基于三电平的分布式能源并网及无功补偿复合控制系统的制作方法

本发明涉及一种分布式能源并网控制系统，特别涉及一种基于三电平的分布式能源并网及无功补偿复合控制系统，属于电网并网控制领域。

背景技术：

随着世界经济持续、高速的发展，世界各国对化石能源的需求量越来越大，使得化石能源急剧的消耗，此外，化石能源的大规模开发和利用影响着全球气候，并引发酸雨、温室效应、臭氧层破坏等一系列环境问题。研究和实践表明，太阳能取之不尽，用之不竭，而且清洁无害，是解决世界能源危机和环境污染最可靠和行之有效的绿色能源。据预测，作为太阳能资源利用最主要途径的光伏发电技术将在未来几十年内迅速发展，到本世纪末光伏发电总量将占全球电力供应的60％以上。其中，光伏并网发电系统的安装量占到全部光伏系统安装量的90％以上，毫无争议的成为光伏发电领域的发展趋势。但是，光伏发电出力受天气变化影响具有间歇性与不确定性的特点，使得光伏并网逆变器的利用率仅为20％左右，且频繁的投切也会使电网稳定性下降，给配电网带来各种扰动，影响电能质量。

在传统能源短缺与环境污染问题日益严峻的形势下，新能源的研究与开发得到了国内外的广泛关注。太阳能以其取之不尽、用之不竭的优点成为最具发展潜力的新能源之一。同时，以光伏发电等新能源为代表的分布式电源正逐渐从独立系统朝大规模并网方向发展。

自上世纪70年代以来，电力电子技术得到了快速发展，各式电子电气设备的广泛应用导致电网产生谐波、电压波动、闪变和三相不平衡等现象日益增多。这些电能质量问题严重影响了供用电设备的安全、稳定及经济运行。此外，随着可再生能源的分布式发电技术大力发展，太阳能、风能、燃料电池等分布式新能源的并网，导致电网的进一步不稳定。然而用户使用的精密设备、家用电器对电网的要求越来越高，严重的电力污染与高品质电能质量的需求日益矛盾。

随着光伏太阳能，风能等各种储能装置的大面积并网应用，常规分布式能源并网发电系统在一般情况下只提供给电网有功电能，而负载的无功电能一般由电网提供或由专用的无功补偿设备提供。目前的太阳能并网、风能并网、电动车V2G并网都只是把有功功率送入电网,而对区域电网内部的无功功率、整个区域配电网的功率因数等不进行任何控制，这样线路上的无功损耗仍然存在，还消耗了线路容量。

光伏发电在全球新能源开发利用中占有重要地位，其对电网的渗透率也在逐渐增大。光伏并网发电系统在一般情况下只提供给电网有功电能，即将太阳能光伏阵列的直流电能转换为与电网同频同相的交流电能馈送给电网，并保证其具有较高的功率因数。而负载的无功电能一般由电网提供或由专用的无功补偿设备提供，虽然专用的无功补偿设备具有良好的补偿特性和效果,但这也会增加额外建设成本。

光伏并网系统作为微电网发电的一种，将太阳能电池组产生的直流电经过并网逆变器转换成符合电网要求的交流电后，直接进入公共电网。少量的引入光伏发电模块对电网不会有影响，然而大规模应用极有可能破坏系统稳定性引起电能质量恶化。光伏发电受环境影响非常大，在天气发生变化时，发电系统输出功率会出现快速而剧烈变化，最大变化率超过10％额定出力/秒。发电功率的变化将导致输出电压出现较大波动，且同一地区因为环境变化一致将导致发电受到更大的影响。

传统的光伏并网发电系统包括光伏阵列、并网逆变器和电网这几部分。其中,光伏阵列是太阳能收集和变换装置,其作用是吸收太阳辐射的光能并将其转换成直流电，并网逆变器是整个光伏并网发电系统的接口装置,其作用是将直流电转换成交流电并接入电网。光伏发电系统只能给电网提供有功功率,不能提供无功功率,且有功功率极易受到太阳光辖射度、环境温度等外界环境的影响,功率波动性大,是一种间断的不稳定的能量,会对电网产生冲击。而无功补偿系统仅仅向电网提供无功的补偿。两者都存在以下缺点:成本较高，功能单一，利用率低。

目前的并网设备满负荷或者半额定负荷工作的时间都非常少,甚至相当一部分时间不工作，但是设备却是按照最高容量设计，致使设备的使用效率低下。另外，对于分布式能源的接入,在接入点对并网设备的有功输出、无功输出没有一个明确的标准要求，导致区域内的电能质量不能达到一个比较优化的状态。

在光伏并网发电系统直流侧没有安装储能元件情况下，当光照强度很低或夜晚无光照时系统将停止供电，在这期间光伏并网系统必须与电网断开，处于闲置状态；只有当光照强度达到一定程度时才能重新并网。在每天昼夜交替的情况下，光伏并网系统反复与电网连接和断开，这对光伏系统使用寿命造成很大影响并且降低了系统利用率。

随着我国经济的高速增长,配电网的容量急剧增加,各地区lOkV以下的配电线路提供了地区总供电量的50％左右,但是,长期以来我国大部分配电网运行在自然功率因数以下。无功容量不足且响应缓慢是我国配网中长期存在的问题,每年都会造成巨大的损耗。无功补偿对于配电网的安全经济运行至关重要,配电网直接和负载相连接,配电网线路和负载所消耗的无功功率必须得到平衡,否则会影响电压运行水平。

技术实现要素：

本发明基于三电平的分布式能源并网及无功补偿复合控制系统公开了新的方案，通过实时测量系统电流情况，通过相应的算法分析系统有功和无功的分量大小，通过与设定的调节目标值比较，控制IGBT的开关，从而控制系统各相并网和补偿电流的输出，最终使系统在有功优先的模式下输出最大并网功率,在区域无功优先的模式下先补偿系统无功电流,在区域平衡模式下提供系统的有功和无功补偿，解决了现有分布式并网控制系统的成本较高，功能单一，利用率低的问题。

本发明基于三电平的分布式能源并网及无功补偿复合控制系统包括控制器、三电平IGBT变流器、直流母线电容、滤波电路，直流母线电容设在三电平IGBT变流器的输入端，滤波电路设在三电平IGBT变流器的输出端，控制器包括采样模块、主控数字信号处理器模块、PWM隔离驱动模块，采样模块将采集得到的电网电压信号、负载电流信号、三电平IGBT变流器的输出电流信号、直流母线电容的电压信号转换成数字信号信息传送给主控数字信号处理器模块，主控数字信号处理器模块根据收到的数字信号信息得到系统的无功电流、并网功率，主控数字信号处理器模块根据无功电流、并网功率与设定的调节目标值比较的结果通过PWM隔离驱动模块向三电平IGBT变流器发送开关控制指令，IGBT变流器根据收到的开关控制指令控制各相并网电流、补偿电流的输出，控制系统在有功输出优先的模式下输出最大并网功率，控制系统在区域无功输出优先的模式下优先补偿无功电流，控制系统在区域平衡输出模式下输出有功、无功补偿。

进一步，本方案的主控数字信号处理器模块包括DSP芯片、CPLD芯片，DSP芯片完成采样信号处理、控制计算、PWM信号输出操作，CPLD芯片完成数字信号的逻辑处理操作。

进一步，本方案的采样模块包括电网电压检测模块、负载电流检测模块、三电平IGBT变流器输出电流检测模块、直流母线电容电压检测模块、AD采样芯片，电网电压检测模块将电网电压信号通过运放电路调理后传送给AD采样芯片，负载电流检测模块将负载电流信号通过运放电路调理后传送给AD采样芯片，三电平IGBT变流器输出电流检测模块将三电平IGBT变流器输出电流信号通过运放电路调理后传送给AD采样芯片，直流母线电容电压检测模块将直流母线电容电压信号通过运放电路调理后传送给AD采样芯片，AD采样芯片将收到的电网电压信号、负载电流信号、三电平IGBT变流器输出电流信号、直流母线电容电压信号转换成数字信号信息传送给主控数字信号处理器模块。

进一步，本方案的主控数字信号处理器模块根据收到的数字信号信息进行运算处理产生PWM信号，PWM信号经外部放大电路处理后经PWM隔离驱动模块处理后形成驱动IGBT变流器的PWM驱动信号。

进一步，本方案的控制系统还包括保护电路，保护电路根据采集到的直流母线电容的电压过高的信号向PWM隔离驱动模块发送关闭指令。

进一步，本方案的控制系统还包括三电平IGBT变流器温度检测模块，三电平IGBT变流器温度检测模块包括AD芯片，三电平IGBT变流器温度检测模块根据采集到的三电平IGBT变流器的高温信号通过两线式串行总线通信接口将高温报警信号发送给主控数字信号处理器模块，主控数字信号处理器模块根据收到的高温报警信号通过保护电路关闭PWM隔离驱动模块。

进一步，本方案的控制系统还包括通信模块RS485、RS232和带电可擦可编程只读存储器，主控数字信号处理器模块通过通信模块RS485、RS232与控制中心通信，主控数字信号处理器模块通过带电可擦可编程只读存储器对数据进行保护、存储。

进一步，本方案的控制系统还包括锁相环路，锁相环路包括鉴相器、环路滤波器、电压控制振荡器，鉴相器将电网电压的相位信息与输出的锁相信号的相位信息的差值输出到环路滤波器，差值的信号经环路滤波器滤除噪声后进入电压控制振荡器调整相位信息直至输出相位信息与电网电压的相位信息一致。

本发明基于三电平的分布式能源并网及无功补偿复合控制系统通过控制系统各相并网和补偿电流的输出，使分布式能源接入装置可以更加智能的应用到区域电网中，具有并网效率高的特点。

附图说明

图1是本方案控制系统的结构示意图。

图2是本方案控制系统的原理示意图。

图3是本方案控制系统的控制电路的原理示意图。

图4是本方案控制系统的控制流程的原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

光伏并网发电系统中一般包括光伏电池阵列输出的电压和电流采样、并网逆变器输出电流采样、电网电压采样、电力电子变换器和控制系统等。三相光伏并网发电系统中的并网逆变器，其主电路一般采用电压型全桥结构，该结构与常规的有源无功补偿装置的主电路完全一致，因此，并网及无功补偿复合控制装置可以有效地节省设备投资，简化系统结构，并具有优良的无功补偿快速响应特性，对提高电网末梢供电能力和质量具有重要作用。并网及无功补偿复合控制装置的关键技术是对系统电流的检测和算法设计，为了保证电网的供电质量，装置必须能够依据系统电流实现快速反应。本方案的并网及无功补偿复合控制装置主要是通过实时测量系统电流情况，通过相应的算法分析系统有功和无功的分量大小，通过与设定的调节目标值比较，控制IGBT的开关，从而控制系统各相并网和补偿电流的输出，最终使系统在有功优先的模式下输出最大并网功率,在区域无功优先的模式下先补偿系统无功电流,在区域平衡模式下提供系统的有功和无功补偿。如图1所示，系统采用三电平三相二极管钳位型逆变器，该电路的优势在于：以N点电位作为参考点，由于二极管的钳位作用，三电平的开关管只承受直流母线电压的一半，所以如果开关管的电流定额不变，三电平的直流电压可以是常规两电平三相逆变器的一倍，输出功率自然也提高一倍。

本方案采用双环控制方式。外环控制器主要用于体现不同的控制目的，同时产生内环参考信号，一般动态响应较慢。内环控制器主要进行精细的调节，用于提高逆变器输出的电能质量，一般动态响应较快。并网逆变器以功率环为外环，对分布式电源的输出功率直接进行控制，确保系统能在电网电压波动情况下以恒功率输出。以电流环为内环，结合电压空间矢量调制方式，解决传统开关频率不固定造成的采样频率高的缺陷，最终实现高功率因数、恒功率并网。并网逆变器是光伏并网发电系统的核心设备，本方案采用电压型逆变器，在直流侧并联大电容，可以较好地抵御由电网干扰带来的直流电压波动，适用于电网电压波动较大的场合。并网发电系统利用逆变装置将直流电能转化成交流电能输入电网，本方案采用不可调度式光伏并网发电系统。

配电网所需的无功功率通常需要在配电系统中装设无功补偿装置发出无功功率来补偿配电网消耗的无功。对配电网进行无功补偿是配电网安全经济运行的重要条件,关系到用户是否能够得到安全、优质的电能。配电网无功补偿能够有效改善电能质量、降低线路损耗从而提高线路的输电效率、提高线路的输电能力,而且还能有效提高发电机和变压器的出力。本方案的无功补偿控制系统由两部分组成，指令电流运算电路和补偿电流发生电路。指令电流运算电路检测出补偿对象电流中的无功电流分量，补偿电流发生电路根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。本方案采用瞬时无功理论的检测方法检测无功电流。瞬时无功功率理论的基本思路是将abc三相系统电压、电流转换成αβο坐标系上的矢量，将电压、电流矢量的点积定义为瞬时有功功率，将电压、电流矢量的叉积定义为瞬时无功功率，然后再将这些功率逆变为三相补偿电流。瞬时无功功率理论突破了传统功率理论在“平均值”基础上的功率定义，使无功电流的实时检测成为可能。该方法对于三相平衡系统的瞬变电流检测具有较好的实时性，有利于系统的快速控制，可以获得较好的补偿效果。

无功补偿逆变器拓扑结构与光伏并网逆变器拓扑结构基本一致，从系统结构、功能和控制方法三方面分别进行比较分析，发现两者有诸多相同之处：⑴结构方面，SVG和光伏并网发电系统在逆变器拓扑以及连接电网的方式上相同；⑵功能方面，SVG的功能是补偿无功即向电网注入无功电能，光伏并网发电系统的功能是并网发电即向电网注入有功电能，两者都是以电流的形式注入电网；⑶控制方法，两者的交流侧都属于电流跟踪控制，可以采用相同的电流跟踪控制方式。对于此类系统，直流侧通常接有电容器，直流侧电容电压是靠系统本身与电网的能量交换来维持的，当电容直流侧电压超过给定值时，电容器通过向电网注入有功功率来降低直流侧电压，以此来维持其稳定。因此，若在光伏发电系统的控制过程中设置补偿电流发生功能，就可以实现光伏并网系统在向电网注入有功功率的同时，实现对电网的无功补偿。

并网光伏系统可向电网注入有功功率或无功功率。当光伏系统以单位功率因数控制并网时，若并网点电压u发生△u的变化，则相应电流i发生△i变化。当光伏有功功率出力大于一定值时，必然引起并网点电压越限，此时光伏电站宜充分利用逆变器的无功功率调节能力进行无功功率和电压调节。逆变器无功功率输出能力不仅受本身容量及输电线路的限制，在逆变器容量足够大的情况下，受直流侧电压的限制。随着光伏系统有功功率、无功功率出力的增大，逆变器输出电压增大。逆变器交流输出电压超出其约束范围，此时与IGBT反并联的续流二极管导通，致使换相失败，逆变器直流侧电压升高，输出电流发生畸变，有功功率、无功功率出现波动，因此，当电网需要光伏系统提供较大无功功率支撑时，应降低有功功率输出运行。

为了实现复合电流的优化设计，首先要求并网的有功电流和用于补偿的系统无功电流可以分别进行控制，即电流具有多样性。对于优化设计的复合电流，虽然每一相都可能包含有功分量，但是该有功分量并不是消耗在逆变桥上，而是通过逆变器传输到电网。实现系统无功功率补偿以及区域有功功率的平衡，需要知道每相负载各自需要的无功分量和有功分量。通过对称分量法的矢量变换，可以得到正序电流相量的实部(即有功分量)以外的电流分量(包括正序电流相量的虚部和负序电流相量)。如图4所示，装置检测电网电压和系统电流，通过计算得到无功补偿电流和负载有功电流。通过PI控制器，根据无差拍控制原理，产生定频PWM脉冲驱动逆变器功率管IGBT的导通和关断。该控制方案可以得到稳定快速的电流控制效果，同时还可以相应的提高系统功率因数。

电流环主要包括以下部分：并网电流和负载无功电流的检测单元、控制单元和PWM脉冲分配单元。控制单元产生调制信号，这个信号仅在采样时刻改变，并在下一采样时刻前保持不变，它送入脉冲分配单元产生IGBT的开关信号，实现控制作用。装置采用锁相环相位跟踪系统，它能保证输出的相位与频率信号与输入信号一致，其工作原理是鉴相器将电网电压的相位信息与输出的锁相信号的相位信息的差值输出到环路滤波器，滤除差值信号中的噪声，进而进入电压控制振动器调整相位信息并输出，直至最后输出相位信息与电网电压的相位信息一致，实现锁相。

如图2所示，本方案控制系统的原理示意图。本方案的控制系统的主要功能是调理实时监测信号，根据预设算法快速计算并最终向功率电路输出控制信号。在实验样机中，主控数字信号处理器选取TI公司的DSP芯TMS320F28335，根据设定的控制方式，对由传感器获取并经过模拟电路调理的主电路直流、交流侧的压、电流信号进行计算、判断及输出，实现预设策略。控制系统还需要CPLD实现PWM信号逻辑组合，通过RS485和RS232实现外围通信以及EEPROM实现数据保护储存等功能。图1中，电网输出端标有U_a、U_b、U_c为交流电网电压，负载为三相非线性负载，会消耗无功。复合控制系统由两大部分组成，即无功电流检测电路和补偿电流发生电路。主电路采用绝缘栅双极性晶体管(IGBT)构成的PWM变流器，在产生补偿电流时，主要作为逆变器工作。系统基本工作原理就是通过采样检测电路检测负载中的电流，经过数字信号处理器(DSP)的计算得到负载中的无功电流和并网功率，然后通过控制策略设定的工作模式，控制有功功率和无功功率的输出。SVG的硬件设计主要包括主电路设计和控制电路设计，控制电路是SVG的重要组成部分，图3给出了SVG控制系统硬件电路的结构框图，它主要由以下几个部分组成：DSP控制电路，电压电流检测电路，PWM输出电路，保护电路，IGBT温度检测等。

⑴DSP控制电路

整个控制电路以TI公司的32位浮点微处理器TMS320F28335为主控芯片，TMS320F28335隶属于Delfino MCU系列产品成员，运行频率可高达150MHZ，是针对要求严格控制应用的高度集成、高性能解决方案。控制系统辅以Altera公司的EPM570T100CPLD芯片，CPLD主要进行一些数字信号的逻辑处理，而DSP芯片完成采样信号处理、控制计算、保护以及PWM信号输出等主要功能。

⑵AD信号检测及调理单元

AD信号检测共包括三相电网电压信号检测、三相负载电流信号检测、三相SVG输出电流检测、两路直流侧电容电压检测，经互感器检测，运放电路调理后，由外部AD采样芯片AD7657采样转换，输出数字信号至DSP进行处理。IGBT温度检测由一个单独的AD芯片AD7995完成，通过两线式串行总线(I2C)通讯接口输出至DSP。

⑶保护电路

保护电路的作用是保护SVG无故障运行，当SVG直流电容电压过高，或上下电容电压差过大，电网电压异常，功率器件温度过高时，保护电路变产生保护信号，切断PWM输出信号，关闭SVG。

⑷PWM驱动

DSP经运算处理后产生PWM信号，由外部放大电路放大信号，再经过隔离驱动电路形成具有驱动能力的PWM驱动信号来驱动主功率电路的IGBT。

⑸通讯

DSP控制系统的串行通信接口(SCI)、串行外围设备接口(SPI)通讯接口已经全部预留，方便以后与控制中心通讯。

无功补偿模式时，控制器从电网采集所需电量，通过AD转换为数字量，计算出需要补偿的功率，然后转换为IGBT桥控制信号，由控制器发出高速切换的PWM信号来控制IGBT桥的开关，从而为负荷提供无功和谐波功率，变压器无需再提供负荷所需要的无功。并网模式时，控制器实时采集电网电压,检测电网工作状态是否正常,并测定逆变器输出电流与电网电压是否同步,在达到并网要求后,在电网电压过零点闭合并网继电器实现并网。模式之间的转换，可根据电网需求在装置提供的LCD液晶屏上进行设置。装置采用并联接线方式接入电网，并设有三种工作模式：并网优先、无功补偿优先、区域功率平衡优先，并设有RS485/RS232通信接口用于数据的传输和查看。

上述方案中涉及的电器、电路、模块以及电子元器件除特别说明之外，根据其实现的具体功能可以选择本领域通用的设计和方案，也可以根据实际需要选择其他设计和方案。

在光伏并网发电系统中，将无功检测和补偿控制与并网发电控制相结合，实现并网发电与无功补偿的统一控制，在理论和实践上是可行的。其并网发电的工作运行不仅可以有效的提供电网有功电能，而且可以补偿传输电网中的无功电流，有利于电网供电能力和质量的进一步提高，特别对于电网末梢的供电，会有明显效果。系统采用的基于瞬时无功功率理论的无功电流检测方式，在高速DSP的数字控制支持下，在实验中得到了成功的实现。

本方案的基于三电平的分布式能源接入点并网及无功补偿复合控制装置，使分布式能源接入装置可以更加智能的应用到区域电网中，在电网需要有功且分布式能源可以提供有功的时候，系统主要作为并网逆变器使用，在系统不需要有功或者分布式能源不能提供有功的时候，设备可以提供无功功率加入到区域电网的无功补偿之中，同时也可以根据装置自身测得的接入点系统电流电压参数，装置以既提供有功又提供无功的情况参与到区域并网之中。

本方案通过深入分析光伏并网发电系统的并网逆变器控制、无功检测与补偿等关键技术，模拟光伏并网发电，将并网发电和无功补偿进行综合控制。该光伏并网系统集成了并网发电控制和无功补偿的功能，在电网运行比较稳定的地区，实现以光伏并网发电功能为主，无功补偿功能为辅，而在电网电能质量比较恶劣的地区，实现对电网的无功补偿功能为主，并网发电为辅的功能。本方案的研究符合我国地理条件差异大、经济发展不平衡、对能源需求要求不同的现实，对于新能源的开发利用和绿色电网的和谐发展具有广阔的应用前景和重要的现实意义。本方案通过对比光伏并网发电系统与无功补偿系统的结构，揭示两者在结构上存在相似性。光伏并网发电系统通过变流器向电网提供有功功率，而无功系统通过变流器向电网提供无功补偿，所以在并网发电系统中，将无功检测和补偿控制与并网发电控制相结合，实现并网发电与无功补偿的统一控制是很有必要的。并网发电的工作运行不仅可以有效的提供电网有功电能，而且可以补偿传输电网中的无功电流，有利于电网供电能力和质量的进一步提高。

随着世界对新能源发电的渴求以及“十二五”规划，我国对光伏及其它可再生能源产业的大力扶持，本方案的光伏并网发电系统不仅可以有效的实现光伏发电，改善电能质量和降低功率损耗，而且对节省相应的设备投资，提高系统利用率也具有重要意义。

本方案的分布式能源并网及无功补偿复合控制系统并不限于具体实施方式中公开的内容，实施例中出现的技术方案可以单独存在，也可以相互包含，本领域技术人员根据本方案结合公知常识作出的简单替换方案也属于本方案的范围。