一種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法
【專利摘要】本發明提供了一種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，包括第一控制狀態和第二控制狀態：第一控制狀態是MPPT狀態控制，太陽能電池板組件的最大功率點對應的電壓Umax附近，輸出功率在最大輸出功率點Pmax附近，實時的把MPPT控制器部分獲得的能量逆變推送到電網中去；第二控制狀態是限功率狀態控制，使逆變器工作點偏離最大輸出功率點Pmax，逆變器輸出電流在線路阻抗上的壓降就會減小。有益效果是解決配電網比較弱的情況下分布式光伏發電接入的電壓超限問題，減少因電網電壓過高造成的停機棄光，保證用戶收益，同時能夠預估線路阻抗，根據線路阻抗，逆變器可以在當地或者通過遠程監控，控制用戶負載從而基本實現不棄光。
【專利說明】
一種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法
技術領域
[0001]本發明屬于光伏并網逆變器領域，尤其是涉及一種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法。
【背景技術】
[0002]隨著光伏發電技術的不斷發展，光伏發電的成本逐漸降低。新能源并網補貼政策不斷完善進一步促進了整個行業的發展。目前分布式光伏發電已經走入千家萬戶，用戶可以在自家屋頂安裝一套太陽能發電系統，通過賣電獲取收益。在農村或者偏遠地區安裝太陽能發電系統的時候經常會遇到電網電壓超限的情況，即并網點電網電壓超過逆變器允許的工作范圍(NBT32004-2013:187V-242VAC)。造成這種情況的一個原因就是該地區的電網相對較弱，并網點(用戶側)距離配電變壓器較遠，之間的走線較細，兩點之間的線路阻抗較大。如圖1所示，為光伏發電系統的框圖，線路阻抗R和用戶所在區域的配電網有關系。光伏發電系統并網發電時，如果用戶不能完全消納電池板發出來的能量，這部分能量就會通過電纜輸送到公共電網。電流外送會在線路阻抗R上產生壓降，這樣并網點的電壓就會由兩部分組成:電網電壓+線路壓降。并網點的電壓被抬高，很明顯線路阻抗越大同樣并網電流的情況下，線路壓降會越大，并網點電壓越高。根據標準要求，電壓超限后逆變器要停機保護。現有逆變器產品在電壓達到保護值后大都會停機保護，這樣用戶的發電收益就會受到損失。尤其是在中午太陽輻照度比較好的情況下，逆變器會反復起停機，即影響了發電，又會對逆變器內部的繼電器等器件造成一定的損害。目前有的廠家為了解決電網電壓超限和用戶追求最大發電收益的矛盾，調高了逆變器的電壓保護范圍。但是這樣并網點電壓會進一步抬升，對用電安全造成威脅，長期使用可能會燒毀用戶的一些用電設備。最好的解決方案是從電網側增大配電網容量，治理用戶側的低電壓和高電壓問題。但是配電網涉及范圍比較大，原有規劃可能并未考慮新能源的接入，受現有變壓器容量等配電設備的局限等。改造需要相對長的周期和很大的資金投入，不能很快的解決目前的矛盾。
【發明內容】
[0003]有鑒于此，本發明旨在提出一種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，解決配電網比較弱的情況下分布式光伏發電接入的電壓超限問題，能夠在保證安全的情況下使逆變器盡量多發電，減少因電網電壓過高造成的停機棄光，保證用戶收益，同時能夠預估線路阻抗，根據線路阻抗，逆變器可以在當地或者通過遠程監控，控制用戶負載從而基本實現不棄光。
[0004]為達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的:
[0005]—種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，包括第一控制狀態和第二控制狀態:
[0006]第一控制狀態是MPPT狀態控制:當逆變器檢測并網點電網電壓未超過逆變器允許的工作范圍時，逆變器工作在MPPT最大功率點追蹤狀態，S卩MPPT控制器始終在尋找太陽能電池板組件在當前時刻能夠輸出的最大功率，逆變器內部通過兩個PID控制器與MPPT控制器電連接，采用外環電壓環和內環電流環的雙環控制，實現逆變控制，此時，太陽能電池板組件的最大功率點對應的電壓Umax附近，輸出功率在最大輸出功率點Pmax附近，實時的把MPPT控制器部分獲得的能量逆變推送到電網中去；當逆變器工作點偏離最大輸出功率點時，MPPT控制器通過擾動觀測或者導納法等方法使工作點回歸最大工作點附近，逆變器工作電壓的始終在向最大功率點電壓靠近，維持最大輸出功率；
[0007]第二控制狀態是限功率狀態控制:當逆變器檢測電網電壓接近逆變器設定的允許工作閾值時，與MPPT控制器控制連接的限功率單元UMIT啟動，限功率單元UMIT為設置在逆變器內的控制單元；由限功率單元LIMIT根據電網電壓的變化實時調整，計算出能夠把逆變器輸出功率穩定在Pmax附近的輸出功率閾值Pl，且Pl〈Pmax，通過MPPT控制器改變逆變器輸入PV電壓的擾動方向，使逆變器工作點偏離最大輸出功率點Pmax，逆變器輸出功率隨之減小，逆變器輸出電流在線路阻抗上的壓降就會減小；當限功率單元UMIT計算出的輸出功率閾值Pl>Pmax時，逆變器控制自動切換至MPPT狀態控制。
[0008]進一步的，第一控制狀態和第二控制狀態需要評估線路阻抗的大小，采用電流擾動監測法評估線路阻抗，具體方法如下:
[0009]根據電路原理中的等效定理將本地負載、線路阻抗、附近的負載等效為線路阻抗Rnet，逆變器可以控制輸出到電網上的電流大小，11時刻I I，t2時刻為12，則有式(I)、(2)兩個關系:
[0010]Uinvl=Il*Rnet+Ugrid (I)
[0011]Uinv2 = I2*Rnet+Ugrid (2)
[0012](1)、(2)兩式聯立可得式(3):
[0013]Δ Uinv= Δ I*Rnet (3)
[OOM] 其中，通過陷波錄波器提取出Δ U，Δ I為已知量，可計算出Rnet。
[0015]進一步的，逆變器通過控制中間單元控制連接用戶的負載;控制中間單元為可控開關，用戶的負載為制熱設備、制冷設備或者儲能設備；當逆變器處于第二控制狀態，即限功率狀態控制時，逆變器通過控制中間單元開啟部分負載，充分利用能源。
[0016]進一步的，逆變器通過采集器連接到監控平臺，采集器還連接到控制中間單元，控制中間單元還連接到用戶的負載;監控平臺為后臺監控服務器，控制中間單元為可控開關，用戶的負載為制熱設備、制冷設備或者儲能設備；當逆變器處于第二控制狀態，即限功率狀態控制時，逆變器把當前的限功率狀態、實時的線路預估阻抗、電網電壓等信息通過通訊提供給監控平臺，監控平臺基于此類數據和用戶的負載特性及使用情況數據做遠程的大數據分析和智能控制用戶用電設備，從而實現能量的充分利用。
[0017]相對于現有技術，本發明所述的根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法具有以下優勢:
[0018]逆變器中的MPPT控制器能夠根據電網電壓調節最大輸出功率點追蹤功能，使輸入逆變器的功率不至于引起電網電壓超限。當逆變器檢測并網點電網電壓未超過逆變器允許的工作范圍時，逆變器處于MPPT狀態控制，能夠保證太陽能電池板組件的最大功率點對應的電壓Umax附近，輸出功率在最大輸出功率點Pmax附近，實時的把MPPT控制器部分獲得的能量逆變推送到電網中去；當逆變器檢測電網電壓接近逆變器設定的允許工作閾值時，逆變器處于限功率狀態控制，與MPPT控制器控制連接的限功率單元UMIT啟動，根據電網電壓的變化實時調整，能夠計算出把逆變器輸出功率穩定在Pmax附近的輸出功率閾值PI，且PI〈Pmax，通過MPPT控制器改變逆變器輸入PV電壓的擾動方向，使逆變器工作點偏離最大輸出功率點Pmax，逆變器輸出功率隨之減小，逆變器輸出電流在線路阻抗上的壓降就會減小；當限功率單元UMIT計算出的輸出功率閾值Pl>Pmax時，逆變器控制自動切換至MPPT狀態控制。通過MPPT狀態控制和限功率狀態控制的及時切換，實現逆變器的功率不至于引起電網電壓超限，解決配電網比較弱的情況下分布式光伏發電接入的電壓超限問題，能夠在保證安全的情況下使逆變器盡量多發電，減少因電網電壓過高造成的停機棄光，保證用戶收益。
[0019]在光伏并網系統中造成電網電壓超限的一個關鍵的參數就是電網的線路阻抗，本發明通過電流擾動監測法評估線路阻抗的大小，能夠對線路容量，功率限值，以及負載投切等多個功能進行有效的控制。
【附圖說明】
[0020]構成本發明的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0021 ]圖1為光伏發電的系統框圖；
[0022]圖2為逆變器內部控制框圖；
[0023]圖3為處于MPPT狀態控制中的最大輸出功率點和最大輸出電壓點的關系示意圖；
[0024]圖4為限功率狀態控制中的輸出功率和輸出電壓的關系示意圖；
[0025]圖5為逆變器工作時的能量流動框圖；
[0026]圖6為逆變器工作時的電網阻抗分布圖；
[0027]圖7為預估阻抗圖；
[0028]圖8為阻抗檢測流程圖；
[0029]圖9為逆變器直接控制用戶負載的功能結構示意圖；
[0030]圖10為逆變器遠程控制用戶負載的功能結構示意圖。
【具體實施方式】
[0031]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0032]在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
[0033]下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。
[0034]如圖2所示為逆變器內部控制框圖，當電網電壓在正常范圍內時，根據電網電壓的限功率功能不起作用，逆變器工作在MPPT狀態控制，即始終在尋找電池板組件在當前時刻能夠輸出的最大功率，逆變器內部控制采用雙環控制，外環電壓環、內環電流環實現逆變控制，實時的把MPPT部分獲得的能量逆變推送到電網中去。如圖3所示，逆變器工作在MPPT狀態控制時，電池板組串的電壓始終在Umax附近，此時逆變器輸出的功率最大。當逆變器工作點偏離最大功率點時，逆變器通過擾動觀測或者導納法等方法可以使工作點回歸最大工作點附近，逆變器工作電壓的始終在向最大功率點電壓靠近，如圖3中箭頭方向所示。
[0035]當電網電壓接近設定的閾值的時候，限功率單元UMIT啟動，MPPT部分的功能將產生變化。如圖4所示，限功率單元UMIT會計算出一個功率閾值Pl，一般Pl〈Pmax。當逆變器輸入的當前功率大于Pl時，MPPT部分會改變電壓的擾動方向，使逆變器工作點偏離最大功率點，逆變器輸出功率隨之減小，這樣逆變器輸出電流在線路阻抗上的壓降就會減小。Pl的值會根據電網電壓的變化實時調整，最終把電網電壓值穩定在逆變器能夠工作的電壓上限附近。這樣在現有配電網的結構下，即保證了用戶的用電安全，又能實現最大的能量輸出。逆變器工作在限功率的MPPT狀態時，可能工作在曲線左側或者右側的限功率點，如圖4所示，工作電壓為Ul或者U2，如果輻照度變弱，出現Pl>Pmax的時候，逆變器自動切換到MPPT狀態控制。
[0036]在光伏并網系統中造成電網電壓超限的一個關鍵的參數就是電網的線路阻抗，如果能夠在線評估線路阻抗的大小，就能夠對線路容量，功率限值，以及負載投切等多個功能進行有效的控制。在配電網側用電的負載點較多，負載的特性差異性也很大，任何一個負載的投切都會影響電網阻抗的評估。本發明給出一種電網線路阻抗的評估方法，電流擾動監測法，下面做具體說明。如圖5所示，逆變器工作時，當電池板提供的能量比較多時，能量流動按圖中箭頭方向所示，一部分供給本地負載，一部分饋送到電網。實際電網阻抗分布如圖6所示，根據電路原理中的等效定理可以將本地負載、線路阻抗、附近的負載等效為線路阻抗Rne t，如圖7所示。逆變器可以控制輸出到電網上的電流大小，11時刻11，12時刻為12則有式(1)、(2)兩個關系。
[0037]Uinvl=Il*Rnet+Ugrid (I)
[0038]Uinv2 = I2*Rnet+Ugrid (2)
[0039](I)、(2)兩式聯立可得式(3):
[0040]AUinv= Δ I*Rnet (3)
[0041]其中，通過陷波錄波器提取出AU，Δ I為已知量，可計算出Rnet。檢測的流程框圖如圖8所示。注入電流I可以是基波分量，也可以是高頻分量，通過陷波錄波器提取出，從而可以計算出Rent。
[0042]在限功率狀態控制下逆變器和用戶負載的配合:
[0043]工作在限功率狀態控制的逆變器，可以在現有配電網結構下最大限度的減小棄光，但是光輻照能量還是會有所損失，損失能量的大小和線路阻抗直接相關，線路阻抗越大損失的能量越多。為了提高能源利用率，本控制策略同時提供了用戶側負載控制方法，如下:
[0044]如圖9所示，逆變器可以通過信號線通過控制中間單元(可控開關)，和用戶的負載，如制熱設備、制冷設備或者儲能設備等連接，當處于限功率運行時，實時投切部分負載，實現能源的充分利用。
[0045]如圖10所示，逆變器也可以把當前的限功率狀態、實時的線路預估阻抗、電網電壓等信息通過通訊提供給監控后臺，監控后臺可以基于此類數據和用戶的負載特性及使用情況數據做遠程的大數據分析和智能控制用戶用電設備，從而實現能量的充分利用。
[0046]以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，其特征在于:包括第一控制狀態和第二控制狀態: 第一控制狀態是MPPT狀態控制:當逆變器檢測并網點電網電壓未超過逆變器允許的工作范圍時，逆變器工作在MPPT最大功率點追蹤狀態，即MPPT控制器始終在尋找太陽能電池板組件在當前時刻能夠輸出的最大功率，逆變器內部通過兩個PID控制器與MPPT控制器電連接，采用外環電壓環和內環電流環的雙環控制，實現逆變控制，此時，太陽能電池板組件的最大功率點對應的電壓Umax附近，輸出功率在最大輸出功率點Pmax附近，實時的把MPPT控制器部分獲得的能量逆變推送到電網中去；當逆變器工作點偏離最大輸出功率點時，MPPT控制器通過擾動觀測或者導納法等方法使工作點回歸最大工作點附近，逆變器工作電壓的始終在向最大功率點電壓靠近，維持最大輸出功率； 第二控制狀態是限功率狀態控制:當逆變器檢測電網電壓接近逆變器設定的允許工作閾值時，與MPPT控制器控制連接的限功率單元UMIT啟動，限功率單元UMIT為設置在逆變器內的控制單元；由限功率單元UMIT根據電網電壓的變化實時調整，計算出能夠把逆變器輸出功率穩定在Pmax附近的輸出功率閾值Pl，且PKPmax，通過MPPT控制器改變逆變器輸入PV電壓的擾動方向，使逆變器工作點偏離最大輸出功率點Pmax，逆變器輸出功率隨之減小，逆變器輸出電流在線路阻抗上的壓降就會減小；當限功率單元UMIT計算出的輸出功率閾值Pl >Pmax時，逆變器控制自動切換至MPPT狀態控制。2.根據權利要求1所述的根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，其特征在于:第一控制狀態和第二控制狀態需要評估線路阻抗的大小，采用電流擾動監測法評估線路阻抗，具體方法如下: 根據電路原理中的等效定理將本地負載、線路阻抗、附近的負載等效為線路阻抗Rnet，逆變器可以控制輸出到電網上的電流大小，11時刻11，t2時刻為12，則有式(I)、( 2)兩個關系: Uinvl=Il*Rnet+Ugrid (I) Uinv2 = I2*Rnet+Ugrid (2) (1)、(2)兩式聯立可得式(3): Δ Uinv= Δ I*Rnet (3) 其中，通過陷波錄波器提取出Δ U，Δ I為已知量，可計算出Rnet。3.根據權利要求1所述的根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，其特征在于:逆變器通過控制中間單元控制連接用戶的負載;控制中間單元為可控開關，用戶的負載為制熱設備、制冷設備或者儲能設備；當逆變器處于第二控制狀態，即限功率狀態控制時，逆變器通過控制中間單元開啟部分負載，充分利用能源。4.根據權利要求1所述的根據電網電壓調整光伏并網逆變器輸入功率的控制方法，其特征在于:逆變器通過采集器連接到監控平臺，采集器還連接到控制中間單元，控制中間單元還連接到用戶的負載;監控平臺為后臺監控服務器，控制中間單元為可控開關，用戶的負載為制熱設備、制冷設備或者儲能設備；當逆變器處于第二控制狀態，即限功率狀態控制時，逆變器把當前的限功率狀態、實時的線路預估阻抗、電網電壓等信息通過通訊提供給監控平臺，監控平臺基于此類數據和用戶的負載特性及使用情況數據做遠程的大數據分析和智能控制用戶用電設備，從而實現能量的充分利用。
【文檔編號】G01R27/02GK106026170SQ201610496060
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】張虎祥, 趙治國, 尹偉, 張楠, 李會冬
【申請人】天津科林電氣有限公司