CN101867196B - 分布式并网发电与有源电力滤波器统一控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式并网发电与有源电力滤波器(APF)统一控制的方法。当分布式电源输出能力达到一定值时，并网逆变器在实现并网的同时，有选择地对电网进行谐波补偿；否则，并网逆变器作为有源滤波器进行谐波补偿，提高系统寿命和利用率。采用新型谐波检测以及自适应滞环比较控制法，实现对分布式并网发电与APF的统一控制，克服了APF成本高，功能单一和扩展难度较大的缺点，避免了并网逆变器设备利用率低和频繁投切对电网稳定性造成的影响，大大改善了电网电能质量，提高了逆变器利用率，支持电网的经济运行。

Description

分布式并网发电与有源电力滤波器统一控制的方法

技术领域

本发明涉及分布式并网发电与有源电力滤波器(APF)统一控制的方法。当分布式电源输出能力达到一定值时，并网逆变器在实现并网的同时，有选择地对电网进行谐波补偿；否则，并网逆变器作为有源滤波器进行谐波补偿，提高系统寿命和利用率。采用新型谐波检测与并网发电有功指令电流合成算法以及自适应滞环比较控制，从而实现统一控制研究。

背景技术

随着用户环保意识的增强，对电力供应可靠性和经济性提出了更高的要求，基于新能源开发利用的分布式发电(Distributed Generation)技术成为了电力系统中一个新的研究热点。大电网与可再生能源的分布式发电相结合，投资少，能耗低，具有高度灵活性和稳定性，是未来电力工业的主要发展方向。

分布式电源通过逆变器接入电网，它主要是向电网提供有功功率。传统的光伏并网系统遵循日出而作、日落而息的规律，系统需要频繁的并列和解列动作，造成系统控制困难，系统利用率不高；恒速恒频风力发电系统发出的电能是随风速波动的，这样可能会引起电压闪变、无功波动等电能质量问题。有源电力滤波器(APF)可对无功和谐波电流进行补偿，针对分布式并网发电中设备利用率低，因频繁投切带来的电网稳定性问题，有源电力滤波器成本高、功能单一，但两者在主电路结构和控制上有诸多相似。

发明内容

为了克服并网逆变器设备利用率低和因频繁投切对电网稳定性造成的影响，以及APF成本高，功能单一和扩展难度较大的缺点，本发明的分布式并网发电与APF统一控制在分布式电源输出能力达到一定值时，并网逆变器在实现并网的同时有选择地对电网进行谐波补偿，否则作为有源滤波器进行谐波补偿。

本发明为解决技术问题采用的技术方案是：新型谐波检测法和自适应滞环比较控制。

(1)新型谐波电流检测法

设电网单相瞬时电流i_s，其中包括瞬时基波有功、无功电流分量和各次谐波分量，然后在i_s表达式的两边分别乘上2cos wt和2sin wt；

为了得到有功直流分量I_p和无功直流分量I_q，再通过一个截止频率低于2倍基波频率的低通滤波器，然后将分布式并网直流指令分量I′_p与I_p累加；在逆变过程中，将合成有功分量乘以cos wt，得到瞬时基波有功电流分量i_p(t)；

最后用i_s(t)减去i_p(t)，就可以得到谐波电流和无功电流之和。

(1)自适应滞环比较控制

首先，根据滞环比较控制中电压电流波形，得到一个与实际补偿电流、参考电流、时间和环宽有关的数学表达式；

其次，由滞环比较控制原理，列出KVL方程；

最后，联立所有式子，求得一个滞环宽度Δ是以开关频率f_c、直流侧电压V_dc以及参考电流变化率di_ca ^*/dt为自变量的函数关系式，从而实现自适应谐波跟踪并产生控制有源电力滤波器所需的PWM脉冲。

本发明分布式并网发电和APF统一控制的方法的有益效果是：

(1)新型谐波检测法省去了三相至两相坐标变换及其逆变换，计算量小，检测精度高；

(2)自适应滞环比较控制随着各参数变化而自动调节，优化了开关频率和电网电压的畸变，对补偿电流实现了较好的跟随；

(3)克服了APF成本高，功能单一和扩展难度较大的缺点，避免了并网逆变器设备利用率低和因频繁投切对电网稳定性造成的影响；

(4)统一控制策略大大改善了电网电能质量，提高了逆变器的利用率，同时支持了电网的经济运行。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1分布式并网发电与有源电力滤波器统一控制系统结构图

图2谐波电流检测及指令电流合成原理框图

图3滞环比较控制中电压电流波形

图4自适应滞环边带求解框图

具体实施方式

在图1中当K的1端闭合，逆变器处于有源滤波模式，直流侧电压通过PI控制器达到稳定。如果直流侧电压低于参考电压，逆变器通过吸收电网有功能量来提高直流电压；反之则向电网注入有功能量来降低直流电压。然后将指令电流与实际补偿电流相比较，再通过一个自适应滞环比较控制器，产生PWM信号驱动逆变器，实现对电网无功和谐波的补偿。当K的2端闭合时，逆变器处于并网与有源滤波器统一控制模式。根据分布式并网发电有功指令电流，无功电流和谐波电流合成的指令电流，最终实现并网发电和无功及谐波电流补偿。

在图2中为了保证电流检测精度，采用数字锁相环(PLL)跟踪A相电网电压u_a。新型谐波电流方法来同时实现并网发电有功电流和谐波电流检测的合成。

在对单相电流进行检测时，设电网单相瞬时电流i_s为：

式中，i_p为瞬时基波有功电流分量，i_q为瞬时基波无功电流分量，i_h为各次谐波分量之和；I_n为n次谐波电流幅值，为n次谐波的相位。

在式(1)的两边同时乘上2cos wt，可以得到：

同理，在式(1)的两边同时乘上2sin wt，则有：

为了得到有功直流分量和无功直流分量，再通过一个截止频率低于2倍基波频率的低通滤波器，这样就可把I_p和I_q分离出来。I′_p为分布式并网直流指令分量，由分布式电源当前的输出电压u′_dc和其指令电压经PI后得到的有功直流分量。在逆变过程中，将合成有功分量乘以cos wt，得到瞬时基波有功电流分量，即：

i_p(t)＝I_p cos wt                        (4)

综上所述，谐波电流和无功电流为：

i_h(t)+i_q(t)＝i_s(t)-i_p(t)                (5)

由于滞环比较控制中的开关频率和对补偿电流的跟随性能取决于滞环宽度的大小，本发明采用一种自适应滞环比较器，将滞环宽度设计成可随参考电流变化率、直流侧电压、电网电压和开关频率的大小而自动调节。

在图3中，t₁内a桥臂中的上桥臂导通，实际补偿电流i_ca ⁺从滞环宽度的下边带(点1)线性上升至其上边带(点2)，这时下桥臂导通，关断上桥臂。可以得到：

$\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{+}}{\mathrm{dt}}{t}_1-\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{*}}{\mathrm{dt}}{t}_1=2\mathrm{\Δ}---\left(6\right)$

$\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{-}}{\mathrm{dt}}{t}_2-\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{*}}{\mathrm{dt}}{t}_2=-2\mathrm{\Δ}---\left(7\right)$

t₁+t₂＝T_c＝1/f_c                         (8)

其中，f_c是开关频率，t₁和t₂分别代表上下桥臂导通时间。联立上面三个式子，则有：

$t_1\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{+}}{\mathrm{dt}}+t_2\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{-}}{\mathrm{dt}}-\frac{1}{f_c}\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{*}}{\mathrm{dt}}=0---\left(9\right)$

用(6)式减去(7)，可得到：

$\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{+}}{\mathrm{dt}}{t}_1-\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{-}}{\mathrm{dt}}{t}_2-\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{*}}{\mathrm{dt}}(t_1-t_2)=4\mathrm{\Δ}---\left(10\right)$

根据滞环比较控制的原理，列出KVL方程：

$L=\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{+}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}-V_s---\left(11\right)$

$L\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{-}}{\mathrm{dt}}=-\frac{1}{2}{V}_{\mathrm{dc}}-V_s---\left(12\right)$

将(11)和(12)代入(9)，则：

$t_1-t_2=\frac{2L}{V_{\mathrm{dc}}{f}_c}(\frac{V_s}{L}+\frac{{{\mathrm{di}}_{\mathrm{ca}}}^{*}}{\mathrm{dt}})---\left(13\right)$

把(11)、(12)和(13)代入(10)可得：

$\mathrm{\Δ}=\frac{1}{4}[(\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2L}-\frac{V_s}{L})t_1+(\frac{V_{\mathrm{dc}}}{2L}+\frac{V_s}{L})t_2-m(t_1-t_2)]$

                                (14)

$=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{8L{f}_c}[1-\frac{4L^2}{{V_{\mathrm{dc}}}^2}{(\frac{v_s}{L}+m)}^2]$

式中，f_c是调制频率(即开关频率)，V_dc是直流侧电压，V_s是电网电压，L是电网等效阻抗，m是参考电流变化率(di_ca ^*/dt)；其中Δ(滞环宽度)是以f_c，V_dc和i_ca ^*为自变量的函数，它随着各参数变化而自动调节，从而去优化开关频率和电网电压的畸变(THD)，实现谐波跟踪并产生控制有源电力滤波器所需的PWM脉冲。根据式(14)，可以得到自适应滞环边带求解框图4。

Claims (1)

1.一种分布式并网发电与有源电力滤波器统一控制的方法，其特征在于：当分布式电源输出能力达到一定值时，并网逆变器在实现并网的同时，有选择地对电网进行谐波补偿；否则，并网逆变器作为有源电力滤波器进行谐波补偿；

采用以下谐波电流检测方法以及自适应滞环比较控制：

谐波电流检测方法为：

谐波电流和无功电流为：

i_h(t)+i_q(t)＝i_s(t)-i_p(t)，其中i_p(t)＝I_pcoswt；

其中，i_h为各次谐波分量之和，i_q为瞬时基波无功电流分量，i_s为电网单相瞬时电流，i_p为瞬时基波有功电流分量；

自适应滞环比较控制的过程中，式中，f_c是调制频率，V_dc是直流侧电压，V_s是电网电压，L是电网等效阻抗，m是参考电流变化率，即m＝di_ca ^*/dt；其中Δ为滞环宽度是以f_c，V_dc和i_ca ^*为自变量的函数，它随着各参数变化而自动调节，从而去优化开关频率和电网电压的畸变，实现谐波跟踪并产生控制有源电力滤波器所需的PWM脉冲。

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