一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器的制作方法

文档序号:30583614发布日期:2022-06-29 13:58阅读:115来源:国知局
一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器的制作方法

1.本发明涉及新能源并网发电逆变控制技术领域,具体为一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器,通过控制参数自适应实时优化抑制电网小幅振荡、维持电网稳定运行。


背景技术:

2.随着经济社会的高速发展,人类对能源需求不断增加,化石能源最终必然枯竭,人类将面临能源危机的严峻挑战。与此同时,化石能源的大量使用,全球气候变暖和碳排放超标问题引起世界高度关注。因此,控制化石能源消费总量、实施可再生能源替代、实现碳达峰和碳中和具有广泛而深刻的社会经济意义,发展可再生能源、实现能源的可持续发展是人类解决能源危机和环境污染以及解决全球气候问题的重要方式之一。以风电、光伏为代表的新能源发电受到国内外广泛关注,风能和太阳能等可再生能源在世界范围内也因此得到了广泛应用。大多数新能源发电系统均采用并网逆变器作为接口向电网输出电能,其基本功能类似于常规水力、火力同步发电机组,但是其运行特性与传统的旋转同步发电机具有较大的差异,主要表现在并网逆变器具有低惯量、弱阻尼、弱同步特性,同时,与火电、水电以及核电等传统电力一次能源不同,风能、太阳能等新能源电力具有空间尺度上的低密度分散性与时间尺度上的强随机波动性,新能源电力的大规模接入将导致电力系统的“源”、“荷”均呈现出强随机性和波动性,给电网的运行以及控制带来巨大挑战。随着公用电网中新能源渗透率不断增加,以低惯量、弱阻尼为特征的并网逆变器大规模地接入电力系统,使得同步机发电系统的装机比例逐渐降低,致使电网中的旋转备用容量与转动惯量相对减少,电力系统逐步呈现出电力电子并网发电设备高比例接入的状态,电网的安全稳定运行能力也随之下降。高比例新能源接入的电力系统在运行过程中无时不遭受到一些小的干扰,一个小干扰不稳定的电力系统在实际中难以正常运行。换言之,正常运行的电力系统首先应该是小干扰稳定的,这就对新能源并网逆变器的并网运行特性提出了更高的要求。
3.目前,传统新能源并网逆变器的控制参数不可调整,针对不同工况的电网,其参数无法动态调整,无法根据电网的实时工况调整控制参数以提供对电网稳定性支撑,诸如参与电网的调频和调压。同时,新能源电力供给具有高度随机性,新能源并网逆变器对电网具有极其频繁的扰动作用,早期的传统新能源并网逆变器运行于直流输入端最大功率跟踪状态,最大限度的提高系统的发电效率,并网逆变器对电网呈现电流源特性,几乎不考虑由于输入功率的随机性对电网的扰动影响。在某些微弱电网并网点,新能源并网逆变器运行过程中会造成并网点电网小幅振荡,并网点难以恢复稳定,为此,部分并网逆变器通过在逆变器交流输出端口安装固定参数的滤波器,由于不同的并网点电网参数和特性差异很大,固定参数的滤波器难以优化各种不同并网点的电网特性。传统新能源并网逆变器异常(一般为瞬时过流故障)保护电路触发后,为保护变流器的开关器件,逆变器在触发保护后会退出运行状态,而后重新启动,这段保护后重启时间一般在数秒至数十秒之间,逆变器保护停机并重启的过程造成对电网出力的冲击和扰动,影响电网的稳定性。
4.因而,进行高比例电力电子接入的电力系统小干扰稳定分析、判断系统在指定的运行方式下是否稳定,并据此对现有新能源并网逆变器的控制策略和控制电路进行改进,是高比例接入新能源发电的电力系统最基本和最紧迫的任务之一。
5.目前,研究人员往往会根据特定的新能源发电工况优化系统的设计参数,取得了一定研究成果,例如部分新能源并网逆变器增加了故障穿越功能,在电网出现严重电压跌落时能够保持一段时间的并网运行,因控制参数无法修改,无法及时向电网提供必要的惯量、阻尼等支持,也无法参与电网频率和电压调整。新能源发电在地域上呈现分布式、时间上呈现随机性,因此某一固定的优化控制参数难以适应逆变器在时间和空间尺度上的异同,对电力系统造成众多负面影响,随着新能发电接入比例的逐年提高,其对电网的影响不容忽视。
6.因此,亟需研究新能源并网发电系统的动态稳定机制、优化新能源并网逆变器控制参数和控制电路的结构,以实现新能源友好兼容地接入电网。


技术实现要素:

7.本发明的目的是针对新能源并网发电系统的稳定性问题,提出一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器及其调控方法。在传统逆变器通用控制系统的基础上,能够根据新能源发电并网点电网的实际工况实时优化调整控制参数以及辅助调节并网点电网线路参数,进而改变新能源并网逆变器的并网运行特性,以抑制电网小幅振荡,提高并网点电网的稳定性,最终实现高比例新能源发电友好接入电力系统。
8.本发明的技术方案是:
9.本发明提供一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器,包括:
10.由逆变器通用控制单元、电容c、滤波电感lf和变流器构成的逆变器单元;以及由振荡参数检出器、控制参数计算与评估单元、线路参数调整器和可测控快恢复保护电路构成的自适应调控单元;
11.所述的振荡参数检出器的检测信号端与电网电压传感器输出端相连,所述振荡参数检出器的检测信号输出端与控制参数计算与评估单元的输入端相连;
12.所述的控制参数计算与评估单元的两路信号输入端与电网电压传感器输出端相连,获取电网的电压、电流信号,另两路输入端与振荡参数检出器的输出端相连,获取频率和电压变化量,所述控制参数计算与评估单元的控制信号输出端与线路参数调整器的控制信号输入端相连,所述控制参数计算与评估单元的通信信号端与逆变器通用控制单元的通信端口连接;
13.所述的可测控快恢复保护电路串接在逆变器通用控制单元和变流器之间,所述可测控快恢复保护电路的电流输入端与滤波电感lf的电流传感器输出端连接,所述可测控快恢复保护电路的pwm输入端与逆变器通用控制单元的pwm输出端连接,所述可测控快恢复保护电路的pwm输出端与变流器的驱动端连接,所述可测控快恢复保护电路的状态输出端和复位输入端分别与逆变器通用控制单元的数字输入和输出端连接;
14.所述的线路参数调整器的控制信号输入端接控制参数计算与评估单元的控制信号输出端,线路参数调整器的补偿端与逆变器单元的并网点相连。
15.进一步地,所述的振荡参数检出器包括并联的低频鉴频器和检波器,所述低频鉴
频器和检波器的输入端均与电网电压传感器输出端连接,所述低频鉴频器的和检波器的输出端分别输出频率变化量

f和电压变化量

v至控制参数计算与评估单元的ad输入端。
16.进一步地,所述的控制参数计算与评估单元包括高性能嵌入式微处理器,该处理器的ad转换模块的多路输入端口分别与电网电压和电流传感器输出端、振荡参数检出器的

f、

v输出端连接,并通过3个数字引脚与并网点线路参数调整器ssr的3个控制端连接,控制参数计算与评估单元采用数字通信端口与逆变器通用控制单元的通信端口连接。
17.进一步地,所述的可测控快恢复保护电路包括比较器、双稳态触发器和pwm缓冲器;
18.所述比较器的一输入端作为可测控快恢复保护电路的电流输入,与滤波电感lf的电流传感器输出端连接,比较器的另一输入端接基准信号,所述比较器的输出端与双稳态触发器的一输入端相连;
19.所述双稳态触发器的另一输入端接逆变器通用控制单元的复位信号输出端,所述双稳态触发器的状态输出端接逆变器通用控制单元的数字输入端,所述双稳态触发器的缓冲使能端接pwm缓冲器的使能控制端;
20.所述的pwm缓冲器的pwm输入端与逆变器通用控制单元的pwm输出端连接,所述的pwm缓冲器的pwm输出端与变流器的驱动端连接。
21.进一步地,所述的线路参数调整器包括并联的三组电容器c1、c2和c3,所述的电容器c1、c2和c3分别串接有固态继电器ssr1、ssr2和ssr3,所述线路参数调整器的补偿端口连接于滤波电感lf与电网线路等效电感lg之间的公共连接点,所述固态继电器ssr1、ssr2和ssr3的控制端与控制参数计算与评估单元的对应数字控制端口连接。
22.进一步地,电容器满足:c3=2c2=4c1。
23.一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器的调控方法,该方法包括:
24.振荡参数检出器从电网电压传感器获取电压信号,输出频率变化量

f和电压变化量

v;
25.控制参数计算与评估单元根据并网点的电网实际工况以及检出的频率、电压变化量,计算并网点电网对逆变器的惯量、阻尼、有功功率和无功功率的需求比例,动态控制逆变器的变流器控制参数,以及线路参数调整器的电容组的投切状态,最大限度将并网点电网调至预期的运行状态。
26.进一步地,所述的可测控快恢复保护电路执行以下步骤:
27.逆变器正常运行时,通用控制单元的pwm信号经可测控快恢复保护电路缓冲至变流器驱动端;
28.当逆变器滤波电感lf的电流超限后,可测控快恢复保护电路的比较器输出一个边沿跳变信号至双稳态触发器,双稳态触发器输出一个电平信号封锁pwm缓冲器关闭pwm驱动输出,保护开关器件,并通过状态引脚输出保护状态信号供通用控制单元查询;
29.当逆变器滤波电感lf的电流恢复至安全阈值后,通用控制单元通过可测控快恢复保护电路的复位引脚使能缓冲器输出,控制逆变器恢复运行。
30.进一步地,通用控制单元接受控制参数计算与评估单元发送的参数修正量,对逆变器的控制参数和功率进行实时修正。
31.进一步地,控制参数计算与评估单元通过三个数字控制端口将电网线路参数调整
器的电容组的投切状态发送至电网线路参数调整器的三个ssr控制端,实现电网线路参数调整器的电容补偿端口向并网点电网的投切操作。
32.本发明的有益效果:
33.本发明的控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器,根据逆变器并网点电网实际工况,通过实时调整并评估控制参数,动态调整逆变器的惯量、阻尼和同步能力,满足了不同并网点电网在不同时间对逆变器的输出特性的时变需求,维护并提高电网的稳定性。
34.本发明采用电网线路参数调整器,能够实现并网点电网参数辅助动态调节功能,在某些微弱电网并网点,有效抑制并网逆变器运行过程中造成的并网点电网小幅振荡,根据并网点电网的实际需求对电网进行辅助补偿,最大限度将并网点电网调至预期的运行状态。
35.本发明具备可测控快恢复保护电路,在保护变流器开关器件的同时,其状态可供查询,复位使能引脚可供通用控制单元决策后快速复位重启,确保逆变器在电流恢复至安全阈值范围后继续运行,实现“非必要不停机”的运行控制策略,将逆变器对电网的负面扰动降至最低。
36.本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
37.通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述,本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显,其中,在本发明示例性实施方式中,相同的参考标号通常代表相同部件。
38.图1为本发明的新能源并网逆变器控制系统总体结构图;
39.图2为本发明的电网线路参数调整器结构图;
40.图3为本发明的电网振荡参数检出器结构图;
41.图4为本发明的可测控快恢复保护电路结构图。
具体实施方式
42.下面将参照附图更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然附图中显示了本发明的优选实施方式,然而应该理解,可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。
43.本发明提供一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器,包括:
44.由逆变器通用控制单元、电容c、滤波电感lf和变流器构成的逆变器单元;以及由振荡参数检出器、控制参数计算与评估单元、线路参数调整器和可测控快恢复保护电路构成的自适应调控单元;
45.所述的振荡参数检出器的检测信号端与电网电压传感器输出端相连,所述振荡参数检出器的检测信号输出端与控制参数计算与评估单元的输入端相连;
46.所述的控制参数计算与评估单元的两路信号输入端与电网电压和电流传感器输出端相连,获取电网的电压、电流信号,另两路输入端与振荡参数检出器的输出端相连,获取频率和电压变化量,所述控制参数计算与评估单元的控制信号输出端与线路参数调整器
的控制信号输入端相连,所述控制参数计算与评估单元的通信信号端与逆变器通用控制单元的通信端口连接;
47.所述的可测控快恢复保护电路串接在逆变器通用控制单元和变流器之间,所述可测控快恢复保护电路的电流输入端与滤波电感lf的电流传感器输出端连接,所述可测控快恢复保护电路的pwm输入端与逆变器通用控制单元的pwm输出端连接,所述可测控快恢复保护电路的pwm输出端与变流器的驱动端连接,所述可测控快恢复保护电路的状态输出端和复位输入端分别与逆变器通用控制单元的数字输入和输出端连接;
48.所述的线路参数调整器的控制信号输入端接控制参数计算与评估单元的控制信号输出端,线路参数调整器的补偿端与逆变器单元的并网点相连。
49.进一步地,所述的振荡参数检出器包括并联的低频鉴频器和检波器,所述低频鉴频器和检波器的输入端均与电网电压传感器连接,所述低频鉴频器的和检波器的输出端分别输出频率变化量

f和电压变化量

v至控制参数计算与评估单元的ad输入端;
50.所述的控制参数计算与评估单元包括高性能嵌入式微处理器,该处理器的ad转换模块的多路输入端口分别与电网电压和电流传感器输出端、振荡参数检出器的

f、

v输出端连接,并通过3个数字引脚与并网点线路参数调整器ssr的3个控制端连接,控制参数计算与评估单元采用数字通信端口与逆变器通用控制单元的通信端口连接;
51.所述的可测控快恢复保护电路包括比较器、双稳态触发器和pwm缓冲器;所述比较器的输入端作为可测控快恢复保护电路的电流输入端,与滤波电感lf的电流传感器输出端连接,比较器的另一输入端接基准信号,所述比较器的输出端与双稳态触发器的一输入端相连;所述双稳态触发器的另一输入端接逆变器通用控制单元的复位信号输出端,所述双稳态触发器的状态输出端接逆变器通用控制单元的数字输入端,所述双稳态触发器的缓冲使能端接pwm缓冲器的使能控制端;所述的pwm缓冲器的pwm输入端与逆变器通用控制单元的pwm输出端连接,所述的pwm缓冲器的pwm输出端与变流器的驱动端连接;
52.所述的线路参数调整器包括并联的三组电容器c1、c2和c3,所述的电容器c1、c2和c3分别串接有固态继电器ssr1、ssr2和ssr3,所述线路参数调整器的补偿端口连接于滤波电感lf与电网线路等效电感lg之间的公共连接点,所述固态继电器ssr1、ssr2和ssr3的控制端与控制参数计算与评估单元的对应数字控制端口连接。
53.其中:电容器满足:c3=2c2=4c1。
54.实施例:
55.请参阅图1-4,一种控制参数自适应实时优化的新能源并网逆变器,主要由:并网点线路参数调整器、电网振荡参数检出器、控制参数计算与评估单元(微处理器型号可为兆易创新的国产处理器gd32f407)、可测控快恢复保护电路(比较器芯片可为lm219,内置双稳态触发器的逻辑控制芯片可为xc9536)组成。
56.所述并网点线路参数调整器的补偿端与并网逆变器并网接入点连接,即连接于逆变器滤波电感lf与电网线路等效电感lg的公共连接点,所述电网振荡参数检出器输入端与电网电压传感器输出端连接,所述控制参数计算与评估单元的多路ad输入端分别与电网振荡参数检出器的

f、

v输出端、电网电压和电流传感器输出端连接,控制参数计算与评估单元通过3个数字控制端口分别与并网点线路参数调整器的3个ssr的控制端口连接,控制参数计算与评估单元采用数字通信端口与逆变器通用控制单元的通信端口连接,所述可测
控快恢复保护电路的pwm输入端口、状态引脚和复位引脚分别与逆变器通用控制单元的pwm输出端口、数字输入引脚和输出引脚连接,可测控快恢复保护电路的pwm输出端口与变流器驱动端连接,可测控快恢复保护电路的电流输入引脚与逆变器滤波电感lf的电流传感器输出端连接。
57.新能源并网逆变器中通用控制单元为常规逆变器器件,其工作过程不做详细描述,仅阐述与本发明相关的控制参数实时优化、电网线路参数调整和保护后快恢复的工作过程,本发明的工作过程如下:
58.新能源并网逆变器处于并网发电运行状态时,电网振荡参数检出器采集电网电压传感器的输出信号,电网振荡参数检出器内部的鉴频器实时检测电网电压信号的频率变化

f,电网振荡参数检出器内部的检波器实时检测电网电压信号的幅值变化

v,并分别由

f、

v输出端口输出至控制参数计算与评估单元;
59.控制参数计算与评估单元多路ad输入端口按一定的采样频率(一般为10khz~20khz)对电网电压和电网电流传感器的输出信号、电网振荡参数检出器的

f、

v输出信号进行实时采样,根据以上采集的参数,控制参数计算与评估单元对电网的状态进行评估,据此计算并网点电网对新能源并网逆变器的惯量、阻尼、有功功率和无功功率的需求比例并确定最优电网线路参数调整器的电容组的投切状态,然后综合新能源发电系统的直流输入和逆变器自身容量阈值,对以上的需求量进行权衡和优化,并据此实时计算并网逆变器当前时刻的并网功率、外环电压控制参数、内环电流控制参数的修正量,通过数字通信接口(一般为多通道缓冲串行口mcbsp)发送至逆变器通用控制单元,逆变器通用控制单元根据发送的参数修正量对逆变器的控制参数和功率进行实时修正。
60.同时,控制参数计算与评估单元通过三个数字控制端口将上述计算出的电网线路参数调整器电容组的投切状态发送至电网线路参数调整器的三个ssr控制端,实现电网线路参数调整器的电容补偿端口向并网点电网的投切操作。
61.在以上修正量生效后,即逆变器的变流器根据修正量调整运行状态后,控制参数计算与评估单元根据随后最新采集的电网参数重新对电网状态进行评估,对上一次的控制参数修正量进行前后比较,评估上次修正的改善性能,为本次参数调整提供依据,如果并网点电网运行状态有所改善则继续对控制参数同方向修正,否则反方向修正。
62.另外,可测控快恢复保护电路的pwm输入端会接收通用控制单元输出的pwm信号,经可测控快恢复保护电路内部的pwm缓冲器输出至其pwm输出端,可测控快恢复保护电路的pwm输出端经排线将pwm信号发送至变流器的驱动端以驱动变流器工作。可测控快恢复保护电路的电流输入端采集逆变器滤波电感lf的电流传感器输出信号,采用滞环比较器将逆变器滤波电感lf的电流传感器输出信号与基准信号比较,当新能源并网逆变器运行过程中因自身原因或者电网原因发生电流超限时,逆变器滤波电感lf的电流传感器输出信号大于基准信号,滞环比较器输出一个故障信号至双稳态触发器,双稳态触发器输出非使能信号电平至pwm缓冲器的使能控制端,控制pwm缓冲器关闭可测控快恢复保护电路的pwm输出以保护变流器的开关器件。与此同时,可测控快恢复保护电路的状态端口输出一个故障电平至通用控制单元的数字输入端,通用控制单元在可测控快恢复保护电路产生保护动作后,高速重复查询逆变器滤波电感lf的电流传感器输出信号,当逆变器滤波电感lf的电流下降至安全阈值范围内,通过控制可测控快恢复保护电路的复位输入端解锁可测控快恢复保护电
路的保护,快速恢复逆变器并网运行,此过程一般持续2~5个中断周期,时间为0.1ms~0.5ms,可将逆变器因过流保护对电网的负面扰动降至最低,维护了电网的稳定性。
63.以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
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