CN111384727A - 一种多路并网发电系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种多路并网发电系统及其控制方法，在减少各升压变压器的空载损耗的前提下，降低了系统成本。该系统中的多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路，所述集电线路的一端通过一开关器件接入电网，所述开关器件的分合闸由一控制单元控制。所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向所述开关器件发出分闸指令；在所述开关器件分闸状态下，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，建立交流电压，使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，然后所述控制单元向所述开关器件发出合闸指令以及其余能量转换装置作为电流源启动运行，向电网输送能量。

Description

一种多路并网发电系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种多路并网发电系统及其控制方法。

背景技术

在某些应用场合下，能量转换装置将前级电源的能量(例如太阳能、风能或电池储能等)进行转换之后，需要通过升压变压器将能量馈送到电网中。在前级电源的能量供应不足的情况下，能量转换装置进入非运行状态，而此时升压变压器若是仍与电网相连接则会产生很大的空载损耗。因此，现有技术在升压变压器与电网之间增设了一开关器件，该开关器件的分合闸由一控制单元控制，如图1所示，在能量转换装置非运行时切断升压变压器与电网的连接，从而减少空载损耗。

上述增设开关器件的方案是专门针对单路并网发电系统设计的。而对于多路并网发电系统来说，多路电源各自通过一路能量转换装置、一路升压变压器并联至同一条集电线路L1，然后实现电网，如图2所示，如果为每一条并网支路都单独设置一个开关器件和一个控制单元，则系统硬件成本太高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多路并网发电系统及其控制方法，以实现在减少各升压变压器的空载损耗的前提下，降低系统硬件成本。

一种多路并网发电系统，其中，多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路，所述集电线路的一端通过一开关器件接入电网，所述开关器件的分合闸由一控制单元控制；

所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向所述开关器件发出分闸指令；

在所述开关器件分闸状态下，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，建立交流电压，使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，然后所述控制单元向所述开关器件发出合闸指令以及其余能量转换装置作为电流源启动运行，向电网输送能量。

可选的，所述控制单元通过与集控室或者各能量转换装置进行信息交互，来判断各能量转换装置是否均进入非运行状态。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，所述使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，是指：使得电压源的相位和幅值稳定在预设水平；

所述预设水平是指：电压源输出电压的相位θ_m与电网电压的相位θ_Tp满足θ_Tp＝θ_m+Δθ，并且电压源输出电压的幅值U_m与电网电压的幅值U_Tp满足U_Tp＝k*U_m；其中，Δθ为所述开关器件两端电压之间的允许相位偏差，k为电压扰动系数，k的取值由所述开关器件两端电压之间的允许幅值偏差以及电压源交流侧的升压变压器的变比共同决定。

可选的，在上一多路并网发电系统中，电压源启动运行过程中，以自身实际输出电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位，或者以同一并网支路上的升压变压器的励磁电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位，或者以其余任一路能量转换装置交流侧电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，所述其余能量转换装置作为电流源启动运行，包括：

其余能量转换装置在所述开关器件合闸前作为电流源启动运行；

或者，其余能量转换装置在所述开关器件合闸后作为电流源启动运行；

或者，将其余能量转换装置分为两批，一批在所述开关器件合闸前作为电流源启动运行、另一批在所述开关器件合闸后作为电流源启动运行。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，所述开关器件合闸后，电压源切换为电流源继续投入运行。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，所述至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，包括：一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行；或者，多路能量转换装置在满足启动条件时均作为电压源一起启动运行，互为备用；或者，先让一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，若这一路能量转换装置作为电压源启动运行后不能建立符合要求的交流电压，再让另外一路或多路能量转换装置在满足启动条件时均作为电压源一起启动运行。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，在电压源启动运行过程中，通过电压互感器实时采样电网电压的幅值和相位。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，所述电压互感器连接在所述多路并网发电系统的环网与电网之间，所述控制单元为所述环网中的一个节点，所述环网的取电方式包括：经过所述电压互感器从电网取电。

可选的，在上述公开的任一种多路并网发电系统中，所述开关器件为高压接触器或者分接开关器件。

一种多路并网发电系统的控制方法，其中，在所述多路并网发电系统中，多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路，所述集电线路的一端通过一开关器件接入电网，所述开关器件的分合闸由一控制单元控制；

所述控制方法包括：

所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向所述开关器件发出分闸指令；

在所述开关器件分闸状态下，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，建立交流电压，使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，然后所述控制单元向所述开关器件发出合闸指令以及其余能量转换装置作为电流源启动运行，向电网输送能量。

从上述的技术方案可以看出，本发明让各路并网支路共用一个开关器件和一个控制单元，降低了系统硬件成本。在系统并网发电时，所述控制单元在各能量转换装置均进入非运行状态后控制所述开关器件分闸，切断了各升压变压器与电网的连接，从而减少了各升压变压器的空载损耗。在系统离网后，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，一方面使集电线路电压的相位和幅值与电网电压的相位和幅值近似相等，一方面为系统提供电压幅值和频率支撑，这样开关器件闭合瞬间就不会产生电流冲击，系统也可以平稳地恢复到并网发电状态，保证正常供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术公开的一种单路并网发电系统结构示意图；

图2为现有技术公开的一种多路并网发电系统结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种多路并网发电系统结构示意图；

图4为本发明实施例公开的又一种多路并网发电系统结构示意图；

图5为本发明实施例公开的一种多路并网发电系统的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图3所示，本发明实施例公开了一种多路并网发电系统，其中：多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路L1，集电线路L1的一端通过一开关器件K接入电网，开关器件K例如可以是高压接触器或者分接开关器件等，开关器件K的分合闸由一控制单元控制。所述控制单元在多路并网发电系统中至少参与如下控制逻辑(1)和(2)。

(1)系统并网状态下的控制逻辑：

当开关器件K处于合闸状态时，多路并网发电系统处于并网状态。在系统并网状态下，所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向开关器件K发出分闸指令。

具体的，每路能量转换装置都具有各自的控制系统，所述控制系统作为能量转换装置的一部分，用于监控能量转换装置主电路的运行状态并与集控室进行信息交互。在能量转换装置前级电源能量低于本能量转换装置要求的预设值时，本能量转换装置的主电路在自身控制系统的独立控制下或者在集控室的集中控制下，进入非运行状态。所述控制单元可以通过与各能量转换装置进行信息交互(实质是与各能量转换装置的控制系统进行信息交互)或者集控室进行信息交互，来判断各能量转换装置是否均进入了非运行状态。

所述控制单元在通过上述任意一种方式或者其他方式判断得到各能量转换装置均进入非运行状态后，控制开关器件K分闸，切断各升压变压器与电网的连接，从而能够减少各升压变压器的空载损耗，提高了多路并网发电系统的整体效率。

(2)系统离网状态下的控制逻辑：

所述控制单元控制开关器件K分闸后，多路并网发电系统进入离网状态。在系统离网状态下，至少一路能量转换装置在满足启动条件时(满足启动条件是指本能量转换装置前级电源能量不低于本能量转换装置要求的预设值并且集控室不禁止本能量转换装置启动)作为电压源启动运行，建立交流电压，使得开关器件K两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，然后所述控制单元向开关器件K发出合闸指令以及其他能量转换装置作为电流源启动运行(所述其他能量转换装置，是指除电压源外，前级电源能量不低于相应能量转换装置要求的预设值并且集控室不禁止其启动的能量转换装置)，向电网输送能量。

具体的，根据运行模式的不同，能量转换装置可分为作为电压源的能量转换装置和作为电流源的能量转换装置两种。所谓作为电压源的能量转换装置，就是指运行于V/F(电压/频率)模式的能量转换装置，其在微电网离网状态下(也即微电网失去了大电网提供的电压幅值和频率支撑的情况下)输出稳定不变的电压幅值和频率，为整个微电网提供电压幅值和频率支撑。所谓作为电流源的能量转换装置，就是指运行于P/Q(有功/无功功率)的能量转换装置，其在微电网有电压幅值和频率支撑的情况下，通过控制自身输出电流的大小直接控制自身输出有功和无功功率的大小。在本发明实施例中，所述多路并网发电系统即为微电网，微电网通过开关器件K连接到大电网。

在开关器件K两端电压的相位或幅值相差较大的情况下，开关器件K合闸瞬间会产生很大的冲击电流，降低相关器件寿命甚至损坏器件。因此，本发明实施例在能量转换装置前级电源能量充足的条件下，先让至少一路能量转换装置作为电压源启动运行，电压源启动运行过程中会对同一并网支路上的升压变压器进行励磁，将该升压变压器的励磁电压的幅值和相位稳定在与电网电压的幅值和相位基本相等的水平，此后再由所述控制单元控制开关器件K合闸，开关器件K合闸瞬间不会产生冲击电流。

其中，在该升压变压器的变比固定不变的情况下，该升压变压器的励磁电压的幅值和相位就是由电压源输出电压的幅值和相位所决定的，此时，将该升压变压器的励磁电压的幅值和相位稳定在与电网电压的幅值和相位基本相等的水平，也即是将电压源的幅值和相位稳定在预设水平。所述预设水平是指：电压源输出电压的相位θ_m与电网电压的相位θ_Tp之间满足θ_Tp＝θ_m+Δθ，并且电压源输出电压的幅值U_m与电网电压的幅值U_Tp之间满足U_Tp＝k*U_m；其中，Δθ为该升压变压器的励磁电压的相位与θ_Tp之间的允许相位偏差(即开关器件K两端电压之间的允许相位偏差)，k为电压扰动系数，k的取值由该升压变压器的励磁电压的幅值与U_Tp之间的允许幅值偏差(即开关器件K两端电压之间的允许幅值偏差)以及该升压变压器的变比共同决定。

电压源将自身输出电压稳定在θ_Tp＝θ_m+Δθ的过程，称为锁相，锁相的同时就是锁频，要固定相位，必须频率一致。

电压源启动运行过程中，可以以自身实际输出电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位，也可以以同一并网支路上的升压变压器的励磁电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位，也可以以其余任一路能量转换装置交流侧电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位(由于所有升压变压器并联于同一集电线路L1上，电压源交流侧电压对同一并网支路上的升压变压器进行励磁后，励磁电压会对其余升压变压器进行励磁，其余任一路升压变压器的励磁电压的幅值和相位与电压源实际输出电压的幅值和相位具有固定的对应关系，根据该对应关系可以计算得到电压源实际输出电压的幅值和相位)，并不局限。

开关器件K合闸前由电压源为整个微电网建立电压幅值和频率支撑，开关器件K合闸后由外电网为微电网提供电压幅值和频率支撑，可见无论是开关器件K合闸前还是合闸后，微电网均有电压幅值和频率支撑。所以，除电压源外的其余能量转换装置可以在开关器件K合闸前作为电流源启动运行；也可以在开关器件K合闸后作为电流源启动运行；也可以分为两批，一批在开关器件K合闸前作为电流源启动运行、另一批在开关器件K合闸后作为电流源启动运行，并不局限。

可选的，所述至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，可以是一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行；也可以是多路能量转换装置在满足启动条件时均作为电压源一起启动运行，互为备用；也可以是先让一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，若这一路能量转换装置作为电压源启动运行后不能建立符合要求的交流电压，再让另外一路或多路能量转换装置在满足启动条件时均作为电压源一起启动运行。

可选的，在上述公开的任一实施例中，由于开关器件K合闸后，微电网也就有了大电网提供的电压幅值和频率支撑，所以电压源可以切换为电流源继续投入运行，为电网提供有功和无功功率。

可选的，在上述公开的任一实施例中，作为电压源的能量转换装置可以是事先指定的固定一路或几路能量转换装置，也可以是随机指定的一路或几路能量转换装置，也可以是在各能量转换装置参与竞争后最终竞争胜出的一路或几路能量转换装置，并不局限。例如，哪一路能量转换装置的输入侧电压最先达到本路能量转换装置的工作电压，哪一路能量转换装置就是最先竞争胜出的能量转换装置，最先获得作为电压源的资格。

电压源启动运行过程中，必然是要实时获取电网电压的相位和幅值的。可选的，参见图4，电网电压可以通过一接在所述控制单元与电网之间的电压互感器PT进行采样。

可选的，在上述公开的任一实施例中，所述多路并网发电系统的环网(所述控制单元及各能量转换装置的控制系统均是环网中的节点)的取电方式至少有以下三种：(1)从任意一路或几路能量转换装置的输入侧取电；(2)从电网取电；(3)在从任意一路或几路能量转换装置的输入侧取电的同时，还从电网取电，互为补充。

但考虑到电源能量不足的情况下，能量转换装置输入侧电压很低，若采用上述取电方式(1)，则会导致该情况下所述控制单元及各能量转换装置的控制系统全部失电，整个多路并网发电系统的通信链路全部断掉，集控室无法再对整个多路并网发电系统的运行状态进行监控，必须等到电源能量充足时才能恢复通信和监控，这是非常不理想的。所以，本发明实施例推荐采用上述取电方式(2)和上述取电方式(3)。上述取电方式(2)和上述取电方式(3)均可以实现对所述控制单元及各能量转换装置的控制系统的不间断供电。

其中，仍参见图4，上述取电方式(2)和上述取电方式(3)中从电网取电的方式可以是通过电压互感器PT从电网取电，此时电压互感器PT兼具采样和通讯功能，节省了成本。当然也可以采用其他方式例如额外引入供电变压器从电网取电，并不局限。

综上所述，本发明实施例让各路并网支路共用一个开关器件和一个控制单元，降低了系统硬件成本。在系统并网发电时，所述控制单元在各能量转换装置均进入非运行状态后控制所述开关器件分闸，切断了各升压变压器与电网的连接，从而减少了各升压变压器的空载损耗。在系统离网后，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，一方面使集电线路电压的相位和幅值与电网电压的相位和幅值近似相等，一方面为系统提供电压幅值和频率支撑，这样开关器件闭合瞬间就不会产生电流冲击，系统也可以平稳地恢复到并网发电状态，保证正常供电。

与上述系统实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种多路并网发电系统的控制方法。在所述多路并网发电系统中，多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路，所述集电线路的一端通过一开关器件接入电网，所述开关器件的分合闸由一控制单元控制。如图5所示，所述多路并网发电系统的控制系统，包括：

步骤S01：所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向所述开关器件发出分闸指令；

步骤S02：至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，建立交流电压，使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内；

步骤S03：所述控制单元向所述开关器件发出合闸指令以及其余能量转换装置作为电流源启动运行，向电网输送能量，之后返回步骤S01。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的系统相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见系统部分说明即可。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种多路并网发电系统，其特征在于，多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路，所述集电线路的一端通过一开关器件接入电网，所述开关器件的分合闸由一控制单元控制；

所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向所述开关器件发出分闸指令；

在所述开关器件分闸状态下，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，建立交流电压，使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，然后所述控制单元向所述开关器件发出合闸指令以及其余能量转换装置作为电流源启动运行，向电网输送能量。

2.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述控制单元通过与集控室或者各能量转换装置进行信息交互，来判断各能量转换装置是否均进入非运行状态。

3.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，是指：使得电压源的相位和幅值稳定在预设水平；

所述预设水平是指：电压源输出电压的相位θ_m与电网电压的相位θ_Tp满足θ_Tp＝θ_m+Δθ，并且电压源输出电压的幅值U_m与电网电压的幅值U_Tp满足U_Tp＝k*U_m；其中，Δθ为所述开关器件两端电压之间的允许相位偏差，k为电压扰动系数，k的取值由所述开关器件两端电压之间的允许幅值偏差以及电压源交流侧的升压变压器的变比共同决定。

4.根据权利要求3所述的多路并网发电系统，其特征在于，电压源启动运行过程中，以自身实际输出电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位，或者以同一并网支路上的升压变压器的励磁电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位，或者以其余任一路能量转换装置交流侧电压的幅值和相位作为反馈来闭环调节自身实际输出电压的幅值和相位。

5.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述其余能量转换装置作为电流源启动运行，包括：

其余能量转换装置在所述开关器件合闸前作为电流源启动运行；

或者，其余能量转换装置在所述开关器件合闸后作为电流源启动运行；

或者，将其余能量转换装置分为两批，一批在所述开关器件合闸前作为电流源启动运行、另一批在所述开关器件合闸后作为电流源启动运行。

6.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述开关器件合闸后，电压源切换为电流源继续投入运行。

7.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，包括：

一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行；

或者，多路能量转换装置在满足启动条件时均作为电压源一起启动运行，互为备用；

或者，先让一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，若这一路能量转换装置作为电压源启动运行后不能建立符合要求的交流电压，再让另外一路或多路能量转换装置在满足启动条件时均作为电压源一起启动运行。

8.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，在电压源启动运行过程中，通过电压互感器实时采样电网电压的幅值和相位。

9.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述电压互感器连接在所述多路并网发电系统的环网与电网之间，所述控制单元为所述环网中的一个节点，所述环网的取电方式包括：经过所述电压互感器从电网取电。

10.根据权利要求1所述的多路并网发电系统，其特征在于，所述开关器件为高压接触器或者分接开关器件。

11.一种多路并网发电系统的控制方法，其特征在于，在所述多路并网发电系统中，多路能量转换装置各自通过一路升压变压器并联至同一条集电线路，所述集电线路的一端通过一开关器件接入电网，所述开关器件的分合闸由一控制单元控制；

所述控制方法包括：

所述控制单元在判断得到各能量转换装置均进入非运行状态时，向所述开关器件发出分闸指令；

在所述开关器件分闸状态下，至少一路能量转换装置在满足启动条件时作为电压源启动运行，建立交流电压，使得所述开关器件两端电压相位差和幅值差均稳定在误差允许范围内，然后所述控制单元向所述开关器件发出合闸指令以及其余能量转换装置作为电流源启动运行，向电网输送能量。

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