光伏逆变器及电网电压主动支撑装置的制作方法

1.本技术属于新能源发电技术领域，尤其涉及光伏逆变器和电网电压主动支撑装置。


背景技术：

2.以光伏、风电为代表的新能源电源具有波动性、间歇性与随机性的特点，同时新能源设备不具备传统电源设备的一次调频能力，当其大规模接入电网时，将对配电网运行产生很大影响。因此需要研究新能源并入电网的运行控制方法，充分利用电力电子装置灵活可控的特点，实现分布式能源对配电网的主动支撑，在保证配电网稳定运行、提高电能质量的同时，提高新能源的利用率。
3.传统的光伏逆变器通常基于线性有功/电压控制曲线改变逆变器的功率指令，从而提供电压支撑，经济性和支撑效果都欠佳。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供了光伏逆变器和电网电压主动支撑装置，以实现对电网电压更稳定的主动支撑。
5.本技术是通过如下技术方案实现的：
6.第一方面，本技术实施例提供了一种光伏逆变器，包括：依次连接的boost型dc/dc变换器、逆变器和滤波器；boost型dc/dc变换器的另一端用于与光伏阵列连接，滤波器的另一端用于与电网和负载连接。
7.boost型dc/dc变换器用于按照预设功率控制光伏阵列输出的光伏输出功率进行输出；逆变器用于将光伏阵列产生的直流电压逆变成交流电压，并使逆变器中的直流侧电压保持稳定；滤波器用于滤除逆变器输出的交流电压中的杂波，稳定送到电网和负载的交流电压。
8.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，boost型dc/dc变换器包括：第一电容、第一电感、第一二极管和第一三极管单元，其中第一三极管单元包括第一三极管和第二二极管。
9.第一三极管单元的正极为第二二极管阴极与第一三极管集电极相连的一端，第一三极管单元的负极为第二二极管阳极与第一三极管发射极相连的一端；第一电容的第一端与光伏阵列的阳极连接，第一电容的第二端与光伏阵列的阴极连接，第一电感的第一端与光伏阵列的阳极连接，第一电感的第二端与第一二极管阳极连接，第一电感的第二端与第一三极管单元的正极连接，第一三极管单元的负极与光伏阵列的阴极连接。
10.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，逆变器包括：第二电容、第二三极管单元、第三三极管单元、第四三极管单元、第五三极管单元、第六三极管单元和第七三极管单元，其中第二三极管单元、第三三极管单元、第四三极管单元、第五三极管单元、第六三极管单元和第七三极管单元的内部结构与连接方式与第一三极管单元相同。
11.第二电容的第一端与第一二极管的阴极、第二三极管单元的正极、第三三极管单元的正极和第四三极管单元的正极连接，第二电容的第二端与光伏阵列的阴极、第五三极管单元的负极、第六三极管单元的负极和第七三极管单元的负极连接，第二三极管单元的负极与第五三极管单元的正极连接，第三三极管单元的负极与第六三极管单元的正极连接，第四三极管单元的负极与第七三极管单元的正极连接。
12.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，滤波器包括：第二电感、第三电感、第四电感、第五电感、第六电感、第七电感、第三电容、第四电容、第五电容、第一电阻、第二电阻和第三电阻。
13.第二电感的第一端与第二三极管单元的负极连接，第二电感的第二端与第三电感的第一端连接，第三电感的第二端与电网和负载连接，第四电感的第一端与第三三极管单元的负极连接，第四电感的第二端与第五电感的第一端连接，第五电感的第二端与电网和负载连接，第六电感的第一端与第四三极管单元的负极连接，第六电感的第二端与第七电感的第一端连接，第七电感的第二端与电网和负载连接。
14.第一电阻的第一端与第二电感的第二端连接，第一电阻的第二端与第三电容的第一端连接，第三电容的第二端接地，第二电阻的第一端与第四电感的第二端连接，第二电阻的第二端与第四电容的第一端连接，第四电容的第二端接地，第三电阻的第一端与第六电感的第二端连接，第三电阻的第二端与第五电容的第一端连接，第五电容的第二端接地。
15.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，光伏逆变器还包括分段式有功/电压控制单元；分段式有功/电压控制单元包括：依次连接的第一abc/dq变换模块和功率指令计算模块。
16.第一abc/dq变换模块，用于将逆变器的三相输出电压转化为在dq坐标系下的电压值；功率指令计算模块，用于基于逆变器在dq坐标系下的电压值得到光伏输出功率的指令值。
17.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，光伏逆变器还包括第一控制模块，第一控制模块包括：依次连接的光伏电压指令计算模块、光伏电压外环控制模块和光伏电流内环控制模块。
18.光伏电压指令计算模块，用于获取光伏阵列的最大功率点信息，基于最大功率点信息构建线性近似光伏特性曲线，基于线性近似曲线得到对应光伏输出功率的指令值的光伏端口电压指令值；光伏电压外环控制模块，用于基于光伏端口电压指令值，生成电流内环控制模块的指令值；光伏电流内环控制模块，用于基于电流内环控制模块的指令值，生成boost调制信号控制光伏输出功率进行输出。
19.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，光伏逆变器还包括第二控制模块，第二控制模块包括：依次连接的第二abc/dq变换模块、逆变器电流控制模块和dq/abc变换模块，第二控制模块还包括直流电压控制模块，直流电压控制模块与逆变器电流控制模块另一端连接。
20.第二abc/dq变换模块，用于将逆变器的三相输出电流转化为在dq坐标系下的电流值；直流电压控制模块，用于基于逆变器直流侧电压生成逆变器输出电流的d轴指令值；逆变器电流控制模块，用于基于逆变器在dq坐标系下的电流值、逆变器输出电流的d轴指令值和逆变器输出电流的q轴指令值生成逆变器调制信号；dq/abc变换模块，用于将逆变器调制
信号中d轴和q轴的调制量转化为三相电压的调制量，保持直流侧电压稳定。
21.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，线性近似光伏特性曲线的表达式为：其中，p
pv
为光伏组件输出功率，k
pv
为线性近似光伏特性曲线斜率，p
mppt
为光伏组件最大输出功率，u
mppt
为光伏组件最大输出功率点对应的光伏组件输出电压，u
pv
为光伏组件输出电压。
22.结合第一方面，在一些可能的实现方式中，光伏端口电压指令值的表达式为：其中，p
pv_ref
为光伏逆变器输出功率指令值，k
pv
为线性近似光伏特性曲线斜率，u
pv_ref
为boost型dc/dc变换器光伏端口电压指令值。
23.第二方面，本技术实施例提供了一种电网电压主动支撑装置，包括第一方面中任一项所述的光伏逆变器。
24.可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
25.本技术实施例与现有技术相比存在的有益效果是：
26.本技术通过依次连接的boost型dc/dc变换器、逆变器和滤波器将光伏阵列产生的具有波动性、间歇性与随机性的电压，经过dc/dc变换、逆变和滤波等操作转化为稳定的可接入电网的交流电压，在保证配电网稳定运行、提高电能质量的同时，提高新能源的利用率，实现对电网电压更稳定的主动支撑。
27.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本说明书。
附图说明
28.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，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技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本技术一实施例提供的光伏逆变器并网运行的示意图；
30.图2是本技术一实施例提供的分段式有功/电压控制单元、第一控制模块和第二控制模块示意图；
31.图3是本技术一实施例提供的分段式有功/电压控制曲线图；
32.图4是本技术一实施例提供的线性近似光伏特性曲线；
33.图5是本技术一实施例提供的boost型dc/dc变换器有功/电压控制框图；
34.图6是本技术一实施例提供的逆变器直流稳压电流控制框图；
35.图7是本技术一实施例提供的电网电压波动时采用传统线性有功/电压控制曲线的光伏逆变器输出功率波形图；
36.图8是本技术一实施例提供的采用传统线性有功/电压控制曲线的光伏逆变器并网点电压电流波形图；
37.图9是本技术一实施例提供的电网电压大于额定值时光伏逆变器输出功率波形
图；
38.图10是本技术一实施例提供的电网电压大于额定值时光伏逆变器并网点电压电流波形图；
39.图11是本技术一实施例提供的电网电压小于额定值时光伏逆变器输出功率波形图；
40.图12是本技术一实施例提供的电网电压小于额定值时光伏逆变器并网点电压电流波形图。
具体实施方式
41.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
42.应当理解，当在本技术说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
43.还应当理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
44.如在本技术说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。
[0045]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0046]
在本技术说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本技术的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
[0047]
图1是本技术一实施例提供的光伏逆变器并网运行的示意图，参照图2，对该光伏逆变器的详述如下：
[0048]
该光伏逆变器，包括：依次连接的boost型dc/dc变换器、逆变器和滤波器；boost型dc/dc变换器的另一端用于与光伏阵列连接，滤波器的另一端用于与电网和负载连接。
[0049]
boost型dc/dc变换器用于按照预设功率控制光伏阵列输出的光伏输出功率进行输出；逆变器用于将光伏阵列产生的直流电压逆变成交流电压，并使逆变器中的直流侧电压保持稳定；滤波器用于滤除逆变器输出的交流电压中的杂波，稳定送到电网和负载的交流电压。
[0050]
示例性的，boost型dc/dc变换器包括：第一电容c1、第一电感l1、第一二极管b1和
第一三极管单元a1，其中第一三极管单元a1包括第一三极管m1和第二二极管b2。
[0051]
第一三极管单元a1的正极为第二二极管b2的阴极与第一三极管m1的集电极相连的一端，第一三极管单元a1的负极为第二二极管b2的阳极与第一三极管m1的发射极相连的一端；第一电容c1的第一端与光伏阵列的阳极连接，第一电容c2的第二端与光伏阵列的阴极连接，第一电感l1的第一端与光伏阵列的阳极连接，第一电感l2的第二端与第一二极管b1的阳极连接，第一电感l1的第二端与第一三极管单元a1的正极连接，第一三极管单元a2的负极与光伏阵列的阴极连接。
[0052]
示例性的，逆变器包括：第二电容c2、第二三极管单元a2、第三三极管单元a3、第四三极管单元a4、第五三极管单元a5、第六三极管单元a6和第七三极管单元a7，其中第二三极管单元a2、第三三极管单元a3、第四三极管单元a4、第五三极管单元a5、第六三极管单元a6和第七三极管单元a7的内部结构与连接方式与第一三极管单元a1相同。
[0053]
第二电容c2的第一端与第一二极管的阴极b1、第二三极管单元的正极a2、第三三极管单元a3的正极和第四三极管单元a4的正极连接，第二电容c2的第二端与光伏阵列的阴极、第五三极管单元a5的负极、第六三极管单元a6的负极和第七三极管单元a7的负极连接，第二三极管单元a2的负极与第五三极管单元a5的正极连接，第三三极管单元a3的负极与第六三极管单元a6的正极连接，第四三极管单元a4的负极与第七三极管单元a7的正极连接。
[0054]
具体的，逆变器直流侧电压为第二电容c2两侧电压。
[0055]
示例性的，滤波器包括：第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4、第五电感l5、第六电感l6、第七电感l7、第三电容c3、第四电容c4、第五电容c5、第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3。
[0056]
第二电感l2的第一端与第二三极管单元a2的负极连接，第二电感l2的第二端与第三电感l3的第一端连接，第三电感l3的第二端与电网和负载连接，第四电感l4的第一端与第三三极管单元a3的负极连接，第四电感l4的第二端与第五电感l5的第一端连接，第五电感l5的第二端与电网和负载连接，第六电感l6的第一端与第四三极管单元a4的负极连接，第六电感l6的第二端与第七电感l7的第一端连接，第七电感l7的第二端与电网和负载连接。
[0057]
第一电阻r1的第一端与第二电感l2的第二端连接，第一电阻r1的第二端与第三电容c3的第一端连接，第三电容c3的第二端接地，第二电阻r2的第一端与第四电感l4的第二端连接，第二电阻r2的第二端与第四电容c4的第一端连接，第四电容c4的第二端接地，第三电阻r3的第一端与第六电感l6的第二端连接，第三电阻r3的第二端与第五电容c5的第一端连接，第五电容c5的第二端接地。
[0058]
示例性的，光伏逆变器还包括分段式有功/电压控制单元，如图2所示分段式有功/电压控制单元包括：依次连接的第一abc/dq变换模块和功率指令计算模块。
[0059]
第一abc/dq变换模块，用于将逆变器的三相输出电压转化为在dq坐标系下的电压值。
[0060]
示例性的，转化表达式为：其中，ua、ub、uc分别为逆变器三相输出电压，ud、uq为该三相电压在dq同步旋转坐标系下的
值，θ1为d轴与相位参考轴的夹角。
[0061]
功率指令计算模块，用于基于逆变器在dq坐标系下的电压值得到光伏输出功率的指令值。
[0062]
示例性的，光伏输出功率的指令值的表达式为：p
pv_ref
＝p
pv_n-k
p
(u
d-u
d_n
)，其中，p
pv_n
为光伏逆变器额定输出功率，p
pv_ref
为光伏逆变器输出功率指令值，k
p
为有功/电压控制下垂系数，ud为逆变器三相输出电压在d轴上的值，u
d_n
为逆变器输出d轴电压额定值。
[0063]
具体的，如图3所示有功/电压控制下垂系数k
p
随ud变换而变换。当电压高于1.05ud时，光伏有功出力削减，且下垂系数k
p
增大；当电压低于0.95ud时，光伏维持最大功率输出。
[0064]
示例性的，光伏逆变器还包括第一控制模块，如图2所示第一控制模块包括：依次连接的光伏电压指令计算模块、光伏电压外环控制模块和光伏电流内环控制模块。
[0065]
光伏电压指令计算模块，用于获取光伏组件的最大功率点信息，即mppt点的功率和电压信息，基于最大功率点信息构建如图4所示线性近似光伏特性曲线，基于线性近似曲线得到对应光伏输出功率的指令值的光伏端口电压指令值。
[0066]
示例性的，线性近似光伏特性曲线的表达式为：其中，p
pv
为光伏组件输出功率，k
pv
为线性近似光伏特性曲线斜率，pm为光伏组件最大输出功率，um为光伏组件最大输出功率点对应的光伏组件输出电压，u
pv
为光伏组件输出电压。
[0067]
示例性的，光伏端口电压指令值的表达式为：其中，p
pv_ref
为光伏逆变器输出功率指令值，k
pv
为线性近似光伏特性曲线斜率，u
pv_ref
为boost型dc/dc变换器光伏端口电压指令值。
[0068]
光伏电压外环控制模块，用于基于光伏端口电压指令值，生成电流内环控制模块的指令值。
[0069]
示例性的，电流内环控制模块的指令值的表达式为：其中，k
p_pvu
为boost电压外环pi调节器比例控制器的值，k
i_pvu
为boost电压外环pi调节器积分控制器的值，s为pi调节器的参数值。
[0070]
光伏电流内环控制模块，用于基于电流内环控制模块的指令值，生成boost调制信号控制光伏输出功率进行输出。
[0071]
示例性的，结合分段式有功/电压控制单元和第一控制模块的计算公式和图5所示的boost型dc/dc变换器有功/电压控制框图，可以得到boost调制信号，boost调制信号的表达式为：其中，m
boost
为boost变换器的调制信号，k
p_pvi
为boost电流内环pi调节器比例控制器的值，k
i_pvi
为boost电流内环pi调节器积分控制器的值，i
pv
为光伏组件输出端口电流，s为pi调节器的参数值。
[0072]
示例性的，光伏逆变器还包括第二控制模块，如图2所示第二控制模块包括：依次连接的第二abc/dq变换模块、逆变器电流控制模块和dq/abc变换模块，第二控制模块还包括直流电压控制模块，直流电压控制模块与逆变器电流控制模块另一端连接。
[0073]
第二abc/dq变换模块，用于将逆变器的三相输出电流转化为在dq坐标系下的电流值。
[0074]
示例性的，转化公式为：其中，ia、ib、ic分别为逆变器三相输出电流，id、iq为该三相电流在dq坐标系下的值，θ1为d轴与相位参考轴的夹角。
[0075]
直流电压控制模块，用于基于逆变器直流侧电压生成逆变器输出电流的d轴指令值。
[0076]
示例性的，逆变器输出电流的d轴指令值的表达式为：其中，i
d_ref
为逆变器输出电流的d轴指令值，k
p_dcv
为逆变器直流电压控制环pi调节器比例控制器的值，k
i_dcv
为逆变器直流电压控制环pi调节器积分控制器的值，u
dc_ref
为逆变器直流电压指令值，u
dc
为逆变器直流侧电压，s为pi调节器的参数值。
[0077]
逆变器电流控制模块，用于基于逆变器在dq坐标系下的电流值、逆变器输出电流的d轴指令值和逆变器输出电流的q轴指令值生成逆变器调制信号。
[0078]
示例性的，逆变器调制信号的表达式为：其中，md为逆变器调制信号d轴调制量，mq为逆变器调制信号q轴调制量，k
p_di
为d轴电流环pi调节器比例控制器的值，k
i_di
为d轴电流环pi调节器积分控制器的值，k
p_qi
为q轴电流环pi调节器比例控制器的值，k
i_qi
为q轴电流环pi调节器积分控制器的值，i
d_ref
为逆变器电流环的d轴指令值，i
q_ref
为逆变器电流环的q轴指令值，i
q_ref
＝0，id为逆变器输出三相电流在d轴，iq为逆变器输出三相电流在q轴上的值。
[0079]
dq/abc变换模块，用于将逆变器调制信号中d轴和q轴的调制量转化为三相电压的调制量，保持直流侧电压稳定。
[0080]
示例性的，结合第二控制模块的计算公式和图6所示的逆变器直流稳压电流控制框图，可以得到逆变器调制信号的三相电压的调制量，逆变器调制信号的三相电压的调制量的表达式为：其中，ma、mb、mc分别为逆变器输出电压abc三相坐标系下的调制量，md为逆变器调制信号d轴调制量，mq为逆变器调制信号q轴调制量，θ1为d轴与相位参考轴的夹角。
[0081]
示例性的，结合图7和图8可以看出当电网发生波动并网点电压明显增大时，采用传统线性有功/电压控制曲线的光伏逆变器输出功率改变较小，支撑效果不佳，电压偏差仍
然较大，电能质量下降，影响电网中设备正常运行。
[0082]
结合图9、图10、图11和图12可以看出，经过本技术的控制，当发生电网波动时，光伏逆变器根据分段式有功/电压控制曲线计算出功率指令值，通过线性近似曲线快速改变端口输出电压，实现功率输出追踪指令，当电压幅值较大时，光伏输出功率下降更多，并网点电压幅值波动较小，当电压幅值较小时，光伏逆变器输出最大功率，保障了负载电压的电能质量的同时提高效率，提高了电网运行稳定性和光伏工作的经济性。
[0083]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0084]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
[0085]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/网络设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/网络设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0086]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0087]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。