一种单相光伏同步的方法及系统与流程

1.本发明属于光伏并网发电技术领域，具体涉及一种单相光伏同步的方法及系统。


背景技术：

2.目前新能源开发主要遵循“集中式并网”和“分散式接入”相结合的原则。
3.由于风、光的波动性、间歇性等不利特征，大型风光发电站的接入给电力系统的稳定运行带来了不小的冲击。近年来，频繁出现的风电场事故使得大型风电场的并网小时数偏低，且给电网稳定带来了巨大的挑战，同时大量“弃风”不但影响了投资成本的回收，还造成了巨大的资源浪费。
4.研究结果表明，以分布式的形式接入电网，不仅可以实现大规模可再生能源并网，也对提高电力系统稳定性有很大的意义。因此，近年来，基于各种可再生能源的分布式发电技术发展迅速，已被列为智能电网的一大重要组成部分。由于风光等可再生能源的波动性、间歇性等不利特征，是典型的不可控源。如何将这些不可控的可再生能源以更友好的方式接入电网，是国内外学者一直关注的焦点。应运而出的解决方案是微电网技术,微电网集成众多分散的分布式电源和负荷以构成一个微型的区域电网，并在公共连接点通过断路器与电网相连。微电网通过将不同形式的分布式发电系统组合成一个整体，以减少单一分布式电源并网对电网的影响。当公共连接点的断路器闭合时，微电网处于并网运行模式，与电网一起为用户提供电力供应。当电网出现故障时，公共连接点的断路器断开，微电网进入独立自治运行模式，继续为网内的电力用户提供可靠、稳定的电力供应。
5.在光伏及其他新能源并网发电系统中，电网同步是个共性问题。一方面，在正常并网运行模式下，单相光伏逆变器需保证输入到电网的电流与电网电压同相位。另一方面，随着分布式光伏并网发电渗透率的上升，新颁布的电网标准要求光伏并网逆变器必须具备一定的故障穿越能力。为实现以上这些功能，就要求光伏并网发电系统能快速、精确地得到电网电压的频率、相位、以及幅值信息。
6.为此，国内外的学者提出了大量的单相电网同步算法，如傅里叶变换、电压过零点检测、基于卡尔曼滤波器的电网同步算法、基于神经网络的电网同步算法以及单相锁相环就是其中比较典型的一些单相电网同步技术。傅里叶变换虽然精度高，但计算量大、实时性差，不适用于并网逆变器的实时控制，多用于电网的在线监测，且存在频谱泄漏的问题。电压过零点检测方法，在每个工频周期只能进行一次调整，无法快速跟踪电网电压相位的变化，且在电网电压畸变时，其相位检测很不准确。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种单相光伏同步的方法及系统，以解决现有技术存在的至少一个问题。
8.本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种单相光伏同步的方法，包括如下步骤：
9.将光伏发电系统输出的直流电经逆变器后接入主电网；
10.从公共耦合端pcc采集主电网的电压信号v、电流信号i；
11.将采集的主电网的电压信号vg输入至基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll中，设置参考频率fref，然后由sogi-fll输出主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f；
12.将sogi-fll输出的主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f输入至功率控制器，设置有功参考功率pref、无功参考功率qref，然后得到相应的电流参考信号iref；
13.将电流参考信号iref与主电网的电流信号i相减，得到差值ei；
14.将差值ei传输至电流控制器，电流控制器输出相应的pwm调制信号给逆变器，对逆变器进行pwm调制，使其输出幅值、频率、相位均与公共耦合端采集的信号相同，使光伏发电系统完成与主电网的信号同步。
15.进一步地，逆变器将光伏发电系统输出的直流电逆变成交流电，由滤波器过滤掉杂波信号后接入主电网。
16.进一步地，sogi将输入信号分解为两个输出信号v’和qv’，锁频环fll输出电压信号的频率ω’，基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll的状态方程为:
[0017][0018][0019][0020]
式中，x是状态函数的中间变量，k、γ是常数，v是输入值，y是输出值，ω’是频率值；
[0021][0022][0023]
式中，|v
′
|为输入电压信号的电压幅值，φ为相位角；
[0024]
基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll的传递函数err为
[0025][0026]
本发明还公开了一种单相光伏同步的系统，包括逆变器、主电网信号采集电路、基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll、功率控制器、求差模块以及电流控制器，所述逆变器用于将光伏发电系统输`出的直流电逆变成交流电后接入主电网；所述主电网信号采集电路用于从公共耦合端采集主电网的电压信号v、电流信号i，并将采集的主电网的电压信号v输入至基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll以及将采集的主电网的电流信号i输入至求差模
块；所述基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll用于接收主电网的电压信号v以及设置的参考频率fref，输出主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f，并传递给功率控制器；所述功率控制器用于接收sogi-fll输出的主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg、频率f以及设置的有功参考功率pref、无功参考功率qref，得到相应的电流参考信号iref，所述求差模块用于将电流参考信号iref与主电网的电流信号ig相减，得到差值ei，并将差值ei传输至电流控制器，所述电流控制器用于根据差值ei，输出相应的pwm调制信号给逆变器，对逆变器进行pwm调制，使其输出幅值、频率、相位均与公共耦合端采集的信号相同，使光伏发电系统完成与主电网的信号同步。
[0027]
进一步地，本发明的单相光伏同步的系统还包括滤波器，所述滤波器位于逆变器的输出端与公共耦合端pcc之间，用于过滤杂波信号。
[0028]
本发明至少具有如下有益效果：采用本发明的上述方案可以快速跟踪电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f，实现并网逆变器的实时控制，其输出幅值、频率、相位均与公共耦合端采集的信号相同，使光伏发电系统完成与主电网的信号同步，其精度较高，实时性好，响应速度较快，能在0.02s内反应过来。
[0029]
本发明在相同的电信号跳变的情况下，采用sogi-fll得到的频率值相较于采用dft-汉宁窗得到的结果，不仅响应的速度快，其峰值也不太高(峰值不超过0.1hz，大概在0.03hz或者0.04hz左右)所以不会误触发报警，所以sogi-fll非常适合作为电信号的频率追踪的方法。
附图说明
[0030]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0031]
图1为本发明一种实施例提供的单相光伏同步的方法的流程图；
[0032]
图2为本发明一种实施例提供的基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll的原理图；
[0033]
图3为一段带杂音的电信号v的波形图；
[0034]
图4为一段带杂音的电信号v通过sogi后输出的信号波形图；
[0035]
图5为本发明的err的波特图；
[0036]
图6为本发明在1hz跳变情况下的频率检测波形图；
[0037]
图7为本发明在30
°
相位角跳变的情况的频率检测波形图；
[0038]
图8为本发明在1v的跳变下的频率检测波形图。
具体实施方式
[0039]
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
参见图1，本发明公开了一种单相光伏同步的方法，包括如下步骤：
[0041]
将光伏发电系统输出的直流电经逆变器后接入主电网；
[0042]
从公共耦合端pcc(point ofcommon coupling)采集主电网的电压信号v、电流信号i；
[0043]
将采集的主电网的电压信号vg输入至基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll(second order generalized integrator,sogi，frequency-locked loop,fll)中，先设置参考频率fref，然后由sogi-fll输出主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f；
[0044]
将sogi-fll输出的主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f输入至功率控制器，先设置有功参考功率pref、无功参考功率qref，然后得到相应的电流参考信号iref；
[0045]
将电流参考信号iref与主电网的电流信号i相减，得到差值ei；
[0046]
将差值ei传输至电流控制器，电流控制器输出相应的pwm调制信号给逆变器，对逆变器进行pwm调制，使其输出幅值、频率、相位均与公共耦合端采集的信号相同，使光伏发电系统完成与主电网的信号同步。
[0047]
进一步地，逆变器将光伏发电系统输出的直流电逆变成交流电，由滤波器过滤掉杂波信号后接入主电网。
[0048]
进一步地，sogi固有的谐振特性使其可以作为压控振荡器工作。在此基础上，设计锁频环(fll)来代替原有的可以直接计算频率的简单闭环(锁相环)。sogi将输入信号分解为两个输出信号v’和qv’，锁频环fll输出电压信号的频率ω’。根据sogi和锁频环的特性，可以组合成图2所示结构，它的状态方程可以表示为：
[0049][0050][0051][0052]
上式中，x是状态函数的中间变量，v是输入值，k、γ是常数，y是输出值，中间的矩阵是这个状态函数的系数，ω’是频率值。
[0053]
sogi本身就可以将输入信号分解为两个输出信号v’和qv’，这两个信号在矢量上是正交的。
[0054][0055][0056][0057]
假设一段带杂音的电信号v如图3所示，通过sogi后，输出两个输出信号v’和qv’，如图4所示。通过以下计算计算得到输入的电压信号的电压幅值|v
′
|和相位角φ。
[0058][0059][0060]
在耦合点(pcc)处可以得出电流i值，通过公式和可以计算出p值(pg)和q值(qg)。
[0061]
参见图2，电压信号的频率可以直接由锁频环测量得出，在信号经过sogi-fll处理后，会在输出端得到两个值，分别为经过滤波后得出来的电压信号v’以及频率值ω’，通过公式ω＝2π*f得出频率值f。
[0062]
如图2所示，其传递函数err可以表示为：
[0063][0064]
式中，err是传递函数的映射类似于y，s是在s系统中，未知量类似于x，k是常数，ω’是频率值。
[0065]
由此，可以得到err这个传递函数的特性曲线，如图5所示。γ是用以调节中心频率从而消除err的直流分量。因此，只要找到合适的参数k和γ，就可以获得良好的性能和动态响应的sogi-fll。如γ＝2.22。接着，在与测试原有方法相同的电气信号及三种条件下监测了本发明的新方法(sogi-fll)，得到的结果如图6、图7、图8。
[0066]
通过以上的试验结果我们可以看出，在相同的电信号跳变的情况下，采用sogi-fll方法得到的频率值相较于采用dft-汉宁窗得到的结果，不仅响应的速度快，其峰值也不太高所以不会误触发报警，所以sogi-fll非常适合作为电信号的频率追踪的方法。
[0067]
本发明还公开了一种单相光伏同步的系统，包括逆变器、主电网信号采集电路、基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll、功率控制器、求差模块以及电流控制器，所述逆变器用于将光伏发电系统输`出的直流电逆变成交流电后接入主电网；所述主电网信号采集电路用于从公共耦合端采集主电网的电压信号v、电流信号i，并将采集的主电网的电压信号v输入至基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll以及将采集的主电网的电流信号i输入至求差模块；所述基于二阶广义积分的锁频环sogi-fll用于接收主电网的电压信号v以及设置的参考频率fref，输出主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg以及频率f，并传递给功率控制器；所述功率控制器用于接收sogi-fll输出的主电网的幅值vg、有功功率pg、无功功率qg、频率f以及设置的有功参考功率pref、无功参考功率qref，得到相应的电流参考信号iref，所述求差模块用于将电流参考信号iref与主电网的电流信号ig相减，得到差值ei，并将差值ei传输至电流控制器，所述电流控制器用于根据差值ei，输出相应的pwm调制信号给逆变器，对逆变器进行pwm调制，使其输出幅值、频率、相位均与公共耦合端采集的信号相同，使光伏发电系统完成与主电网的信号同步。
[0068]
进一步地，本发明的单相光伏同步的系统还包括滤波器，所述滤波器位于逆变器的输出端与公共耦合端pcc之间，用于过滤杂波信号。
[0069]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。