[发明专利]基于光储发电系统的电网黑启动方法

摘要

本发明公开了一种基于光储发电系统的电网黑启动方法，包括A）对单向Boost的PWM变换器调制信号进行扰动观察，使光伏阵列实现快速跟踪负荷功率变化，且光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率；B）对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定；C）根据恒压恒频的V/f控制策略和d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪；D）通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动。本发明利用光储发电系统对断电后的电网进行逐步恢复的功能，保证了黑启动过程中电网电压幅值和频率的稳定性，具有良好的应用前景。

主权项

1.基于光储发电系统的电网黑启动方法，其特征在于：应用于采用两级式并网发电系统结构上：光伏阵列和储能单元系统分别通过单向和双向DC/DC变换器并入800V直流母线，然后由三相全桥整流逆变器将直流逆变为380V交流电，包括以下步骤，步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，并对单向Boost的PWM变换器调制信号进行扰动观察，使光伏阵列实现快速跟踪负荷功率变化，且光伏阵列功率输出逐渐趋近于负荷需求功率；步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定；步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪；步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动；其中，步骤(A)，基于改进MTTP策略的光伏阵列单向Boost变换器控制策略，具体如下，(A1)光伏阵列功率输出小于负荷需求功率时，光伏发电采取MPPT模式输出，不足功率由储能单元提供补偿；(A2)光伏阵列功率输出大于负荷需求功率时，光伏发电采取限功率模式输出，光伏阵列功率输出等于负荷需求功率；步骤(B)，基于电压外环控制结构的双向Buck/Boost变换器控制策略，对储能单元部分进行控制，并通过控制晶闸管的PWM调制信号来维持直流母线电压的稳定，具体如下，(B1)当光伏阵列功率输出高于负荷需求功率时，则多余的功率向储能单元充电；(B2)当光伏阵列功率输出低于负荷需求功率时，则储能单元向双向Buck/Boost变换器放电，采用电压外环控制结构，通过控制作用在晶闸管的PWM调制信号，维持直流母线电压的稳定，保光伏阵列功率输出、负荷需求功率的实时平衡；步骤(C)，根据恒压恒频的V/f控制策略，控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定，并基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，包括以下步骤，(C1)根据恒压恒频的V/f控制策略，通过设置电压参考值的虚拟锁相环进行恒压恒频的控制，保证光储发电系统内逆变器输出的电压和频率保持在恒定值，实现控制黑启动过程中逆变器输出电压幅值和频率的稳定；(C2)基于d、q旋转坐标系下改进的双环控制，实现对电压幅值和频率的快速调节和实时跟踪，在旋转d、q坐标系下采用双环控制，d轴和q轴的控制器设计一致，且两个轴可分开单独控制，根据电路原理，逆变器方程，如公式(1)所示，其中，L为滤波电感、C为滤波电容值，iLn为输出电流即为滤波电感电流、vn为逆变器桥输出电压、un为负载电压即为滤波电容电压、i0n为流向微电网馈线的电流、iZn为负载电流；设电流内环比例控制器在S域下的传递函数为k，电压外环比例积分控制器在S域下的传递函数为kup+kul/S，其中，kup为可调比例系数，kui 为可调比例系数与可调积分时间常数的比，SPWM控制逆变器传递函数为kpwm，取kpwm＝Vdc/2，Vdc为逆变器直流侧电压；逆变器为强耦合系统，为了分开建立d轴和q轴的控制器，在逆变器方程中加入‑ωCud‑ref、ωCuq‑ref两个前馈解耦环节，构成单轴逆变器的S域控制函数，前馈解耦环节中，ω为电网系统的参考角频率，C为滤波电容值，ud‑ref为d轴参考电压，uq‑ref为q轴参考电压，若参考电压为三相对称的基频正弦波，则d轴参考电压ud‑ref为基波幅值，q轴参考电压uq‑ref＝0，电流内环以iCn‑ref为单轴逆变器输入，iCn为单轴逆变器输出，其在S域下的传递函数，如公式(2)所示，电流比例增益传递函数Gi(S)，如公式(3)所示，电压外环以un‑ref为单轴逆变器输入，un为单轴逆变器输出，两者之间的传递函数，如公式(4)所示，根据公式(2)和公式(4)，得到公式(5)，un＝Gu(S)un‑ref‑Z(S)(iOn+iZn)     (5)其中，电压比例增益传递函数为下式，单轴逆变器的等效输出阻抗为下式，根据公式(1)‑公式(5)，得到双环控制的闭环传递函数是一个三阶系统，采用极点配置法进行控制器的参数配置，双环控制系统的闭环特征根D(S)，如公式(6)所示，双环控制系统的期望特征方程，如公式(7)所示，其中，为主导闭环期望极点，S₃＝‑mξω_r为非主导闭环期望极点，m为开环极点数，ω为参考角频率，ω_r为自然振荡频率，ξ为期望阻尼比，对比公式(6)和公式(7)，得到公式(8)，整理后，得到公式(9)，步骤(D)，基于光储发电系统的电网黑启动方法，并通过一次性合闸方法对长距离空载输电线进行充电后再启动厂用异步电动机，实现电网的黑启动，包括以下步骤，(D1)对长距离空载输电线进行充电在黑启动过程中，光储发电系统作为黑启动电源，需要对长距离空载输电线充电并带动厂用机组发电，恢复电力系统中的主力机组，实现逐步恢复电力系统供电，在空充长距离空载输电线时，其电容效应使得长距离空载输电线末端电压远高于首端电压，此时，工频过电压的大小将直接影响过电压的幅值，进而影响电气设备的绝缘、运行性能以及保护电器的工作条件，在电力设备绝缘中，根据DL/T620‑1997过电压保护标准对过电压倍数操作，在光储发电系统作为黑启动电源时，采用一次性合闸方式对长距离空载输电线进行充电；(D2)启动电厂异步电动机在对长距离空载输电线充电的过程中，若工频过电压和操作过电压均在DL/T620‑1997规定范围内，光储发电系统在对长距离空载输电线充电后启动异步电动机。