CN101697420A - 一种微网逆变系统及适用于该微网逆变系统的电能质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微网逆变系统，包括分布式电源、发电机、电感-电容滤波器和接入配网公共连接点的隔离变压器；还公开了一种适用于该微网逆变系统的电能质量控制方法，包含电流内环、功率外环以及锁相环三个环节，逆变器输出电流i_Labc作为电流内环反馈量输入，公共连接点电流i_Oabc以及电压v_Oabc作为功率外环反馈量输入，功率控制器根据设定的有功和无功，经矩阵运算给出参考电流值的d轴和q轴分量i_LDQ ^*，并将其作为电流控制器的输入；电流控制器将参考电流值i_LDQ ^*与逆变器输出反馈电流值i_LDQ比较，根据差量做出调节，输出参考电压v_DQ ^*控制逆变器，锁相环使d-q变换器相位θ^*跟随公共连接点电压v_Oabc的相位信息。本发明能够保证逆变器输出设定的功率值并使得输出电压稳定在理想范围内。

Description

一种微网逆变系统及适用于该微网逆变系统的电能质量控制方法

技术领域

本发明属于基于逆变系统的微网电能质量领域，涉及一种微网逆变系统及适用于该微网逆变系统的电能质量控制方法。

背景技术

现在全世界的供电系统中90％是以大机组、大电网、高电压为特征的单一式供电系统，但是由于传统能源资源的逐渐枯竭，当今社会许多部门对电能质量要求的提高，以及世界各国对环保问题的日益重视，分布式发电(DG)获得了越来越多的重视与应用，而由小容量分布式电源形成的微网研究更加令人关注。微网发电供能系统具有电源类型多样、控制方式复杂、运行模式多变的特点。微网中既可能包含冷/热/电联供微型燃气轮机等易于控制的电源，也可能包含如风力发电、光伏发电等具有间歇性和不易控制的电源，同时还需要配置各种类型的储能装置，这些电源的投切以及相互影响增加了微网电能质量问题的复杂性。微网中原始输出方式为直流的风电系统、燃料电池、光伏电源、蓄电池和高速透平等具有间歇性、复杂性、多样性、不稳定性特点，有关以上微电源的各种并网方案通常需要通过电力电子装置将电源与常规配电网并网运行，对微网中逆变系统进行适当的电能质量调节具有很大意义。

由于微网供电系统本身间歇性、不稳定的特点，基于逆变系统的微网供电系统输出功率和电压难以保证稳定，给微网用户带来各种电能质量问题，对于微网逆变系统电能质量问题的分析及高渗透率下微网电能质量的研究，虽然已经受到高度重视，但由于微网本身结构的复杂性和多样性，还缺乏从方法论的角度对其中的作用机理进行深入揭示。国内用以稳定微网逆变系统输出的技术还处在起步研究阶段。王志群，周双喜，朱守真的“逆变型分布式电源控制系统设计，电力系统自动化，2004年12月25日，第28卷第24期”一文提出了一种含有直流电压波动前馈补偿的双环串级PI控制器是与本发明最为相关的背景技术，由于串级PI实际应用中控制量过多，本发明中的功率环控制器中没有采用PI调节器，使得整个控制方法简单易于实现。另外本发明的电流环控制器的控制方式与已有的技术有很大不同，提出了与本发明相关理论的工程应用实例。本发明属于科技发展过程中可以理解的技术改进范围。

发明内容

针对目前基于逆变系统的微网电能质量问题，本发明旨在提出一种微网逆变系统及适用于该微网逆变系统的电能质量控制方法，保证逆变器输出设定的功率值并使得输出电压稳定在理想范围内。

本发明采取的技术方案包括：

一种微网逆变系统，包括分布式电源即微源，带动发电机发出非工频交流电，经整流后转换为直流电，或输出方式为直流的微源，再经电容平波，以两电平的形式逆变成工频交流电，经电感-电容(LC)滤波器滤波后，通过隔离变压器连接到配网公共连接点(PCC)。

其中微源包含须经逆变器并网的原始输出方式为直流(DC)的微电源：光伏发电系统、燃料电池系统或原始输出方式为交流但经整流环节后变为直流电的微电源如风力发电系统、透平以及上述任意几种的组合，如风光互补系统、风蓄互补系统等。

适用于上述微网逆变系统的电能质量控制方法包含电流内环、功率外环以及锁相环三个环节，逆变器输出电流i_Labc作为电流内环反馈量输入，公共连接点电流i_Oabc以及电压v_Oabc作为功率外环反馈量输入，功率控制器根据设定的有功p^*和无功q^*，经矩阵运算给出参考电流值的d轴和q轴分量i_LDQ ^*，并将其作为电流控制器的输入；电流控制器将参考电流值i_LDQ ^*与逆变器输出反馈电流值i_LDQ比较，根据差量做出调节，输出参考电压v_DQ ^*控制逆变器，锁相环使d-q变换器相位θ^*跟随公共连接点电压v_Oabc的相位信息。

本发明采用的锁相环的优选操作步骤基于瞬时无功功率理论，工作原理是将三相输入电压v_Oabc经abc-dq0变换得到v_ODQ，变换所使用的角度是锁相环的输出θ^*，v_OQ的大小反映输入电压相位θ和锁相环输出相位θ^*之间的差值，它与0相减后的值经比例积分(PI)调节器调节后为误差信号ω^*，ω^*经积分环节得到最终输出的相位θ^*。

本发明适用的中小容量分布式发电系统(DG Distributed generation)普遍需要经过整流逆变环节才能与配电网相连，分布式电源带动电动机产生非工频交流电，经整流后转化为直流电，经电容平波，经正弦脉宽调制(SPWM)的逆变器将直流侧电压逆变为工频三相交流电，LC滤波器用于滤掉高次谐波，再通过线路、开关、变压器连接到配电网公共连接点PCC。相应的，采用的适合于上述微网逆变系统的电能质量控制方法包括功率环、电流环及锁相环控制，使得微网逆变系统输出恒定功率和电压，进而在逆变系统输出端保证微网及含微网配电网的电能质量在较高的水平。

附图说明

图1为所述微网逆变系统的结构示意图；

图2为一种适合图1所述微网逆变系统的电能质量控制方法的拓扑图；

图3为图2所述电能质量控制方法中的功率外环控制器框图；

图4为图2所述电能质量控制方法中的电流内环控制器框图；

图5为图2所述电能质量控制方法中的锁相环框图；

具体实施方式

(1)建立微网逆变系统模型

本实施例提供的电能质量控制方法是基于图1所述微网逆变系统模型之上的，采用分布式电源(本实施例以风机为例)带动发电机发出非工频交流电，经整流后转换为直流电，再经电容平波，以两电平的形式逆变成工频交流电，经电感-电容(LC)滤波器滤波后，通过隔离变压器连接到配网公共连接点(PCC)。逆变器控制方式为SPWM控制。其中，i_Labc为逆变器输出电流，i_Oabc，v_Oabc为公共连接点电流及电压。

(2)功率外环控制器设计

参考图3，功率外环控制器根据设定的有功和无功，经矩阵运算给出参考电流值的d轴和q轴分量i_LDQ ^*，作为电流控制器的输入；依据瞬时功率理论，可得到式(1)，其中v_OD，v_OQ，i_OD，i_OQ为同步旋转坐标系下瞬时输出电压与瞬时输出电流。

$\left[\begin{array}{c}p\\ q\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{OD}}& v_{\mathrm{OQ}}\\ -v_{\mathrm{OQ}}& v_{\mathrm{OD}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{OD}}\\ i_{\mathrm{OQ}}\end{array}\right]---\left(1\right)$

输出参考功率p^*和q^*以及输出电压v_ODQ已知，功率控制器依据式(2)计算得到输出电流参考值i_ODQ ^*：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{OD}}^{*}\\ i_{\mathrm{OQ}}^{*}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{cc}{v}_{\mathrm{OD}}& v_{\mathrm{OQ}}\\ -v_{\mathrm{OQ}}& v_{\mathrm{OD}}\end{array}\right]}^{-1}\left[\begin{array}{c}{p}^{*}\\ q^{*}\end{array}\right]---\left(2\right)$

式(2)对应图3中的矩阵运算环节。

考虑电容和线路损耗，将输出滤波电感电流i_LDQ与输出电流i_ODQ做差，这主要是考虑了滤波器电容分担的电流以使得结果更加准确，再与输出电流参考值i_ODQ ^*相加得到输出滤波电感电流参考值i_LD ^*和i_LQ ^*，即微源逆变器输出电流，参见图3。功率外环控制环节主要是为了产生输出电流的参考信号。

(3)电流内环控制器

将参考电流值i_LDQ ^*与逆变器输出反馈电流值i_LDQ比较，根据差量i_errDQ做出迅速调节，产生零稳态误差作用，给出控制逆变器输出的参考电压v_DQ ^*，电流控制器为微网提供三相平衡的注入电流，并且可补偿非线性扰动，相互解耦的电流控制环节在旋转坐标轴下相互独立，在电流环调解中，增加前馈控制以减少电网参考电压对控制系统的影响，电流环的PI调节过程中，若电流控制误差为0，逆变器的输出电流根据功率环给出的参考值保持恒电流调节，从而保证了输出电压及时跟踪导通参考波，使得输出电流更加接近正选波，无直流或零序分量，电流内环的PI控制、解耦控制和前馈控制如图4所示。非线性逆变器接口以及外部扰动对微网电流的影响在电流内环控制器内通过前馈补偿环节被削弱，即图3中叠加v_OD、v_OQ的过程。

在同步旋转坐标系下，电流内环控制器的时域状态表达式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{LD}}\\ i_{\mathrm{LQ}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}0& \mathrm{\ω}\\ -\mathrm{\ω}& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{LD}}\\ i_{\mathrm{LQ}}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L}& 0\\ 0& \frac{1}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{ID}}\\ v_{\mathrm{IQ}}\end{array}\right]-\left[\begin{array}{cc}\frac{1}{L}& 0\\ 0& \frac{1}{L}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{OD}}\\ v_{\mathrm{OQ}}\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中ω为配网角频率，L为微源逆变器滤波电感，v_I是逆变器输出电压，v_O代表电流控制器的扰动输入。由电流控制器最终得出稳定逆变器输出电流的逆变电压参考值。

(4)锁相环

考虑微网系统可能的波形畸变和不平衡，锁相环需要精确地跟踪基波频率，依据旋转坐标变换得到电压d-q轴分量，只要控制固定其中任一分量为常量，即可保证同步旋转d-q坐标系保持与公网电压相同的相位。锁相环节保证d-q变换器相位θ^*跟随输出电压v_Oabc的相位信息。

Claims (5)

1.一种微网逆变系统，其特征是，包括微源，其经电容平波，以两电平的形式逆变成工频交流电，再经电感-电容滤波器滤波后，通过隔离变压器连接到配网公共连接点。

2.根据权利要求1所述微网逆变系统，其特征是，所述微源采用的是经逆变器并网的原始输出方式为直流的微电源，包括光伏发电系统、燃料电池系统、蓄电池及任意两种或两种以上的组合。

3.根据权利要求1所述微网逆变系统，其特征是所述微源采用的是交流微源，其带动发电机发出非工频交流电，经整流后转换为直流电，所述微源包括风力发电系统、透平以及两种微源的组合。

4.一种适用于权利要求1-3之一所述微网逆变系统的电能质量控制方法，其特征是包含电流内环、功率外环以及锁相环三个环节，逆变器输出电流i_Labc作为电流内环反馈量输入，公共连接点电流i_Oabc以及电压v_Oabc作为功率外环反馈量输入，功率控制器根据设定的有功和无功，经矩阵运算给出参考电流值的d轴和q轴分量i_LDQ ^*，并将其作为电流控制器的输入；电流控制器将参考电流值i_LDQ ^*与逆变器输出反馈电流值i_LDQ比较，根据差量做出调节，输出参考电压v_DQ ^*控制逆变器，锁相环使d-q变换器相位θ^*跟随公共连接点电压v_Oabc的相位信息。

5.根据权利要求4所述适用于微网逆变系统的电能质量控制方法，其特征是所述锁相环基于瞬时无功功率理论，具体步骤为：将三相输入电压v_Oabc经abc-dq0变换得到v_ODQ，变换所使用的角度是锁相环的输出θ^*，v_OQ的大小反映输入电压相位θ和锁相环输出相位θ^*之间的差值，它与0相减后的值经比例积分(PI)调节器调节后为误差信号ω^*，该角频率再经积分环节得到最终输出的相位θ^*。

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