CN112087000B - 一种光伏型柔性合环装置及运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏型柔性合环装置及运行控制方法，该装置包括两台电压源型变换器，所述两台电压源型变换器分别连接两个不同的交流***，两台断路器分别接入两台电压源型变换器的输出侧，两台电压源型变换器共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第一机械开关直接接入两台电压源型变换器并共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第二机械开关及DC‑DC变换器接入柔性合环装置二次电源。本发明提出的光伏型柔性合环装置实现了供电分区间功率、能量的智能互动，同时提供了光伏交流接口设备，降低了光伏并网***的投入成本；新型的柔性运行控制策略不仅实现了光伏最大功率追踪控制，同时实现了配网的电压电能质量、运行损耗的综合优化。

Description

一种光伏型柔性合环装置及运行控制方法

技术领域

本发明涉及一种光伏并网控制***及方法，尤其涉及一种光伏型柔性合环装置及运行控制方法。

背景技术

近年来，分布式光伏在配网中的接入比例持续上升，分布式光伏的接入给配网的运行管理也到来了一系列的挑战。分布式光伏接入位置较为分散，各分布式光伏***独立运行在MPPT工作模式。由于分布式光伏的独立、无序运行，加之其出力的随机性、波动性，对配电网的功率、能量的管理提出了严峻的挑战，分布式光伏出力过剩时，造成配电台区负载率过低，严重时将引起功率倒送导致过电压情形。为避免分布式能源出力时间、空间上分布的不均衡，研究者提出了柔性合环装置的技术解决方案。柔性合环装置由背靠背电力变换器组成，通过连接不同的供电分区，实现供电分区间功率、能量的智能互动，有效解决了供电分区间负载分布不均衡，提升了配网运行的可靠性。目前，柔性合环装置仍存在成本高，效率低的缺陷，限制了其在配网中的推广应用。分布式光伏的另一个缺陷为，大量的分布式光伏接口变换间、以及接口变换器与电网的耦合效应可能引起谐振现象，影响配网的稳定运行。

综上，现有的并网方案无法综合解决分布式光伏接入配网引起的能量管理、电能质量管理问题，存在柔性合环装置自身成本高、效率低的缺陷。

发明内容

发明目的：本发明提出一种光伏型柔性合环装置及运行控制方法，光伏型柔性合环装置不仅实现了供电分区间功率、能量的智能互动，提升配网运行经济性、可靠性，同时提供了光伏交流接口设备，降低了光伏并网***的投入成本；光伏型柔性合环装置的运行控制策略，不仅实现了光伏最大功率追踪控制，同时实现配网的电压电能质量、运行损耗的综合优化。

技术方案：本发明所采用的技术方案是一种光伏型柔性合环装置，该装置包括两台电压源型变换器，所述两台电压源型变换器分别连接两个不同的交流***，两台断路器分别接入两台电压源型变换器的输出侧，两台电压源型变换器共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第一机械开关(DK1)直接接入两台电压源型变换器并共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第二机械开关(DK0)及DC-DC变换器接入柔性合环装置二次电源。

本发明还提出一种应用于上述光伏型柔性合环装置的运行控制方法，当光伏***输出电压小于设定阈值时采用轻载MPPT运行模式，否则采用满载MPPT运行模式；在轻载MPPT运行模式下，第二机械开关处于闭合状态，第一机械开关处于断开状态，两台电压源型变换器工作在静止无功补偿模式，通过DC/DC变换器进行MPPT跟踪；在满载MPPT运行模式下，第一机械开关处于闭合状态，第二机械开关处于断开状态，光伏电池板经两台电压源型变换器向两个交流***馈线馈送输出有功功率，通过两台电压源型变换器进行MPPT跟踪。

其中，所述通过DC/DC变换器进行MPPT跟踪，是指DC-DC变换器采用电压外环-电流内环控制，其中电压参考值V_DCref与实测光伏直流汇集母线电压作差后，经PI调节器产生输入电流参考值I_DCref，DC-DC变换器的输入电流I_DC与参考值I_DCref作差后，经PI调节器输出DC-DC变换器的PWM调整信号。

所述的两台电压源型变换器工作在静止无功补偿模式，是指电压源型变换器采用d，q解耦控制，其中电容电压V_C与参考值V_Cref作差后经PI调节器产生输出电流d轴参考信号I_g，dref，输出电流d轴参考信号I_g，dref与电压源型变换器的实测电流d轴分量I_g，d作差后，经直流链PR调节产生电压源型变换器调制信号的d轴分量；无功参考值I_g，qref与电压源型变换器实测无功电流分量I_g，q作差后经PR调解器产生电压源型变换器的q轴调制信号。其中，所述的直流链PR调解器采用谐振控制器，其传递函数为：

其中k_P2、k_I2分别为比例系数和谐振系数，ω为频率，s表示函数G_PR经拉普拉斯变换后的因变量。

所述的通过两台电压源型变换器进行MPPT跟踪，是指其中一台电压源型变换器采用电压控制模式，另一台电压源型变换器采用PQ控制模式。

其中，所述的其中一台电压源型变换器采用电压控制模式，包括以下过程：电压源型变换器采用d，q解耦控制，其中电容电压V_C与参考值V_Cref作差后经PI调节器产生输出电流d轴参考信号I_g，dref，输出电流d轴参考信号I_g，dref与电压源型变换器的实测电流d轴分量I_g，d作差后，经直流链PR调节产生电压源型变换器调制信号的d轴分量；计算电压源型变换器输出电流参考值，无功参考值I_g，qref与电压源型变换器实测无功电流分量I_g，q作差后经PR调解器产生该台电压源型变换器的q轴调制信号。

所述的另一台电压源型变换器采用PQ控制模式，包括以下过程：电压源型变换器采用d，q解耦控制，其中输出电流d轴参考信号I_g，dref与电压源型变换器的实测电流d轴分量I_g，d作差后，经直流链PR调节产生电压源型变换器调制信号的d轴分量；计算电压源型变换器输出电流参考值，无功参考值I_g，qref与电压源型变换器实测无功电流分量I_g，q作差后经PR调解器产生该台电压源型变换器的q轴调制信号。

计算电压源型变换器输出电流参考值，包括以下过程：通过最小化配网电压和损耗的目标函数，得到背靠背电压源型变换器的输出功率参考值，计算得到对应的背靠背电压源型变换器输出电流参考值，所述配网电压和损耗的目标函数W为：

W＝αf(P_{V1_ref}，P_{V2_ref}，Q_{V1_ref}，Q_{V2_ref})+βg(P_{V1_ref}，P_{V2_ref}，Q_{V1_re}f，Q_{V2_ref})

约束条件为：

其中函数f、g为配网损耗和节点电压评估函数；α、β分别为配网损耗、节点电压权重系数，并且α+β＝1；P_{V1_ref}、P_{V2_ref}分别表示两个电压源型变换器的有功功率参考值、Q_{V1_ref}、Q_{V2_ref}分别表示两个电压源型变换器的无功功率参考值；S_N为电压源型变换器的额定功率；P_PV为光伏输出功率。

有益效果：相比于现有技术，本发明具有以下优点：本发明提出的光伏型柔性合环装置包括两台电压源型变换器及光伏并网***，其中光伏电池接入电压源型变换器公共直流母线侧，并通过DC-DC变换器连接柔性合环装置二次电源。柔性合环装置不仅实现了供电分区间功率、能量的智能互动，提升配网运行经济性、可靠性，同时还提供了光伏交流接口设备，降低了光伏并网***的投入成本。本发明提出的光伏型柔性合环装置运行控制策略，在光伏低电压启动时，光伏与公共直流母线侧不相连接，并通过DC-DC变换器给设备二次电源充电；光伏MPPT运行模式下，通过灵活控制混合柔性合环装置直流母线电压，实现光伏最大功率追踪控制，并通过调度柔性合环装置各端口有功功率实现配网的电压电能质量、运行损耗的综合优化。

附图说明

图1是本发明所述的光伏型柔性合环装置结构示意图；

图2是本发明所述的光伏型柔性合环装置在轻载MPPT运行模式下的结构示意图；

图3是本发明所述的光伏型柔性合环装置在轻载MPPT运行模式下DC-DC变换器的控制原理图；

图4是本发明所述的光伏型柔性合环装置在轻载MPPT运行模式下电压源型变换器的控制原理图；

图5是本发明所述的光伏型柔性合环装置在满载MPPT运行模式下的结构示意图；

图6是本发明所述的光伏型柔性合环装置在满载MPPT运行模式下电压源型变换器的控制原理图，包括(a)电压源型变换器VSC1的控制原理图(b)电压源型变换器VSC2的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

本发明所述的光伏型柔性合环装置，包括两台电压源型变换器，光伏电池接入电压源型变换器公共直流母线侧，并通过DC-DC变换器连接柔性合环装置二次电源。柔性合环装置不仅实现了供电分区间功率、能量的智能互动，提升配网运行经济性、可靠性；同时提供了光伏交流接口设备，降低了光伏并网***的投入成本；本发明提出了光伏型柔性合环装置运行控制策略，光伏低电压启动时，光伏与公共直流母线侧不相连接，并通过DC-DC变换器给设备二次电源充电；光伏MPPT运行模式下，通过灵活控制混合柔性合环装置直流母线电压，实现光伏最大功率追踪控制，并通过调度柔性合环装置各端口有功功率实现配网的电压电能质量、运行损耗的综合优化。

如图1所示为光伏型柔性合环装置结构示意图，其中包含两台电压源型变换器(Voltage Source Converter，VSC)，电压源型变换器VSC1、VSC2分别连接两个不同的交流***，交流输出侧由两台交流断路器、一台机械隔离开关组成，断路器AK1、AK2分别接入电压源型变换器VSC1、VSC2输出侧，VSC1、VSC2共用直流电容C，光伏电池汇集直流母线经机械开关DK1直接接入共用直流电容C，并且光伏电力汇集直流母线经机械开关DK0及DC-DC变换器接入柔性合环装置二次电源。

光伏电池为受控电流源，其输出电流与电压相关；因此通过调控光伏电池输出电压可实现光伏最大功率追踪控制(Maximum Power Point Tract，MPPT)。光伏电池在早晨或者夜幕降临前夕，由于光照强度极低，光伏电池的MPPT工作点电压较低。因此，为维持光伏电池的宽电压范围运行，光伏并网***多采用两级变换器，即由前级的DC-DC变换器+后级的DC-AC变换器组成。光伏并网***运行包括轻载MPPT运行、满载MPPT运行两种模态，下面详述两种模态的运行方式。

模态1：轻载MPPT运行

光伏电池MPPT工作模式下，输出电压小于U_th定义为轻载MPPT运行。轻载MPPT运行模态下，机械开关DK0＝1，DK1＝0，其中DK0＝1表征机械开关DK0处于闭合状态，反之则处于关断状态。

光伏电池经DC-DC变换器给二次储能电源充电，VSC1、VSC2工作在STATCOM模式，则光伏型柔性合环装置的整体运行结构如图2所示。

如图3所示为该模态运行方式下DC/DC变换器MPPT工作原理。

其中V_DCref为MPPT控制器输出的参考电压，V_bus为光伏电池汇集直流母线电压。DC-DC变换器采用电压外环-电流内环控制，即电压参考值V_DCref与实测光伏直流汇集母线电压作差后，经PI调节器产生输入电流参考值I_DCref，其中I_DC为光伏汇集母线向DC-DC变换器注入的电流，即DC-DC变换器的输入电流。

DC-DC变换器的输入电流I_DC与参考值I_DCref作差后，经PI调节器输出DC-DC变换器的PWM调整信号。

电压源型变换器VSC1、VSC2工作在静止无功补偿模式；以电压源型变换器VSC1为例，如图4所示，电压源型变换器VSC1采用d，q解耦控制，电容电压V_C与参考值V_Cref作差后经PI调节器产生输出电流d轴参考信号I_g1，dref。输出电流d轴参考信号I_g1，dref与电压源型变换器VSC1实测电流d轴分量I_g1，d作差后，经PR调节其产生电压源型变换器VSC1调制信号的d轴分量。直流电容电压控制实现了电压源型变换器VSC1与电网的有功功率交换控制，实现了电容电压和电压源型变换器VSC1能量的整体调控。

直流链电压控制采用谐振控制器，且其传递函数为：

其中k_P2、k_I2分别为比例、谐振系数，ω为频率，s表示函数G_PR经拉普拉斯变换后的因变量。

无功参考值I_g1，qref与电压源型变换器VSC1实测无功电流分量I_g1，q作差后经PR调解器产生电压源型变换器VSC1的q轴调制信号。

模态2：满载MPPT运行

光伏电池满载MPPT工作模模态下，输出电压大于U_th。满载MPPT运行模态下，DK0＝0，DK1＝1。

光伏电池经电压源型变换器VSC1、VSC2向交流***馈线1、2馈送输出有功功率，则光伏型柔性合环的整体运行结构如图5所示。

MPPT控制模式：

电压源型变换器VSC1输出功率为S_VSC1，其有功功率、无功功率分别为P_VSC1、Q_VSC1，并有：

电压源型变换器VSC2的输出功率为S_VSC2，有功功率、无功功率分别为P_VSC2、Q_VSC2，并有：

若忽略VSC1、VSC2的损耗，则有：

P_VSC1+P_VSC2＝P_PV

其中P_PV为光伏输出功率，即：

P_PV＝V_busI_PV

光伏直流汇集母线电压V_bus＝V_C。

电压源型变换器VSC1工作在电压控制模式，通过控制公共直流电容V_C电压的大小，实现光伏最大功率追踪控制。电压源型变换器VSC1输出有功功率参考值为P_{V1_ref}、无功功率参考值为Q_{V1_ref}。

电压源型变换器VSC2工作在PQ功率模式，且输出功率的参考值为P_{V2_ref}、Q_{V2_ref}。通过确定VSC1、VSC2有功功率、无功功率参考值大小，计算出对应的VSC1、VSC2输出电流参考值大小。

如图6所示为满载MPPT运行模式下电压源型变换器的控制***原理图。

进一步地，电压源型变换器VSC1、VSC2输出有功功率、无功功率参考值可由下述方法求得：

通过优化电压源型变换器VSC1、VSC2的输出功率可最小化下述目标函数，实现配网电压和损耗的综合管理。

W＝αf(P_{V1_ref}，P_{V2_ref}，Q_{V1_ref}，Q_{V2_ref})+βg(P_{V1_ref}，P_{V2_ref}，Q_{V1_ref}，Q_{V2_ref})

其中f，g为配网损耗和节点电压评估函数；α、β分别为配网损耗、节点电压权重系数，并且α+β＝1。P_{V1_ref}、P_{V2_ref}分别表示两个电压源型变换器的有功功率参考值、Q_{V1_ref}、Q_{V2_ref}分别表示两个电压源型变换器的无功功率参考值。并且电压源型变换器VSC1、VSC2输出功率满足下述约束条件：

其中S_N为电压源型变换器VSC1、VSC2的额定功率，通过联立上述两式，可求得电压源型变换器VSC1、VSC2输出有功功率、无功功率参考值。通过确定VSC1、VSC2有功功率、无功功率参考值大小，计算出对应的VSC1、VSC2输出电流参考值大小。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(***)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光伏型柔性合环装置的运行控制方法，所述光伏型柔性合环装置包括两台电压源型变换器，所述两台电压源型变换器分别连接两个不同的交流***，两台断路器分别接入两台电压源型变换器的输出侧，两台电压源型变换器共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第一机械开关(DK1)直接接入两台电压源型变换器并共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第二机械开关(DK0)及DC-DC变换器接入柔性合环装置二次电源，其特征在于：当光伏***输出电压小于设定阈值时，所述光伏型柔性合环装置采用轻载MPPT运行模式，否则采用满载MPPT运行模式；在轻载MPPT运行模式下，所述第二机械开关处于闭合状态，所述第一机械开关处于断开状态，两台电压源型变换器工作在静止无功补偿模式，所述光伏型柔性合环装置通过DC/DC变换器进行MPPT跟踪；在满载MPPT运行模式下，所述第一机械开关处于闭合状态，所述第二机械开关处于断开状态，光伏电池板经两台电压源型变换器向两个交流***馈线馈送输出有功功率，所述光伏型柔性合环装置通过两台电压源型变换器进行MPPT跟踪。

2.根据权利要求1所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述光伏型柔性合环装置通过DC/DC变换器进行MPPT跟踪，包括以下过程：DC-DC变换器采用电压外环-电流内环控制，其中电压参考值V_DCref与实测光伏直流汇集母线电压作差后，经PI调节器产生输入电流参考值I_DCref，DC-DC变换器的输入电流I_DC与参考值I_DCref作差后，经PI调节器输出DC-DC变换器的PWM调整信号。

3.根据权利要求1所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述两台电压源型变换器工作在静止无功补偿模式，包括以下过程：电压源型变换器采用d，q解耦控制，其中电容电压V_C与参考值V_Cref作差后经PI调节器产生输出电流d轴参考信号I_g，dref，输出电流d轴参考信号I_g，dref与电压源型变换器的实测电流d轴分量I_g，d作差后，经直流链PR调节产生电压源型变换器调制信号的d轴分量；无功参考值I_g，qref与电压源型变换器实测无功电流分量I_g，q作差后经PR调解器产生电压源型变换器的q轴调制信号。

4.根据权利要求3所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述PR调解器采用谐振控制器，其传递函数为：

其中k_P2、k_I2分别为比例系数和谐振系数，ω为频率，s表示函数G_PR经拉普拉斯变换后的因变量。

5.根据权利要求1所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述光伏型柔性合环装置通过两台电压源型变换器进行MPPT跟踪，是指其中一台电压源型变换器采用电压控制模式，另一台电压源型变换器采用PQ控制模式。

6.根据权利要求5所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述的其中一台电压源型变换器采用电压控制模式，包括以下过程：电压源型变换器采用d，q解耦控制，其中电容电压V_C与参考值V_Cref作差后经PI调节器产生输出电流d轴参考信号I_g1，dref，输出电流d轴参考信号I_g1，dref与电压源型变换器的实测电流d轴分量I_g1，d作差后，经直流链PR调节产生电压源型变换器调制信号的d轴分量；计算电压源型变换器输出电流参考值，无功参考值I_g1，qref与电压源型变换器实测无功电流分量I_g1，q作差后经PR调解器产生该台电压源型变换器的q轴调制信号。

7.根据权利要求5所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述的另一台电压源型变换器采用PQ控制模式，包括以下过程：电压源型变换器采用d，q解耦控制，其中输出电流d轴参考信号I_g2，dref与电压源型变换器的实测电流d轴分量I_g2，d作差后，经直流链PR调节产生电压源型变换器调制信号的d轴分量；计算电压源型变换器输出电流参考值，无功参考值I_g2，qref与电压源型变换器实测无功电流分量I_g2，q作差后经PR调解器产生该台电压源型变换器的q轴调制信号。

8.根据权利要求6或7所述的光伏型柔性合环装置的运行控制方法，其特征在于：所述计算电压源型变换器输出电流参考值，包括以下过程：通过最小化配网电压和损耗的目标函数，得到背靠背电压源型变换器的输出功率参考值，计算得到对应的背靠背电压源型变换器输出电流参考值，所述配网电压和损耗的目标函数W为：

W＝αf(P_{V1_ref}，P_{V2_ref}，Q_{V1_ref}，Q_{V2_ref})+βg(P_{V1_ref}，P_{V2_ref}，Q_{V1_ref}，Q_{V2_ref})

约束条件为：

其中函数f、g为配网损耗和节点电压评估函数；α、β分别为配网损耗、节点电压权重系数，并且α+β＝1；P_{V1_ref}、P_{V2_ref}分别表示两个电压源型变换器的有功功率参考值、Q_{V1_ref}、Q_{V2_ref}分别表示两个电压源型变换器的无功功率参考值；S_N为电压源型变换器的额定功率；P_PV为光伏输出功率。

9.一种计算机可读取存储介质，其特征在于，存储有计算机可执行程序，包括以下控制内容：当光伏***输出电压小于设定阈值时，光伏型柔性合环装置采用轻载MPPT运行模式，否则采用满载MPPT运行模式；所述光伏型柔性合环装置包括两台电压源型变换器，所述两台电压源型变换器分别连接两个不同的交流***，两台断路器分别接入两台电压源型变换器的输出侧，两台电压源型变换器共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第一机械开关(DK1)直接接入两台电压源型变换器并共用直流电容，光伏电池板汇集直流母线经第二机械开关(DK0)及DC-DC变换器接入柔性合环装置二次电源；在轻载MPPT运行模式下，所述第二机械开关处于闭合状态，所述第一机械开关处于断开状态，两台电压源型变换器工作在静止无功补偿模式，所述光伏型柔性合环装置通过DC/DC变换器进行MPPT跟踪；在满载MPPT运行模式下，所述第一机械开关处于闭合状态，所述第二机械开关处于断开状态，光伏电池板经两台电压源型变换器向两个交流***馈线馈送输出有功功率，所述光伏型柔性合环装置通过两台电压源型变换器进行MPPT跟踪。

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