無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升方法及系統(tǒng)與流程

本發(fā)明涉及光伏發(fā)電，具體為一種無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、當前可再生能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了迅猛的發(fā)展。光伏發(fā)電是可再生能源的重要組成部分，也是發(fā)展最為快速的。截止2023年底，全球光伏累計裝機容量達到了1412gw。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率受到光照強度影響較大，其輸出功率往往小于光伏逆變器額定容量，尤其是在陰雨、多云等天氣，以及夜晚等時間段內(nèi)，光伏發(fā)電系統(tǒng)常常工作在低功率狀態(tài)。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機容量的不斷提升，充分挖掘和利用光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量具有極大的收益和前景。

2、隨著電力電子變換與半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，配電網(wǎng)中接入了大量的非線性負載，導(dǎo)致系統(tǒng)電能質(zhì)量問題日益突出，嚴重影響了配電網(wǎng)用戶的正常工作。解決上述問題的常規(guī)手段是配置一定容量的有源電力濾波器和無功補償設(shè)備，然而該方法增加了投資成本。由于光伏并網(wǎng)逆變器與電能質(zhì)量治理裝備的主電路拓撲以及控制方式類似，因此在光伏逆變器上增加電能質(zhì)量治理功能，并充分利用光伏并網(wǎng)逆變器的可調(diào)節(jié)剩余容量，能夠減少傳統(tǒng)電能質(zhì)量治理裝備配置。目前相關(guān)學者已經(jīng)對上述問題展開了研究，然而傳統(tǒng)方法仍然存在一些問題，如傳統(tǒng)方法通常使用基于瞬時無功功率理論的諧波和無功電流檢測方法，該方法使用低通濾波器，將會在光伏逆變器控制中引入延遲環(huán)節(jié)，降低動態(tài)響應(yīng)速度，且需要同步鎖相環(huán)，增加了控制復(fù)雜度。此外，常規(guī)方法在實現(xiàn)多個電能質(zhì)量目標協(xié)同時，通常采用優(yōu)先級順序，在剩余容量較小時，僅能滿足單一電能質(zhì)量治理目標。因此現(xiàn)有方法仍不完善，需要進一步深入探索和研究。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升方法及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中延遲大，控制響應(yīng)速度慢，需要鎖相環(huán)，以及電能質(zhì)量治理目標協(xié)同差的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供了一種無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升方法，包括：

4、采集光伏發(fā)電系統(tǒng)三相并網(wǎng)點的電流信號和電壓基波分量，并對所述電流信號處理得到并網(wǎng)點的電流基波分量和電流諧波分量，根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流基波分量和電壓基波分量確定基波無功功率；

5、根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流諧波分量和所述基波無功功率分別確定諧波抑制所需容量和無功補償所需容量；

6、獲取光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量以及所述諧波抑制所需容量和所述無功補償所需容量進行優(yōu)化確定諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)；

7、將所述諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)傳輸至光伏逆變器中得到電流內(nèi)環(huán)參考指令，根據(jù)所述電流內(nèi)環(huán)參考指令執(zhí)行電流內(nèi)環(huán)控制算法確定光伏并網(wǎng)逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖，完成光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升。

8、優(yōu)選的，所述并對所述電流信號處理得到并網(wǎng)點的電流基波分量和電流諧波分量的步驟，具體包括：對所述電流信號輸送至多復(fù)數(shù)濾波器檢測并通過clarke變換得到電流基波分量和電流諧波分量。

9、優(yōu)選的，所述根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流基波分量和電壓基波分量確定基波無功功率的步驟中，基波無功功率的公式如下：

10、

11、式中：qf為基波無功功率；eα和eβ分別為并網(wǎng)點電壓基波α、β軸分量；iα為并網(wǎng)電流的α軸分量；iβ為并網(wǎng)電流的β軸分量。

12、優(yōu)選的，所述根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流諧波分量和所述基波無功功率分別確定諧波抑制所需容量和無功補償所需容量的步驟中，所述諧波抑制所需容量的確定過程如下：

13、根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流諧波分量確定得到諧波電流有效值，并根據(jù)所述諧波電流有效值確定得到總諧波畸變率，根據(jù)所述總諧波畸變率在畸變條件下的諧波功率與諧波電流有效值確定得到諧波抑制所需容量，具體公式如下：

14、

15、其中， d為諧波功率； u為并網(wǎng)點電壓有效值； ih為諧波電流的有效值；

16、所述無功補償所需容量的確定過程如下：

17、根據(jù)諧波功率在畸變條件下確定得到無功功率，根據(jù)無功功率確定無功補償所需容量，具體公式如下：

18、

19、其中， spvr為無功功率補償所需容量； iα1和 iβ1分別為并網(wǎng)電流基波α軸和β軸分量；eα和eβ分別為并網(wǎng)點電壓基波α、β軸分量； qf為無功功率。

20、優(yōu)選的，所述獲取光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量的具體過程如下：

21、檢測當前光伏并網(wǎng)逆變器的輸出有功功率和無功功率，并計算當前視在功率，公式如下：

22、

23、式中： spv為光伏發(fā)電單元當前視在功率； ppv為光伏發(fā)電單元輸出有功功率； qpv為光伏發(fā)電單元輸出無功功率；

24、將光伏發(fā)電系統(tǒng)額定容量減去當前容量得到光伏發(fā)電單元剩余容量，公式如下：

25、

26、式中： spvn為光伏發(fā)電單元額定容量； spvt為光伏發(fā)電單元剩余容量。

27、優(yōu)選的，所述對光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量以及所述諧波抑制所需容量和所述無功補償所需容量進行優(yōu)化確定諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)的具體過程如下：

28、設(shè)定約束條件包括：

29、 spvt≥ spvh+ spvr；

30、 spvt< spvh+ spvr；

31、當光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量以及所述諧波抑制所需容量和所述無功補償所需容量滿足 spvt≥ spvh+ spvr時，則諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)均為1；

32、當光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量以及所述諧波抑制所需容量和所述無功補償所需容量滿足 spvt< spvh+ spvr時，則諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)通過優(yōu)化算法得到。

33、進一步的，所述諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)通過優(yōu)化算法得到的具體過程如下：

34、根據(jù)諧波抑制所需容量和無功補償所需容量確定諧波抑制和無功補償綜合電能質(zhì)量指標實際值；

35、構(gòu)建諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)優(yōu)化模型，將諧波抑制和無功補償綜合電能質(zhì)量指標實際值在最優(yōu)補償系數(shù)優(yōu)化模型中依據(jù)遺傳優(yōu)化求解得到諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)。

36、優(yōu)選的，所述將所述諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)傳輸至光伏逆變器中得到電流內(nèi)環(huán)參考指令的步驟中，具體過程如下：

37、獲取光伏逆變器輸出有功功率指令，根據(jù)光伏逆變器輸出有功功率指令基于瞬時無功功率理論計算得到光伏逆變器有功和無功電流α、β軸分量，生成光伏逆變器電流參考值；

38、根據(jù)瞬時無功功率理論計算得到無功補償所需電流α、β軸分量，生成無功補償所需電流的電流參考值；

39、根據(jù)多復(fù)數(shù)濾波器所檢測的諧波電流計算得到諧波抑制所需電流的α、β軸分量，生成諧波抑制所需電流的電流參考值；

40、將光伏逆變器電流參考值與無功補償所需電流的電流參考值以及諧波抑制所需電流的電流參考值得加得到電流內(nèi)環(huán)參考值。

41、優(yōu)選的，所述根據(jù)所述電流內(nèi)環(huán)參考指令執(zhí)行電流內(nèi)環(huán)控制算法確定光伏并網(wǎng)逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖的步驟中，其中根據(jù)所述電流內(nèi)環(huán)參考指令執(zhí)行電流內(nèi)環(huán)控制算法得到光伏逆變器的調(diào)制信號的α、β軸分量，表達式如下：

42、

43、

44、

45、式中， iα和 iβ分別為并網(wǎng)點電流的α軸和β軸分量； gpmr(s)為比例多諧振調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)； kpr和 kir分別為電流內(nèi)環(huán)控制比例系數(shù)和諧振系數(shù)； n為諧波次數(shù)； ω為基波角頻率； uα和 uβ分別為調(diào)制信號的α軸和β軸分量；

46、根據(jù)所述光伏逆變器的調(diào)制信號的α、β軸分量確定光伏并網(wǎng)逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖的具體過程如下：

47、將光伏逆變器的調(diào)制信號的α、β軸分量經(jīng)過反clarke變換得到三相調(diào)制信號，再經(jīng)過正弦脈寬調(diào)制策略模塊得到光伏并網(wǎng)逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖。

48、第二方面，本發(fā)明提供了一種無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升系統(tǒng)，包括：

49、多復(fù)數(shù)濾波器處理模塊，用于采集光伏發(fā)電系統(tǒng)三相并網(wǎng)點的電流信號和電壓基波分量，并對所述電流信號處理得到并網(wǎng)點的電流基波分量和電流諧波分量，根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流基波分量和電壓基波分量確定基波無功功率；

50、電能質(zhì)量提升所需容量處理模塊，用于根據(jù)所述并網(wǎng)點的電流諧波分量和所述基波無功功率分別確定諧波抑制所需容量和無功補償所需容量；

51、最優(yōu)補償參數(shù)求解模塊，用于獲取光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的剩余容量以及所述諧波抑制所需容量和所述無功補償所需容量進行優(yōu)化算法確定諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)；

52、電能質(zhì)量協(xié)同提升處理模塊，用于將所述諧波抑制和無功補償?shù)淖顑?yōu)補償系數(shù)傳輸至光伏逆變器控制算法中得到電流內(nèi)環(huán)參考指令，根據(jù)所述電流內(nèi)環(huán)參考指令執(zhí)行電流內(nèi)環(huán)控制算法確定光伏并網(wǎng)逆變器開關(guān)器件的驅(qū)動脈沖，完成光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升。

53、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

54、本發(fā)明提供了一種無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升方法，利用光伏發(fā)電單元的剩余無功容量實現(xiàn)無功補償和諧波抑制，在剩余容量最夠大時，采用全補償策略，最大限度的提升電能質(zhì)量；在剩余容量不足時，通過優(yōu)化算法獲取兩個電能質(zhì)量治理目標的最優(yōu)補償系數(shù)，實現(xiàn)綜合電能質(zhì)量目標協(xié)同提升。本發(fā)明從控制層面使得光伏發(fā)電系統(tǒng)具備電能質(zhì)量治理功能，充分發(fā)揮和利用現(xiàn)有可調(diào)節(jié)資源，降低了配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理裝備投資成本。

55、進一步的，通過精確檢測并網(wǎng)點電流的基波和諧波分量，并據(jù)此進行諧波抑制和無功補償，能夠顯著降低并網(wǎng)電流的諧波畸變率，提高功率因數(shù)，從而顯著提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。這對于保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行、減少電網(wǎng)損耗具有重要意義。

56、進一步的，本發(fā)明利用光伏逆變器的剩余容量進行諧波抑制和無功補償，而非額外增加設(shè)備，有效提高了設(shè)備利用率和整體系統(tǒng)的經(jīng)濟性。同時，通過優(yōu)化算法確定最優(yōu)補償系數(shù)，確保了補償效果的最大化，避免了過補償或欠補償?shù)膯栴}。

57、進一步的，本發(fā)明不依賴于鎖相環(huán)，因此在電網(wǎng)電壓波動或畸變的情況下，能夠更快速地響應(yīng)并調(diào)整逆變器的輸出，增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。這對于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下的適應(yīng)能力具有重要意義。本發(fā)明去除了鎖相環(huán)等復(fù)雜元件，簡化了光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本和維護難度。同時，也減少了因鎖相環(huán)故障而引發(fā)的系統(tǒng)問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

58、本發(fā)明還提供了一種無鎖相環(huán)的光伏發(fā)電系統(tǒng)多電能質(zhì)量協(xié)同提升系統(tǒng)，在各個模塊協(xié)同下通過精確檢測并網(wǎng)點電流的基波和諧波分量，并據(jù)此進行諧波抑制和無功補償，顯著降低了并網(wǎng)電流的總諧波畸變率，提高了功率因數(shù)，從而全面提升了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，通過多復(fù)數(shù)濾波器檢測電流分量，并結(jié)合光伏逆變器剩余容量狀態(tài)和優(yōu)化算法確定最優(yōu)補償系數(shù)，實現(xiàn)電能質(zhì)量的動態(tài)優(yōu)化，采用無鎖相環(huán)的設(shè)計，避免了傳統(tǒng)方法中鎖相環(huán)可能帶來的延遲和誤差，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和準確性。同時，減少了硬件成本和維護難度，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。