为本发明分布式电源接入的电压稳定调节系统的电力电子拓扑结构示意图； [0031] 图2为图1中DSP控制器模块的结构示意图； [0032] 图中，EB为储能装置，PV为光伏电源，WT为风力发电电源，PCC为公共耦合点，UPCC* *为公共耦合点PCC的电压，Udc为电容Cdc两端的电压，UPCC为UPCC的参考电压，Udc为Udc的* * 参考电压，id为d轴的参考电流，iq为q轴的参考电流；ia,b,c为三相的误差电流信号。 [0033] iB为EB充放电的电流，UPV为光伏电源输出的电压，iPV为光伏电源输出的电流，UPV*为UPV的参考电压； [0034] UWT为风力发电电源输出的电压，iWT为风力发电电源输出的电流，UWT*为UWT的参考电压。 具体实施方式[0035] 下面结合图1和图2对本发明作进一步的说明，但不构成对本发明保护范围的限制。 [0036] 如图1所示，分布式电源接入的电压稳定调节系统，所述分布式电源接入电网，包括光伏电源、风力发电电源、储能装置，该系统采用基于“背靠背”的电力电子拓扑结构，该电力电子拓扑结构主要包括左功率桥和右功率桥，所述左功率桥为接入交流电网和直流母线之间的静止无功补偿器STATCOM，用于分布式电源及负载接入电网引起电压突变时的调节功率的吸收或补偿；所述右功率桥为连接在直流母线和分布式电源之间的PWM变流器，而分布式电源连接PWM变流器用于实现分布式电源接入的变流功能；电容Cdc连接在直流母线和地之间；DSP控制器模块通过STATCOM控制模块调制左功率桥的PWM脉冲，控制静止无功补偿器STATCOM向公共耦合点PCC提供无功功率；DSP控制器模块还分别通过风力发电MPPT控制模块、光伏发电MPPT控制模块和储能装置充放电控制模块调制右功率桥的多路PWM脉冲，分别控制风力发电电源和光伏电源的发电效率以及控制储能装置的充放电，实现公共耦合点PCC和直流侧电压稳定。 [0037] 所述STATCOM控制模块包括：公共耦合点PCC的电压UPCC及其参考电压UPCC*经比* *较后通过第一PI控制器得到d轴参考电流id；电容Cdc两端的电压Udc及其参考电压Udc* * * 经比较后通过第二PI控制器得到q轴参考电流iq，参考电流id和参考电流iq的误差通过第三控制器PI得到PI结果，再经第一PWM调制器产生PWM脉冲信号控制静止无功补偿器STATCOM向公共耦合点PCC提供无功功率；所述公共耦合点PCC的电压UPCC和电容Cdc两端的电压Udc由DSP控制器模块分别采样。 [0038] 所述风力发电MPPT控制模块包括：由DSP控制器模块分别采样的风力发电电源的电压UWT与电流iWT，依次通过第一MPPT控制器、第四PI控制器、第二PWM调制器处理产生PWM脉冲信号控制风力发电电源的发电效率。 [0039] 所述光伏发电MPPT控制模块包括：分别由DSP控制器模块采样的光伏电源的电压UPV与电流iPV，依次通过第二MPPT控制器、第五PI控制器、第三PWM调制器处理产生PWM脉冲信号控制光伏电源的发电效率。 [0040] 所述储能装置充放电控制模块包括：由DSP控制器模块采样的储能装置的电流iB，依次通过第六PI控制器、第四PWM调制器处理产生PWM脉冲信号控制储能装置的充放电。 [0041] 所述DSP控制器模块包括与DSP控制器连接的传感器及信号调理模块，所述传感器及信号调理模块包括传感器、信号跟随模块、反向求和模块、反向放大模块；传感器为多个，分别连接公共耦合点PCC、电容Cdc、光伏电源、风力发电电源和储能装置；传感器的输出端连接信号跟随模块的输入端，信号跟随模块的输出端连接反向求和模块的输入端；反向求和模块的输出端连接反向放大模块的输入端，反向放大模块的输出端连接DSP控制器。 [0042] 所述的分布式电源接入的电压稳定调节系统的控制方法，包括以下步骤： [0043] S010：DSP控制器中设定分布式电源接入的数目、电压和电流的等级以及通讯协议； [0044] S020：分别对公共耦合点PCC电压和电容Cdc两端电压、分布式电源输出的电压和电流进行A/D实时采样； [0045] S030：分别将步骤S020的采样数据传感信号进行隔离放大、反向求和、反向放大运算后获得用于数据运算的数字信号； [0046] S040：DSP控制器将步骤S040的数字信号进行数据处理，按照稳压控制策略分别调制左功率桥和右功率桥的PWM脉冲，进行稳压控制； [0047] 循环执行上述步骤S020至步骤S040，对接入的分布式电源进行实时监测，完成分布式电源、负荷投切时的电压稳定控制； [0048] 所述稳压控制策略为：如电网向负荷输送的视在功率为P+jQC，则公共耦合点PCC电压变化为 [0049] [0050] 式中，△U为公共耦合点PCC的电压变化，P为储能装置充放电过程的冲击性有功功率，R为线路传输阻抗，Qc为静止无功补偿器STATCOM补偿的无功功率，X为线路传输感抗，UPCC为公共耦合点的电压； [0051] 要求静止无功补偿器STATCOM发出的无功功率与分布式电源、负荷投切的有功功率对公共耦合点PCC电压的影响相互抵消，即上式的分子为零，就能实现公共耦合点PCC的电压稳定。 [0052] 所述控制方法还包括通过稳压控制策略获得维持系统实时稳定的储能装置基点运行功率、分布式电源的基点运行功率范围、负荷裕度及所需的静止无功补偿器STATCOM单元个数和容量，将切负荷和卸荷控制作为功率的辅助调节，实现公共耦合点PCC和直流侧电压稳定。 |
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