CN106602609A - 抑制并网电路中直流母线电压波动的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电工技术领域，尤其涉及一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置及方法，该装置包括发电单元、逆变器、交流电网、储能单元和控制单元，逆变器通过直流母线与发电单元连接，将发电单元产生的直流电转换为交流电后并入到交流电网，储能单元通过电线与直流母线连接，储能单元用于吸收直流母线上的多余的功率或向直流母线输送功率，当交流电网发生电压跌落，逆变器将进行低电压穿越，控制单元获取发电单元侧的实时功率及交流电网侧的实时功率，并控制储能单元从直流母线上吸收多余功率或向直流母线输送功率，避免直流母线的上的功率发生突变，以抑制直流母线上发生电压波动。

Description

抑制并网电路中直流母线电压波动的装置及方法

技术领域

本发明涉及电工技术领域，尤其涉及一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置及方法。

背景技术

国家标准《GB19964-2012光伏发电站接入电力***技术规定》中要求当电网电压因故障发生跌落时，光伏并网逆变器需保持短时并网状态，具备一定的电网支撑能力。且在电网低电压穿越的过程中逆变器需要向电网注入无功，动态无功电流应满足以下要求：

(1)自并网点电压跌落的时刻起，动态无功电流的响应时间不大于30ms。

(2)自动态电流响应起直到电压恢复至0.9pu期间，光伏发电站注入电力***的无功动态电流IT应实时跟踪并网点电压变化，并满足：

I_T≥1.5×(0.9-U_T)I_N (0.2≤U_T≤0.9)

I_T≥1.05×I_N (U_T<0.2)

I_T＝0 (U_T>0.9)

因此当电网电压瞬间跌落而逆变器并网电流无法突变，故逆变器并网功率会瞬间跌落，而逆变器输入功率无法突变，所以会导致逆变器直流母线功率瞬间增大，进而导致直流母线电压瞬间升高，危害整个光伏发电***正常运行。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决并网电路中低电压穿越时直流母线电压容易发生波动，进而危机发电***的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，包括发电单元、逆变器、交流电网、储能单元和控制单元，所述逆变器通过直流母线与所述发电单元连接，将所述发电单元产生的直流电转换为交流电后并入到交流电网；所述储能单元通过电线与直流母线连接，所述控制单元用于获取所述发电单元侧的实时功率及交流电网侧的实时功率，并控制所述储能单元从所述直流母线上吸收多余功率或向所述直流母线输送功率，以抑制所述直流母线上发生电压波动。

其中，所述双向DC/AC单元为由六个功率器件组成的三相全桥电路。

其中，所述直流母线与所述储能单元之间设有双向DC/AC单元。

其中，所述储能单元包括飞轮和电机，所述电机连接于所述双向DC/AC单元与所述飞轮之间。

其中，所述发电单元为光伏电池阵列，所述逆变器为光伏并网逆变器。

其中，所述控制单元包括信号采集模块、信号处理模块和控制模块，所述信号采集模块用于采集所述交流电网侧的电压和电流，所述信号处理模块根据所述交流电网侧电压值和电流值获得所述交流电网侧的瞬时功率，并根据所述交流电网侧的瞬时功率及所述发电单元输出的瞬时功率获得所述双向DC/AC单元所需的脉冲信号，所述控制模块根据所述脉冲信号控制所述双向DC/AC单元的工作状态。

本发明还提供了一种抑制并网电路中直流母线电压波动的控制方法，包括步骤

S1，获取发电单元输出的直流瞬时功率和交流电网侧的瞬时功率；

S2，根据发电单元输出的直流瞬时功率和交流电网的瞬时功率，获取为了抑制直流电母线电压波动储能单元应该从直流母线吸收或释放的功率；

S3，根据步骤S2的结果获取控制指令来控制储能单元从直流母线吸收功率或向直流母线释放功率，以抑制直流母线的电压波动。

其中，所述步骤S1包括步骤

S11，采集交流电网侧的三相电压V_a、V_b、V_c和电流信号I_a、I_b、I_c，其中，V_c＝0，I_c＝0；

S12，分别对交流电网侧的三相电压和三相电流进行CLARKE变换得到电压V_α、V_β和电流I_α、I_β，具体公式如下：

S13，对电压V_α、V_β和电流I_α、I_β进行PARK变换得到电压V_d、V_q和电流I_d、I_q，具体公式如下：

S14，获取交流电网瞬时功率P_g和发电单元输出的直流瞬时功率P_dc，其中，P_g＝1.5×(V_d×I_d+V_q×I_q)，P_dc＝U_dc×I_dc；U_dc为发电单元输出的直流电压，I_dc为发电单元输出的直流电流。

其中，所述步骤S2中，为了抑制直流电母线电压波动储能单元应该从直流母线吸收或释放的功率P_e＝P_dc-P_g。

其中，当储能单元为电机和飞轮时，直流母线与储能单元之间设置双向DC/AC单元；

所述步骤S3具体包括：

S31，获取电机q轴的电流给定指令值i_qref，其中，i_qref＝P_e/P×ω×ψ，ω为电机的电角速度；P为电机极对数；ψ为电机永磁体磁链；

S32，比较电机的电流给定指令值i_qref和实际值，根据比较结果获取空间矢量脉宽调制算法的控制电压参考值；

S33，根据控制电压参考值生成双向DC/AC单元所需的PWM脉冲，从而按照需求从直流母线吸收功率或向直流母线释放功率，来抑制直流母线的电压波动。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，该装置包括发电单元、逆变器、交流电网、储能单元和控制单元，逆变器通过直流母线与发电单元连接，将发电单元产生的直流电转换为交流电后并入到交流电网，储能单元通过电线与直流母线连接，储能单元用于吸收直流母线上的多余的功率或向直流母线输送功率，控制单元用于获取发电单元侧的实时功率及交流电网侧的实时功率，并控制储能单元从直流母线上吸收多余功率或向所述直流母线输送功率，以抑制直流母线上发生电压波动。当交流电网发生电压跌落，逆变器将进行低电压穿越，控制单元根据获取的信号和计算的结果控制储能单元吸收或向直流母线输送功率，避免直流母线的上的功率发生突变，从而实现抑制直流母线电压发生波动的现象。

除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置电路连接图；

图3是本发明实施例提供的抑制并网电路中直流母线电压波动的方法的流程图。

图中：1：交流电网；2：逆变器；3：发电单元；4：双向DC/AC单元；5：电机；6：飞轮。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，包括发电单元3、逆变器2、交流电网1、储能单元和控制单元(图上示出)，逆变器2通过直流母线与发电单元3连接，将发电单元3产生的直流电转换为交流电后并入到交流电网1，储能单元通过电线与直流母线连接，储能单元用于吸收直流母线上的多余的功率或向直流母线输送功率，控制单元用于获取发电单元侧的实时功率及交流电网侧的实时功率，并控制储能单元从直流母线上吸收多余功率或向所述直流母线输送功率，以抑制直流母线上发生电压波动。当交流电网1发生电压跌落，逆变器将2进行低电压穿越，控制单元根据获取的信号和计算的结果控制储能单元吸收或向直流母线输送功率，避免直流母线的上的功率发生突变，从而实现抑制直流母线电压发生波动的现象。

进一步地，直流母线与储能单元之间设有双向DC/AC单元4，双向DC/AC单元4能够实现直流电和交流电的双向转换，当直流母线上有多余的功率时，双向DC/AC单元4将直流电转换为交流电供给储能单元，实现直流母线上多余功率的转移，当直流母线上需要补充功率时，双向DC/AC单元4将储能单元中的交流电转换为直流电供给直流母线。

进一步地，储能单元包括飞轮6和电机5，电机5连接于双向DC/AC单元4与飞轮6之间，且双向DC/AC单元4的直流端与逆变器2的直流端并联，双向DC/AC单元4的交流端与电机5相连。

进一步地，在本实施例中，发电单元3为光伏电池阵列，逆变器2为光伏并网逆变器。

进一步地，该装置还包括信号采集模块、信号处理模块和控制模块，信号采集模块用于采集交流电网1侧的电压和电流，信号处理模块根据交流电网1侧的电压值和电流值及发电单元3输出的瞬时功率获得双向DC/AC单元4所需的脉冲信号，控制模块根据脉冲信号控制双向DC/AC单元4的工作状态。具体的，信号采集模块将采集到的交流电网1侧的三相电压和三相电流传递给信号处理模块，信号处理模块首先根据交流电网1侧的三相电压和三相电流计算出交流电网1的瞬时功率，然后跟发电单元3输出的功率进行对比，得出直流母线上多余的功率或者是需要从储能单元上吸收的功率，根据该功率值得出需要向双向DC/AC单元4发送的脉冲信号，控制模块根据脉冲信号控制双向DC/AC单元4的处于直流转交流状态或者是交流转直流的状态，进而实现对对直流母线上的多余功率进行吸收或者是对直流母线上的功率进行补充。

进一步地，双向DC/AC单元4为由六个功率器件组成的三相全桥电路。三相全桥电路根据SVPWM控制算法，结合锁相算法，输出相应的PWM波，控制六个功率器件按照一定规律进行开通和关断。当需要从储能单元吸收能量时，进行单位功率因数整流，将交流电转换成直流电；当需要向储能单元输送能量时，进行单位功率因数逆变，将直流电转换成交流电。功率器件采用绝缘栅双极型晶体管IGBT及其相应的驱动电路，也可以采用功率晶体管GTR或金属－氧化物－半导体型场效应晶体管MOSFET或门极关断晶闸管GTO。

如图3所示，本实施例还提供了一种采用上述装置抑制并网电路中直流母线电压波动的方法，包括步骤

S1，获取发电单元输出的直流瞬时功率和交流电网侧的瞬时功率；具体包括S11，通过信号采集模块采集交流电网侧的三相电压V_a、V_b、V_c和电流信号I_a、I_b、I_c，其中，V_c＝0，I_c＝0；S12，分别对交流电网侧的三相电压和三相电流进行CLARKE变换得到电压V_α、V_β和电流I_α、I_β，具体公式如下：

S13，对电压V_α、V_β和电流I_α、I_β进行PARK变换得到电压V_d、V_q和电流I_d、I_q，具体公式如下：

S14，获取交流电网瞬时功率P_g和发电单元输出的直流瞬时功率P_dc，其中，P_g＝1.5×(V_d×I_d+V_q×I_q)，P_dc＝U_dc×I_dc；U_dc为发电单元输出的直流电压，I_dc为发电单元输出的直流电流。

S2，根据发电单元输出的直流瞬时功率和交流电网的瞬时功率，获取为了抑制直流电母线电压波动储能单元应该从直流母线吸收或释放的功率P_e,P_e＝P_dc-P_g。

S3，根据步骤S2的结果获取控制指令来控制储能单元从直流母线吸收功率或向直流母线释放功率，以抑制直流母线的电压波动。

步骤S3具体包括：

S31，获取电机q轴的电流给定指令值i_qref，其中，i_qref＝P_e/P×ω×ψ，ω为电机的电角速度；P为电机极对数；ψ为电机永磁体磁链；

S32，比较电机的电流给定指令值i_qref和实际值，根据比较结果获取空间矢量脉宽调制算法的控制电压参考值；

S33，根据控制电压参考值生成双向DC/AC单元所需的PWM脉冲，从而按照需求从直流母线吸收功率或向直流母线释放功率，来抑制直流母线的电压波动。

综上所述，本发明实施例提供的一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置及方法，信号采集模块将采集到的交流电网侧的三相电压和三相电流传递给信号处理模块，信号处理模块首先根据交流电网侧的三相电压和三相电流计算出交流电网的瞬时功率，然后跟发电单元输出的功率进行对比，得出直流母线上多余的功率或者是需要从储能单元上吸收的功率，根据该功率值得出需要向双向DC/AC单元发送的脉冲信号，控制模块根据脉冲信号控制双向DC/AC单元的处于直流转交流状态或者是交流转直流的状态，进而实现对对直流母线上的多余功率进行吸收或者是对直流母线上的功率进行补充，避免直流母线的上的功率发生突变，从而实现抑制直流母线电压发生波动的现象。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，其特征在于：包括发电单元、逆变器、交流电网、储能单元和控制单元，所述逆变器通过直流母线与所述发电单元连接，将所述发电单元产生的直流电转换为交流电后并入到交流电网；所述储能单元通过电线与直流母线连接，所述控制单元用于获取所述发电单元侧的实时功率及交流电网侧的实时功率，并控制所述储能单元从所述直流母线上吸收多余功率或向所述直流母线输送功率，以抑制所述直流母线上发生电压波动。

2.根据权利要求1所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，其特征在于：所述直流母线与所述储能单元之间设有双向DC/AC单元。

3.根据权利要求2所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，其特征在于：所述双向DC/AC单元包括由六个功率器件组成的三相全桥电路。

4.根据权利要求2所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，其特征在于：所述储能单元包括飞轮和电机，所述电机连接于所述双向DC/AC单元与所述飞轮之间。

5.根据权利要求1所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，其特征在于：所述发电单元为光伏电池阵列，所述逆变器为光伏并网逆变器。

6.根据权利要求2所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的装置，其特征在于：所述控制单元包括信号采集模块、信号处理模块和控制模块，所述信号采集模块用于采集所述交流电网侧的电压和电流，所述信号处理模块根据所述交流电网侧电压值和电流值获得所述交流电网侧的瞬时功率，并根据所述交流电网侧的瞬时功率及所述发电单元输出的瞬时功率获得所述双向DC/AC单元所需的脉冲信号，所述控制模块根据所述脉冲信号控制所述双向DC/AC单元的工作状态。

7.一种抑制并网电路中直流母线电压波动的方法，其特征在于：包括步骤

S1，获取发电单元输出的直流瞬时功率和交流电网侧的瞬时功率；

S2，根据发电单元输出的直流瞬时功率和交流电网的瞬时功率，获取为了抑制直流电母线电压波动储能单元应该从直流母线吸收或释放的功率；

S3，根据步骤S2的结果获取控制指令来控制储能单元从直流母线吸收功率或向直流母线释放功率，以抑制直流母线的电压波动。

8.根据权利要求7所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的方法，其特征在于：在步骤S1包括步骤

S11，采集交流电网侧的三相电压V_a、V_b、V_c和电流信号I_a、I_b、I_c，其中，V_c＝0，I_c＝0；

S12，分别对交流电网侧的三相电压和三相电流进行CLARKE变换得到电压V_α、V_β和电流I_α、I_β，具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{\&alpha;}}=V_a\\ V_{\mathrm{\&beta;}}=(2V_b+V_a)/\sqrt{3}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\&alpha;}}=I_a\\ I_{\mathrm{\&beta;}}=(2I_b+I_a)/\sqrt{3}\end{array}\right.;$

S13，对电压V_α、V_β和电流I_α、I_β进行PARK变换得到电压V_d、V_q和电流I_d、I_q，具体公式如下：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=V_{\mathrm{\&alpha;}}\&times;cos\mathrm{\&theta;}+V_{\mathrm{\&beta;}}\&times;sin\mathrm{\&theta;}\\ V_q=-V_{\mathrm{\&alpha;}}\&times;sin\mathrm{\&theta;}+V_{\mathrm{\&beta;}}\&times;\cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=I_{\mathrm{\&alpha;}}\&times;cos\mathrm{\&theta;}+I_{\mathrm{\&beta;}}\&times;sin\mathrm{\&theta;}\\ I_q=-I_{\mathrm{\&alpha;}}\&times;sin\mathrm{\&theta;}+I_{\mathrm{\&beta;}}\&times;\cos \mathrm{\&theta;}\end{array}\right.$

S14，获取交流电网瞬时功率P_g和发电单元输出的直流瞬时功率P_dc，其中，P_g＝1.5×(V_d×I_d+V_q×I_q)，P_dc＝U_dc×I_dc；U_dc为发电单元输出的直流电压，I_dc为发电单元输出的直流电流。

9.根据权利要求8所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的方法，其特征在于：所述步骤S2中，为了抑制直流电母线电压波动储能单元应该从直流母线吸收或释放的功率P_e＝P_dc-P_g。

10.根据权利要求9所述的抑制并网电路中直流母线电压波动的方法，其特征在于：当储能单元为电机和飞轮时，直流母线与储能单元之间设置双向DC/AC单元；

所述步骤S3具体包括：

S31，获取电机q轴的电流给定指令值i_qref，其中，i_qref＝P_e/P×ω×ψ，ω为电机的电角速度；P为电机极对数；ψ为电机永磁体磁链；

S32，比较电机的电流给定指令值i_qref和实际值，根据比较结果获取空间矢量脉宽调制算法的控制电压参考值；

S33，根据控制电压参考值生成双向DC/AC单元所需的PWM脉冲，从而按照需求从直流母线吸收功率或向直流母线释放功率，来抑制直流母线的电压波动。