一种基于同步机接口的双级式光伏并网架构及其控制方法

技术领域

本发明涉及新能源并网与电力系统运行领域，尤其涉及一种基于同步机接口的双级式光伏并网架构及其控制方法。

背景技术

高比例的新能源和高比例的电力电子设备接入和对传统同步机组的替代将降低电网稳定性，对系统的安全稳定运行产生不利影响。为从根本上提升高比例新能源电网的稳定性并保证新能源的正常消纳，有学者提出了新能源采用新能源同步机的并网方式，通过在新能源并网环节接入串联的同步电动机-发电机单元，使得新能源并网表现为真实的同步机接口，从而为电网提供诸如转动惯量、阻尼和短路电流等稳定支撑功能。目前针对新能源采用新能源同步机的运行控制方法也进行了一定的研究，相关文献中提出了基于源网相位差的功率控制方法；并且针对光伏并网提出了用于逆变器的直流电压反馈控制方法。

然而上述控制用于分布式光伏并网时仍存在问题，主要体现在：1)目前所提出的控制方法仅适用于光伏直接逆变并网，当外界环境条件变化时，单级式结构并网的光伏电源可能无法提供逆变所需的电压，造成光伏故障脱网；2)逆变器不仅需要控制新能源同步机还需要进行光伏功率跟踪，增大了逆变器的调节难度，导致系统可靠性降低。

因此，本申请旨在提供一种能够克服上述缺陷的基于同步机接口的双级式光伏并网架构及其控制方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种基于同步机接口的双级式光伏并网架构及其控制方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种基于同步机接口的双级式光伏并网架构，包括：位于光伏发电单元下游的直流升压电路，用于对光伏发电单元的输出端电压进行升压，并对光伏发电单元的最大功率点进行跟踪；位于所述直流升压电路下游的三相逆变电路，用于对位于三相逆变电路下游的新能源同步机系统的传输功率进行控制；控制器，用于对所述直流升压电路和所述三相逆变电路进行控制，使得当所述光伏发电单元的输出功率波动而造成光伏发电单元输入侧直流电压产生波动时，波动的直流电压会转变为输出交流电压频率的变化以调节新能源同步机系统的功角，进而改变机组的传输功率以主动跟随光伏发电单元的功率变化。

优选的，所述控制器包括：直流环节控制器，对光伏发电单元输出的电压进行升压，并对光伏发电单元的最大功率点进行跟踪，其中，所述直流环节控制器包括用于实现光伏发电单元的输入端直流电压调节的电压外环控制器和用于实现光伏发电单元的功率调节的功率内环控制器，基于所述电压外环控制器和所述功率内环控制器的协调控制使得光伏发电单元的发电功率能够通过所述新能源同步机系统送出。

优选的，所述电压外环控制器配置为：能够将光伏发电单元的输入端电压控制为设定值；将光伏发电单元的偏差调节作为光伏发电单元的功率参考值，并基于所述功率参考值来跟踪光伏发电单元的运行点，所述功率参考值P

优选的，所述功率内环控制器配置为：能够基于对直流升压电路的占空比的调节而将光伏发电单元的输出功率控制在给定值，使得新能源同步机系统或配电网的运行条件发生变化时，也能够对光伏发电单元的输入功率进行跟踪，所述占空比D能够通过公式

优选的，所述控制器还包括用于对三相逆变电路进行控制的逆变环节控制器，所述逆变环节控制器配置为：将光伏发电单元的输出端直流电压(即逆变器输入侧电压)作为控制目标，并基于变频控制的方式对逆变器电路输出三相交流电压的频率进行调节以实现对新能源同步机系统功角的控制，功角的控制过程能够基于公式

优选的，所述三相逆变电路能够基于逆变环节控制器输出的频率参考值f

优选的，所述直流升压电路包括光伏输入侧稳压电容、升压电感、第一开关管和二极管，所述光伏输入侧稳压电容用于滤波和减小光伏发电单元的输出电压的波动，升压电感和二极管在第一开关管的开通和关断作用下输出合适的占比空，以对直流侧进行升压。

优选的，所述电压外环控制器的光伏输入端电压参考值能够是设定值V

优选的，所述新能源同步机系统包括串联的电动机、发电机和励磁系统，所述电动机接入所述三相逆变电路，所述发电机接入所述配电网，其中，三相逆变电路能够驱动电动机，电动机拖动所述发电机并网，所述励磁系统为电动机和发电机励磁，所述新能源同步机通过所述升压变压器并入配电网，升压变压器的变比取决于发电机和配电网的额定电压。

本申请还提供一种基于同步机接口的双级式光伏并网控制方法，包括如下步骤：配置位于光伏发电单元下游的直流升压电路，用于对光伏发电单元输出的电流进行升压，并对光伏发电单元的最大功率点进行跟踪；配置位于所述直流升压电路下游的三相逆变电路，用于对位于三相逆变电路下游的新能源同步机系统的传输功率进行控制；配置控制器，用于对所述直流升压电路和所述三相逆变电路进行控制，使得当所述光伏发电单元的输出功率波动而造成光伏发电单元输入侧直流电压产生波动时，波动的直流电压会转变为输出交流电压频率的变化以调节新能源同步机系统的功角，进而改变机组的传输功率以主动跟随光伏发电单元的功率变化。

本发明具有以下优点：

(1)本发明所提出的基于新能源同步机的双级式光伏并网结构可以克服传统单级式结构运行点范围窄，可靠性不足的缺点，在提升光伏并网稳定性的同时也保证系统运行的可靠性。

(2)针对该架构提出的并网控制方法使得直流升压环节实现直流侧的升压和光伏最大功率跟踪，逆变环节用于新能源同步机传输功率的控制，降低各环节控制的复杂度，使新能源同步机更适用于分布式光伏并网。

(3)光伏采用新能源同步机系统并网可以为电网提供惯量、无功支撑等功能。

附图说明

本发明有如下附图：

附图用于更好地理解本发明，不构成对本发明的不当限定。其中：

图1本发明的基于同步机接口的双级式光伏并网架构的结构示意图。

图2双级式光伏并网架构对应的电路拓扑。

图3直流环节控制器的工作原理示意图。

图4逆变环节控制器的工作原理示意图。

图中，1-光伏发电单元、2-直流升压电路、3-三相逆变电路、4-新能源同步机系统、5-升压变压器、6-配电网、7-控制器、401-电动机、402-发电机、403-转子、404-励磁系统、201-光伏输入侧稳压电容、202-升压电感、203-第一开关管、204-二极管、701-直流环节控制器、702-逆变环节控制器、701-1-电压外环控制器、701-2-功率内环控制器、702-1-频率控制器、301-三相逆变电路输入侧稳压电容、302-第二开关管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。所述详细说明，为结合本发明的示范性实施例做出的说明，其中包括本发明实施例的各种细节以助于理解，应当将它们认为仅仅是示范性的。因此，本领域技术人员应当认识到，可以对这里描述的实施例做出各种改变和修改，而不会背离本发明的范围和精神。同样，为了清楚和简明，以下的描述中省略了对公知功能和结构的描述。

本发明给出了如图1所示，本申请提供一种基于同步机接口的双级式光伏并网架构，主要包括：光伏发电单元1、直流升压电路2、三相逆变电路3、新能源同步机系统4、升压变压器5和配电网6。光伏发电单元1采用直流升压加直交逆变的两级式结构，然后通过新能源同步机系统4并网。直流升压电路2实现光伏升压和最大功率点跟踪，三相逆变电路3实现新能源同步机系统4的传输功率控制，再通过两环节的协调控制将光伏功率送入配电网6。

优选的，如图2所示，新能源同步机系统4的主体包括串联的电动机401、发电机402和励磁系统404，电动机401和发电机402的各自的转子403通过联轴器同轴联接。电动机401接入三相逆变电路3，发电机402接入配电网6。正常运行时，三相逆变电路3驱动电动机401，电动机401拖动发电机402并网，励磁系统404为电动机401和发电机402励磁。新能源同步机4通过升压变压器5并入配电网6，升压变压器的变比取决于发电机402和配电网6的额定电压。直流升压电路2主要包括光伏输入侧稳压电容201、升压电感202、第一开关管203和二极管204。光伏输入侧稳压电容201用于滤波和减小光伏输入电压的波动，升压电感202和二极管204在第一开关管203的开通和关断作用下输出合适的占比空，对直流侧进行升压。双级式光伏并网架构还包括控制器7，控制器7包括直流环节控制器701和逆变环节控制器702。直流环节控制器701实现光伏发电单元1的直流升压和最大功率跟踪，将光伏发电单元1侧较低的直流电压转换为满足逆变要求的电压；同时稳定光伏发电单元1输入侧电压并按照最大功率跟踪算法寻找当前运行条件下光伏的最大功率运行点。逆变环节控制器702实现新能源同步机4的传输功率控制，由于直流升压电路2可以保证三相逆变电路3所需的直流电压，因此三相逆变电路3只需控制新能源同步机系统4的功角即可实现传输功率的控制。

优选的，如图3和图4所示，直流升压控制环节包括电压外环控制器701-1和功率内环控制器701-2，所述逆变控制环节包括频率控制器702-1。直流升压电路2采用双环控制，电压外环控制器701-1用于实现光伏输入电压控制，功率内环控制器701-2用于实现光伏功率控制。电压外环控制器701-1和功率内环控制器701-2通过控制策略的协调使得光伏发电功率可以通过新能源同步机系统送出。

优选的，电压外环控制器701-1的原理可表示为式(1)，其原理是将光伏输入端电压控制在设定值，然后由光伏电压的偏差调节作为光伏功率参考值，以此来跟踪光伏运行点。其中，V

进一步，电压外环控制器701-1的光伏电压参考值V

优选的，功率内环控制器701-2原理可表示为式(2)，其原理是通过调节直流升压电路的占空比将光伏的输出功率控制在给定值，以此实现新能源同步机系统或配电网运行条件变化时也能跟踪光伏的输入功率。其中，P

进一步，功率内环控制器701-2计算输出的占空比D信号通过与载波信号比较后得到控制直流升压电路的第一开关管203开通和关断的触发信号S。

优选的，三相逆变电路3为三相全桥逆变器电路。三相逆变电路3包括三相逆变电路输入侧稳压电容301和若干个第二开关管302。三相逆变电路3采用变频控制，通过以光伏输出侧直流电压为控制目标，调节输出交流电压的频率实现对新能源同步机系统4功角的控制。其控制原理可表示为式(3)和(4)。其中，V

f

进一步，所述频率控制器设定的直流电压参考值V

优选的，通过采用上述控制方式可以使直流升压电路2、三相逆变电路3与新能源同步机系统4协调运行，其中各部分协调运行的机制在于：当光伏发电单元1的输出功率波动时，会造成光伏输入侧直流电压的波动，进而造成光伏输入侧电容的充放电，而短时间内并网功率尚未发生变化，该不平衡功率又会造成光伏发电单元1的输出侧电容充放电；然后在逆变控制的作用下，波动的直流电压会转变为输出交流电压频率的变化，调节新能源同步机系统4的功角，改变机组的传输功率从而主动跟随光伏发电单元1的功率变化。光伏并网系统的有功功率主要由两级电力电子电路调节，而无功和电压调节由励磁系统404实现。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

显然，本发明的上述实例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。