利用光储发电实现工业用户节能的电能质量综合控制系统的研究

The construction of distributed Photovoltaic (PV) power generation is a key state Strategy to achieve energy-saving goal for large-scale industries and enterprises. PV power generation can not only provide the power supply for industrial users, but also can realize the power quality improvement through the grid inverter control. However, the interaction between the fluctuation of PV-storage power output and nonlinear characteristics of industrial users load will cause power quality worse and complex, which has become the critical issue to promote PV generation application to industrial users. This project will propose the power quality assessment and control strategies based on the analysis of the characteristics of industrial loads and the control principles of PV-storage inverter. By studying the fast detection algorithm of voltage fluctuation and harmonic distortion, the method can be obtained to identify the difference between the power quality deterioration and fault appearance. In the case of limited capacity of PV power supply, through the assessment of the severity of different power quality elements, the optimal compensation control strategy will be put forward. In order to solve the short-time voltage flashover and long-time voltage unbalance, the problems on the co-ordination among power quality control strategies under different time scales and the interactions to the power system protection should be thorough researched. The comprehensive power quality optimal control for entire power grid will be realized to reduce the energy loss of industrial users. The research results have great application value for different industries and enterprises.

在重点行业及大型企业建设分布式光伏发电是我国未来实现节能减排的重要举措。利用光伏发电不仅可部分满足大多数工业用户白天的用电需求，还可以通过并网逆变器控制技术实现电网电能质量的控制。但逆变型光储电源功率输出的波动性与工业用户负荷的非线性的相互作用将导致电网电能质量问题更加严重和复杂，成为光伏电源在工业用户中推广应用的难点和亟待研究的问题。本课题拟对不同工业用户负荷特性和光储逆变器控制原理进行研究，提出电网电能质量的评估方法与控制策略。研究电压波动和谐波畸变的快速检测算法，正确识别电网电能质量问题与故障；针对有限的光伏电源接入容量，对电能质量各指标的严重程度进行评估，提出最优补偿控制策略；针对电压闪络或电压不平衡等问题，研究不同时间尺度下电能质量控制策略的协调及与电网保护系统的相互影响，实现电网全局电能质量的综合优化控制目标，提高电网供电质量，实现用户节能降损。研究成果具有很强的推广应用价值。

我国工业能耗占全国总能耗的70%以上，工业上的节能潜力十分巨大。国内外的研究表明，电能质量问题是工业用户额外能耗产生的主要原因且给不同类型工业用户都带来严重的损失。基于大多数工业用户白天用电量大的特点，光储系统作为分布式电源接入工业用户电网，不仅可以充分利用可再生能源在用电高峰为用户供电，还可以配合多功能并网逆变器接口技术实现全网电能质量综合控制。因此，充分利用光伏多功能电源在并网发电和电能质量控制上的优势，是有效利用可再生能源，提高用户电能质量，提高用电效率，实现工业用户节能减排的有效途径。课题组研究了多逆变电源接入下复杂负荷微电网系统的建模与仿真，并搭建了多功能并网逆变器实验平台，实现基于多功能并网逆变器的微电网电能质量问题治理；针对实验中发现的问题，研究并改进了多功能并网逆变器的内外环控制算法，在简化控制器复杂程度的同时，提高了其性能；针对光伏集中接入的情况，研究了场站级的自动发电控制系统和自动电压控制系统；针对基于并网逆变器的PCC电能质量补偿技术，研究了电能质量问题检测和补偿技术、逆变器控制技术以及复杂并网系统稳定性分析方法，并取得了相关成果；在硬件研发和集成方面，对所搭建逆变电源的硬件设备和实验系统进行了改进，对各项理论成果进行了实验验证；针对项目服务对象工矿企业和电力系统运行及保护的实际情况，研究了电网故障选线和二次回路监测等方法；针对微电网中的高频谐波治理问题，研究了微网系统的建模、控制方法设计以及稳定性分析；针对电能质量控制系统和电网保护的相互影响问题，设计开发了基于虚拟仪器技术的电能质量分析与监测系统，对电网运行过程中的电能质量问题进行实时监测与计算分析；针对煤矿企业电网接地故障问题，设计了基于CAN总线的故障选线系统，实现了故障选线平台与就地智能零序互感器之间的故障数据传输和命令响应，为课题的进一步发展进行了理论探索和技术储备；针对不同并网逆变器的主动电能质量治理策略对于系统等效阻抗和小信号稳定性的影响，研究了基于复变量空间矢量的含不平衡负荷和并网逆变器的电网建模方法。本课题对含有光储发电的工业用户电网电能质量综合控制系统进行了深入了研究，研究成果对改善工业用户电能质量，进一步促进工业节能具有重要推动作用。