一种能改善配电网电能质量的光伏逆变控制方法与流程

本发明属于技术领域，涉及有源配电网智能软开关电压控制方法，尤其是一种能改善配电网电能质量的光伏逆变控制方法。

背景技术：

随着光伏发电技术的不断发展，光伏发电的成本逐渐降低。新能源并网补贴政策不断完善进一步促进了整个行业的发展。目前分布式光伏发电已经走入千家万户，用户可以在自家屋顶安装一套太阳能发电系统，通过卖电获取收益。不过随着用户大量电力电子设备的使用，会导致大量的谐波注入，这样不仅降低了功率因数，当谐波畸变率超过限值时可能还要面临罚款。

一般光伏并网逆变器安装有无源滤波装置，不过当用户大量使用非线性负载的时候，滤波效果难以达到要求，造成谐波进入电网污染电网。电网谐波会影响电气线路中的保护元件，继电器、自动系统装置的误操作，电气测量仪表不准确，甚至还会引起严重电力事故。电力谐波的危害体现在我们生活的方方面面，它影响电力输送系统、影响电力保护装置、影响家用电器，影响通讯设备，谐波对我们的生活造成了严重的影响。无源滤波器不能动态的补偿谐波电流，有源滤波器能够对大小和频率都变化的谐波进行补偿，但是价格昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种能改善配电网电能质量的光伏逆变控制方法，解决单台逆变器补偿谐波能力不足的技术问题，通过多台逆变器联动控制可以充分利用各个光伏并网逆变器的剩余容量，降低改善电能质量的成本，同时保证用户收益。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种能改善配电网电能质量的光伏逆变控制方法，包括第一控制状态和第二控制状态，其具体步骤如下：

步骤1、独立滤波控制的第一控制状态：用户侧启用非线性负载时，负载侧传感器检测电压电流，通过瞬时无功功率方法实时计算thdu和谐波电流，当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器向逆变器发送负载侧thdu和谐波电流信息，并根据光伏并网逆变器的剩余容量计算补偿电流，在保证光伏逆变器正常并网的情况下，滤除谐波；

步骤2、多逆变器联动滤波控制的第二控制状态：当负载侧传感器检测thdu低于限值并持续n个工频周期时，逆变器停止第一控制状态，待储能模组充电完毕后，逆变器可以进入第二控制状态，多台逆变器联动补偿电网谐波，补偿系数随逆变器的加入与退出实时调整。

而且，所述步骤1的具体方法为：

负载侧传感器实时检测电压电流，通过瞬时无功功率方法实时计算thdu用户侧启用非线性负载时，thdu上升；当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器向逆变器发送谐波电流和thdu，同时向太阳能控制器传递thdu并停止储能模组充电，逆变器验证thdu是否高于限值，超限则进入第一控制状态，逆变器计算剩余容量，并根据剩余容量在指令电流中加入负载谐波电流，滤除谐波。

所述步骤2的具体方法为：当负载侧传感器检测thdu低于限值并持续n个工频周期后，分别向逆变器、太阳能控制器和ttu发送thdu信息；

逆变器接收到thdu信息后，检验thdu是否超限，若未超限则停止第一控制状态；

太阳能控制器接收到thdu信息后，太阳能控制器检测光伏板状态，当光伏板的可发电量大于并网功率时，对储能模组充电，当电池电压升到一定程度时，或者传感器向太阳能控制器传送thdu大于限值即逆变器进入第一控制状态时停止充电；充电完毕后，太阳能控制器向ttu传送控制信号，ttu同时接收到负载侧thdu信息和太阳能控制器指令后，ttu判断thdu，如果小于限值，则计算电网侧thdu，当电网侧thdu超限并持续n个工频周期时，ttu询问相应逆变器，逆变器进入第二控制状态，逆变器向ttu传送剩余容量，ttu数据采集与处理模块对配电网侧的数据进行采集，经过分析处理后，得到电网谐波电流和各个逆变器补偿系数，然后通过发送器传给对应的逆变器，随后多台逆变器联动补偿电网侧的谐波，当负载侧传感器检测到thdu超过限值并持续n个工频周期时，对应的逆变器退出第二控制状态，进入第一控制状态，拒绝ttu访问。

而且，所述步骤1的thdu的计算公式为：

un为不大于某特定阶数h的所有谐波电压的有效值、u1为基波电压分量有效值，谐波电压可以通过瞬时无功功率ip-iq法求得；

而且，所述步骤1的光伏并网逆变器的剩余容量可以根据逆变器的额定功率与并网功率求得：

pri＝(pi-pei)*95％

上式中，pri为第i台逆变器的剩余容量，pi为第i台逆变器的额定功率，pei为第i台逆变器的并网功率；

并根据上式可得：

iri＝(ii-iei)*95％

上式中，ii为根据第i台逆变器的额定容量计算出来的允许通过的最大电流，iei为第i台逆变器的并网电流，iri为第i台逆变器的允许补偿电流。

当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器向逆变器发送谐波电流irefi，为防止补偿电流超限根据下式做截断电流处理：

为在逆变器指令电流中加入的负载谐波补偿电流。

而且，所述步骤2的各个逆变器补偿谐波电流的比例计算方法如下：

电网的谐波功率为ps，pr总为工作于第二控制状态的逆变器的总剩余容量，prj为工作于第二控制状态的第j台逆变器的剩余容量，当pr总≥ps时：

当pr总＜ps时：

由上式可得补偿比例为kj，各个逆变器的补偿电流：

iref为电网侧谐波电流，irj为每个进入第二控制状态的逆变器的最大允许补偿电流，为每台处于第二控制状态的逆变器的谐波补偿电流。

当pvj+1接收到进入第二控制状态指令时，ttu控制器重新计算补偿比例kj+1，整定完成后ttu控制器向所有逆变器发出新的补偿命令，j+1台同时按新整定的比例进行补偿。

本发明的优点和有益效果：

1、本发明优先满足用户侧需要，利用光伏并网逆变器的剩余容量优先补偿用户侧产生的谐波，保证用电器的安全使用；当用户侧储能模组充满后，判断电网侧的电压谐波畸变率，根据不同逆变器的剩余容量分配比例因子，从而治理电网的电能质量，具有巨大的社会效益。当夜晚光伏板不工作时，逆变器由储能模组供电，逆变器依旧可以工作在第一和第二工作状态。贴近用户的传感器网络，采集的数据更加准确，ttu实时监测配电变压器的运行工况，并能将采集的信息传送到主站和各个光伏并网逆变器，提供配电系统运行控制及管理所需的数据。ttu除具有数据采集与控制功能外，还具有强大的通信功能，ttu对上应能与配电子站或主站进行通信，将终端采集的实时信息上报，同时接收子站/主站下达的各种控制命令，对下可与附近传感器和逆变器等智能设备进行通信，无论通信方式、通信协议、通信接口都可以满足配网自动化系统的要求。有效的通信和传感器分布保证了用户的用电质量，并且充分利用多台逆变器网络补偿电网谐波，社会效益显著，未来发展前景广阔。

2、本发明对逆变器的控制需要一个关键参数的检测，谐波电流和谐波电压是计算补偿电流和thdu的基础，谐波电流和谐波电压采用瞬时无功功率ip-iq法求得。本发明不需要进行功率的计算，只需对电流信号进行坐标变换处理，直接得到相应的谐波电流信号，减少了信号采集量和数据计算量，实现简单、延时小、实时性好，现在被广泛的用于谐波的实时监测。

3、本发明利用光伏并网逆变器的剩余容量，当用户使用非线性负载产生大量谐波时，全力滤除用户自身产生的谐波；当用户侧电压谐波畸变率低于限值时，通过分布式传感器、ttu和太阳能控制器共同控制，多台逆变器联动补偿电网谐波电流，随着光伏发电走进千家万户，这种控制方法必将取得巨大的社会效益。

附图说明

图1为本发明的逻辑控制图；

图2为本发明的光伏发电的系统框图；

图3为本发明的瞬时无功功率ip-iq原理图；

图4为本发明的谐波电流补偿系统框图；

图5为本发明的多台逆变器联动控制框图；

图6为本发明的传感器器节点模块化设计结构图；

图7为本发明的ttu通信模块框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

一种能改善配电网电能质量的光伏逆变控制方法，如图1所示，包括第一控制状态和第二控制状态，其具体步骤如下：

步骤1、独立滤波控制的第一控制状态：用户侧启用非线性负载时，负载侧传感器检测电压电流，通过瞬时无功功率方法实时计算thdu和谐波电流，当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器向逆变器发送负载侧thdu和谐波电流信息，逆变器根据剩余容量计算补偿电流，在保证逆变器正常并网的情况下，滤除谐波；

在本实施例中，所述步骤1的独立滤波控制的第一控制状态的具体方法为：负载侧传感器实时检测电压电流，通过瞬时无功功率方法实时计算thdu(电压谐波畸变率)，用户侧启用非线性负载时，thdu上升；根据国家标准gb/t14549-1993的规定，电网标称电压为380v时thdu要小于5％，当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器向逆变器发送谐波电流和thdu，同时向太阳能控制器传递thdu(停止储能模组充电)，逆变器验证thdu是否高于限值，超限则进入第一工作状态，逆变器计算剩余容量，根据剩余容量在指令电流中加入负载谐波电流，在保证逆变器正常并网情况下，滤除谐波降低非线性负载对电网的冲击。

步骤2、多逆变器联动滤波控制的第二控制状态：当负载侧传感器检测thdu低于限值并持续n个工频周期时，逆变器停止第一控制状态，待储能模组充电完毕后，逆变器可以进入第二控制状态，多台逆变器联动补偿电网谐波，补偿系数随逆变器的加入与退出实时调整。

在本实施例中，所述步骤2的多逆变器联动滤波控制的第二控制状态的具体方法为：当负载侧传感器检测thdu(电压谐波畸变率)低于限值并持续n个工频周期后，分别向逆变器、太阳能控制器和ttu发送thdu信息，逆变器接收到thdu信息后，检验thdu是否超限，若未超限则停止第一控制状态；太阳能控制器接收到thdu信息后，太阳能控制器检测光伏板状态，当光伏板的可发电量大于并网功率时，对储能模组充电，当电池电压升到一定程度时，或者传感器向太阳能控制器传送thdu大于限值即逆变器进入第一控制状态时停止充电；充电完毕后，太阳能控制器向ttu传送控制信号，ttu同时接收到负载侧thdu信息和太阳能控制器指令后(保障储能模组充电)，ttu判断thdu，如果小于限值，则计算电网侧thdu，当电网侧thdu超限并持续n个工频周期时，ttu询问相应逆变器，逆变器进入第二控制状态，逆变器向ttu传送剩余容量，ttu数据采集与处理模块对配电网侧的数据进行采集，经过分析处理后，得到电网谐波电流和各个逆变器补偿谐波电流的系数，然后通过发送器传给对应的逆变器，随后多台逆变器联动补偿电网侧的谐波，当负载侧传感器检测到thdu超过限值并持续n个工频周期时，对应的逆变器退出第二控制状态，进入第一控制状态，拒绝ttu访问。

在本实施例中，第一控制状态和第二控制状态都需要计算thdu(传感器计算负载侧thdu，ttu计算电网侧thdu)和逆变器的剩余容量pr，第二控制状态需要计算各个逆变器补偿谐波的比例，具体方法如下：

根据电路原理thdu的计算公式：

un为不大于某特定阶数h的所有谐波电压的有效值、u1为基波电压分量有效值，谐波电压可以通过瞬时无功功率ip-iq法求得；

光伏并网逆变器的剩余功率可以根据逆变器的额定功率与并网功率求得：

pri＝(pi-pei)*95％(2)

pri为第i台逆变器的剩余容量，pi为第i台逆变器的额定功率，pei为第i台逆变器的并网功率，为了防止逆变器过载运行保留百分之五的功率裕度，起到保护逆变器的作用。

根据公式(2)可得：

iri＝(ii-iei)*95％(3)

ii为根据第i台逆变器的额定容量计算出来的允许通过的最大电流，iei为第i台逆变器的并网电流，iri为第i台逆变器的允许补偿电流。

当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器向逆变器发送谐波电流irefi，为防止补偿电流超限根据下式做截断电流处理：

为在逆变器指令电流中加入的负载谐波补偿电流。

第二控制状态根据各个逆变器的补偿比例计算方法如下：

电网的谐波功率为ps，pr总为工作于第二控制状态的逆变器的总剩余容量，prj为工作于第二控制状态的第j台逆变器的剩余容量，当pr总≥ps时：

当pr总＜ps时：

pr总≥ps时，所以可充分利用各个逆变器的剩余容量滤除谐波，但是电网谐波不能做到全面治理；pr总＜ps时，各个逆变器剩余容量没有充分利用，补偿电流在各台逆变器中按比例分配,可以达到剩余容量多的逆变器多补偿,剩余容量少的逆变器少补偿的目的，同时在上层控制器的协调控制下,能按实际负载侧和电网侧的thdu自行转换工作状态，优先满足用户补偿谐波的要求，并尽可能帮助治理电网谐波，具有巨大的社会效益。

由公式(6)、(7)可得补偿比例为kj，各个逆变器的补偿电流：

iref为电网侧谐波电流，irj为每个进入第二控制状态的逆变器的最大允许补偿电流，为每台处于第二控制状态的逆变器的谐波补偿电流。

当pvj+1(第j+1台逆变器)接收到进入第二控制状态指令时，ttu控制器重新计算补偿比例kj+1，整定完成后ttu控制器向所有逆变器发出新的补偿命令，j+1台同时(同步信号可为ua下个周波过零点)按新整定的比例进行补偿。

在本实施例中，第二控制状态即多逆变器联动控制不仅仅局限于联动补偿电网侧的谐波，也可以联动补偿谐波严重且不足以依靠自身逆变器剩余容量补偿谐波的用户。在并网逆变器不配备储能模组的情况下，并网逆变器依然可以工作在第一和第二控制状态，只是夜晚并网逆变器不工作。并网逆变器配备储能模组的情况，当夜晚光伏板不工作时，储能模组充当光伏并网逆变器的能量来源，逆变器按照第一和第二工作状态工作。当负载侧thdu大于限值时，传感器向逆变器发送谐波电流和thdu，同时向太阳能控制器传递thdu，逆变器验证thdu是否高于限值，超限则进入第一工作状态，储能模组为逆变器供电滤除谐波电流。当负载侧传感器检测thdu低于限值并持续n个工频周期后，向逆变器、太阳能控制器和ttu发送thdu信息，逆变器接收到thdu信息后，检验thdu是否超限，若未超限则停止第一控制状态，太阳能控制器接收到thdu信息后，太阳能控制器检测光伏板状态，当光伏板不工作时，太阳能控制器向ttu传送控制信号，ttu同时接收到负载侧thdu信息和太阳能控制器指令后，ttu判断thdu，如果小于限值，则计算电网侧thdu，当电网侧thdu超限并持续n个工频周期时，进入第二控制状态，此时第一和第二控制状态的并网功率为零，谐波补偿电流根据(4)、(8)可得。

本发明的分布式传感器根据用户分布实现自组网，ttu作为“汇聚节点”与传感器、太阳能控制器和逆变器进行双向通讯，负载侧传感器和对应的光伏并网逆变器通过ttu连接到监控平台，监控平台为后台监控服务器，用户的负载为制热设备、制冷设备或者储能设备；当逆变器处于第二控制状态，即多逆变器联动滤波控制时，光伏并网逆变器、传感器和ttu分别把当前的功率状态，实时的负载侧thdu、电压电流信息，电网侧的thdu、电压电流等信息通过通讯提供给监控平台，监控平台基于此类数据和用户的负载特性及使用情况数据做远程的大数据分析，从而实现光伏能量的消纳，充分保证用户的用电质量和并网收益，同时主动的电网谐波补偿具有巨大的社会效益。

逆变器进行滤波的逻辑控制图如图1所示，逆变器利用剩余容量滤除用户侧和电网侧的谐波，当用户侧和电网侧的谐波畸变率低于限值时，逆变器并网馈电。第一和第二控制状态都需要检测谐波电流，第一控制状态由负载侧thdu决定，第二控制状态由负载侧thdu、电网侧thdu和太阳能控制器指令共同决定。控制过程中涉及到的储能模组充放电状态以及正常并网状态不是本发明重点，故在此不再赘述。

如图2所示，为光伏发电系统的框图，逆变器利用剩余容量滤除用户侧和电网侧的谐波，当用户侧和电网侧的谐波畸变率低于限值时，逆变器并网馈电。负载侧传感器实时检测电流电压数据并计算电压谐波畸变率和谐波补偿电流，如图3所示为瞬时无功功率ip-iq原理图，该方法首先根据定义计算ip、iq，然后利用低通滤波器滤除ip、iq的交流分量，获得直流分量ip’、iq’。ip’、iq’通过逆变换得到三相电流基波分量，用采样到的总的电流信号减去滤波得到的基波信号即可得到谐波电流信号，该电流即可作为谐波补偿电流。采用电流扰动监测法评估电网线路阻抗和负载阻抗，根据公式(1)计算电压谐波畸变率。

负载侧电流补偿系统框图如图4所示，当负载侧thdu高于限值并且持续n个工频周期时，传感器计算谐波电流和thdu并向光伏并网逆变器发送谐波电流和thdu，同时向太阳能控制器传递thdu(停止充电状态)，逆变器验证thdu是否高于限值，超限则进入第一工作状态，逆变器根据公式(4)计算补偿电流，在指令电流中加入负载谐波补偿电流，滤除负载侧谐波。

当负载侧传感器检测thdu(电压谐波畸变率)低于限值并持续n个工频周期后，向逆变器、太阳能控制器和ttu发送thdu信息，逆变器接收到thdu信息后，检验thdu是否超限，若未超限则停止第一控制状态，太阳能控制器接收到thdu信息后，太阳能控制器检测光伏板的可发电量是否大于并网功率指令，当光伏板的可发电量大于并网功率时，对储能模组充电，当电池电压升到一定程度时，或者太阳能控制器接收到负载侧thdu大于限值即逆变器进入第一控制状态时停止充电。充电完毕后，太阳能控制器向ttu传送充电完毕信号，ttu同时接收到负载侧thdu信息和太阳能控制器指令后，进而ttu判断负载侧thdu，如果小于限值，则计算电网侧thdu，当电网侧thdu超限并持续n个工频周期时，ttu询问相应逆变器，逆变器进入第二控制状态，根据电网谐波电流和逆变器剩余容量，由公式(8)可得每台工作与第二控制状态逆变器的谐波补偿电流。当pvj+1(第j+1台逆变器)接收到进入第二控制状态指令时，ttu控制器重新计算补偿比例ki，整定完成后ttu控制器向所有逆变器发出新的补偿命令，j+1台同时(同步信号可为ua下个周波过零点)按新整定的比例进行补偿。

当负载侧传感器检测到thdu超过限值并持续n个工频周期时，传感器向对应的逆变器发送谐波电流数据和thdu，逆变器验证thdu是否高于限值，超限则退出第二控制状态，进入第一控制状态。

控制框图如图5所示，m台逆变器工作于第一控制状态，n-m台逆变器工作于第二控制状态。用户侧使用非线性负载导致谐波畸变率超标时，传感器向逆变器发起通信，传感器器节点模块化设计结构图如图6所示，传感器的核心是控制模块，控制模块负责完成对采集数据的处理、存储以及收发工作，并对电源模块进行管理。

ttu通信模块框图如图7所示，收发器接受来自逆变器、太阳能控制器和传感器的信息，经过滤波放大后，指令经过解调送到控制器，然后控制器通过串口将主站命令发送给数据采集与处理模块。数据采集与处理模块根据接收到的主站命令对配电变压器的数据进行采集，经过分析处理后，将数据信息和控制命令通过串口发送给通信模块的控制器，再经过调制，最后经由收发器发送给逆变器。ttu还具有故障录波的功能，电网故障时ttu快速及时地传送大量故障数据给主站，主站根据用户负载使用情况和故障时的电气数据分析故障类型，为故障预测提供数据支持。有效的通信和传感器分布保证了用户的用电质量，并且充分利用多台逆变器网络补偿电网谐波，社会效益显著，发展前景广阔。

本发明的工作原理是：

本发明基于逆变器的拓扑结构和有源滤波器具有相似性，发挥并网逆变器的剩余容量补偿负载谐波，不仅保证了用户并网收益，还提高了功率因数，防止负载谐波污染电网。多并网逆变器联动补偿电网谐波可以充分利用逆变器的剩余容量，降低电网谐波产生的一系列危害，具有巨大的社会效益。鉴于此本发明提供了一种能改善配电网电能质量的光伏逆变控制方法，包括第一控制状态和第二控制状态：第一控制状态是独立滤波控制，根据负载侧传感器传来的数据，出现非线性负载投切，当负载侧thdu(电压谐波畸变率)超限并持续n个工频周期时，光伏并网逆变器根据剩余容量在指令电流中加入负载侧的谐波电流，起到滤除负载谐波电流的作用，避免出现负载谐波影响电网电能质量的情况；第二控制状态是多逆变器联动滤波控制，以用户为单位，每个单位由光伏并网逆变器、负载、负载侧传感器和太阳能控制器组成，当负载侧的传感器计算得到的负载侧thdu低于限值并持续n个工频周期时，光伏板对储能模组充电，充电完毕后，太阳能控制器向ttu(配电变压器监测终端)传送控制指令，ttu计算电网侧thdu，当电网侧thdu超限并持续n个工频周期时，进入第二控制状态，ttu根据多台逆变器的剩余容量计算滤波比例，控制多逆变器联动补偿电网谐波电流。有益效果是降低用户侧非线性负载使用时的谐波危害，同时利用多台逆变器补偿电网谐波，解决单台逆变器补偿谐波能力不足的问题，通过多台逆变器联动控制可以充分利用各个光伏并网逆变器的剩余容量，降低改善电能质量的成本，同时保证用户收益。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。