CN104135026A - 一种提高微网系统电能质量的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高微网系统电能质量的控制方法，该微网系统包括三相交流电网I、Δ/Y连接的三相隔离变压器、三相并网变换器、直流母线电压u_dc、三相交流电网II和电网无功补偿器；通过对三相并网变换器进行控制和对电网无功补偿器进行设计达到维持直流电压恒定及补偿电网无功功率的目的。本发明通过GCC控制系统采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略，能够保持直流母线电压恒定，抑制母线纹波；采用重复控制器和PI调节器结合的复合控制方式，能够使得系统稳态精度和动态性能均能够得到较好的保障；无功电流补偿器通过注入与基波无功分量和谐波分量幅值相等、相位相反的电流分量，可起到补偿基波无功分量和消除谐波的作用。

Description

一种提高微网系统电能质量的控制方法

技术领域

本发明涉及一种提高微网系统电能质量的控制方法，增加微网供电的可靠性和灵活性。 

背景技术

进入21世纪以来，电力系统己逐渐发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网络系统。我国电网以资源、地理、经济关系为纽带而自然形成以三峡工程为代表的西电东送为主要特征的输电网架。随着电力市场的进一步开放和联网效益的驱动，在北、中、南3大互联电网之间还将以直流或直流背靠背为主要联网方式进行有限的互联，逐渐呈东西南北交错全国联网的趋势。然而，随着电网规模的不断扩大，大规模电力系统的弊端也日益凸现出来，其成本高、运行控制不灵活、难以适应用户越来越高的可靠性要求、不能灵活跟踪负荷的变化以及多样化的电能质量需求。从类似2003年美加大停电和2008年我国南方冰灾造成的影响看，大电网一次又一次的凸显出其安全的薄弱环节，大规模的停电事故造成了巨大的经济财产损失。学者开始研究未来电力系统的发展模式，显然单纯地扩大电网规模不能够满足要求；于是，欧美的电力专家们提出了污染少、可靠性高、投资省、发电方式灵活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，从而有效的解决了大型集中电网的许多潜在问题。各国对分布式发电的支持力度很大，欧盟实施了“可再生能源和分布式发电在欧洲电网中的集成应用”项目。美国实施了“智能配电系统”研究计划，目标是构建内嵌微网的新一代配电系统。美国能源部及德国乌帕塔尔气候环境与能源研究院预测到2020年，美国太阳能光伏发电将累计安装量达到3600万千瓦，占发电装机增量的15％左右；欧盟国家可再生能源发电量将占总量的30％；国家发改委最新修改意见指出到2020年，风电规模将由2007年初定的3000万千瓦调整到一亿五千万千瓦，太阳能发电的规模也将由180万千瓦调整到两千万千瓦，生物质能三千万千瓦。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要》明确：风能、太阳能、生物质能等可再生能源技术取得突破并实现规模化应用，重点研究开发间歇式电源并网及输配技术。在国家政策对可再生能源大力扶持的外部环境下，分布式发电作为一种新兴的发电模式发展迅速，这种小容量的发电机组在配电网用户附近提供电力，不足的部分向电网获取。 

分布式发电优势体现在：1、设计安装的灵活性：可根据本地地域资源优势、天气状况，灵活配置分布式发电的类型和容量，方案投资小、周期短，切实可行；有灵活的负荷调节能力，启动过程只需儿秒钟时间，而且其出力可以按小时调节。2、可提高电 网的可靠性：可作为备用电源为要求不问断供电的用户提供电能，在峰谷电价的情况下，该措施可保障电力的一可靠性，并减少电费支出；当大电网发生故障时，通过启动断开装置，使与电网断开，独立为用户供电。3、污染小、能量利用率高：煤炭仍是主要的一次能源，然而，燃煤发电是造成环境污染的元凶之一，相关的治理费用逐年增高，能源生产设备靠近用户，无疑将减少输配电设备的投资和电网的输送损失同时，某些热电联供系统生产的热能、冷能及电能可全部由用户分享；因此，将使能源的利用率大大提高。4、把经济实惠最大限度地带给用户：随着在公共电网的逐步渗透，大型中心发电站作为电网惟一供电者的模式被打破，供电者将呈现出多元化的局面；分布式电源的应用，使低压配电网中出现了小型燃气轮发电机、燃料电池以及太阳能、风能等可再生能源发电装置。 

许多分布式电源如光伏电池燃料电池等直接输出的是直流电能，也有些微型燃气轮机输出高频的交流电能，这些能量向电网的输送通常是通过电力电子器件构成的变流装置来实现。分布式电源中的电力电子设备就成为配电网潜在的谐波源。同时，配电网的容量一般都比较小，上一级电网的谐波向低压电网的渗透也相对比较严重。这就导致这种接有分布式发电装置的低压配电网谐波来源比普通配电网更加复杂。不仅是谐波问题，与此同时，分布式电源往往也存在着输出功率波动很大、功率因数不高等的问题，在传统电力系统中引入分布式电源给电网的安全性和稳定性带来许多问题。尤其是近年来，随着产业升级换代，当代电力系统的负荷结构发生了很大的变化，用电设备和生产工艺对电能质量的要求比传统设备高。许多新设备和装置都带有基于微处理器的数字控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为敏感，轻微的电压扰动或特性变化可能影响到其电子控制系统的正常工作，甚至导致掉闸或生产停顿。如半导体生产厂、造纸厂等，电压下降几十毫秒，就会导致生产设备不能正常工作和出现大量废品。在另一方面，随着冶金工业，化学工业及电气化铁路的发展，电力系统中的非线性负荷(硅整流设备、电力机车、电解设备)及冲击性负荷(电弧炉、轧钢机)使电网的谐波污染、非对称性(负序)和波动性日趋严重。电能作为商品进入市场后，电能质量问题更加突出。电力企业之间的市场竞争理念得到加强，与此同时也极大促进了电力用户开始关注和认识各种电能质量现象。越来越多的电力用户根据自身需要向电力部门提出了高质量供电的要求,甚至有选择的通过签定供用电合同和质量协议加以保证阴。直接将微网与系统主网相连的优点是低投资，结构简单，但是供电可靠性和灵活性较差。微网小系统可以运行在联网模式和孤岛模式，当微网与系统直连时，模式转换过程依靠联网断路器的机械式投切，过程持续时间长而且有较大的冲击。在联网模式时，微网和系统之间流动的功率无法控制，任何一侧系统不正常工作甚至发生严重故障均会对另一侧产生影响， 谐波在微网和主网之间相互传递也是不可避免的，微网系统内关键负荷的供电可靠性也就无法保证。有必要研究一种新的并网解决方案，能有效解决上述问题，增加微网供电的可靠性和灵活性。 

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提高微网系统电能质量的控制方法，通过对并网变换器进行控制和对电网无功补偿器进行设计达到维持直流电压恒定及补偿电网无功功率的目的。 

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为： 

一种提高微网系统电能质量的控制方法，该微网系统包括三相交流电网I、Δ/Y连接的三相隔离变压器、三相并网变换器、直流母线电压u_dc、三相交流电网II和电网无功补偿器，三相交流电网I的电流为i_1a、i_1b和i_1c，三相交流电网II的电流为i_2a、i_2b和i_2c；通过对三相并网变换器进行控制和对电网无功补偿器进行设计达到维持直流电压恒定及补偿电网无功功率的目的，具体为： 

对三相并网变换器进行控制(简称为GCC控制)：采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略；直流母线电压外环采用R-PI控制器(R-PI控制器是将RP调节器和PI调节器结合起来的调节器)，R-PI控制器的输出控制量经过dq/αβ变换后，再分别与反馈的αβ电流做差，得到的差值△i_αβ通过电流环控制器G_i后输出αβ轴电压参考值 和将电压参考值和与实际电流值u_α和u_β进行比较得到误差信号△u_α和△u_β，将误差信号△u_α和△u_β经过PI调节进行通过PWM调制控制开关管通断，从而保持直流母线电压恒定，以抑制母线纹波； 

对电网无功补偿器(6)进行设计：三相交流电网I(1)的电流i_1a、i_1b和i_1c经过abc/αβ变换以后，变成αβ轴电流，将得到的αβ轴电流分解为基波有功分量i_Lp、基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh；设计电网无功补偿器(6)注入与基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh幅值相等、相位相反的电流分量，对基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh进行补偿，起到补偿基波无功分量i_Lq和消除电流谐波分量i_Lh的作用。 

在对三相并网变换器(3)进行控制的过程中，R-PI控制器的传递函数G_R-PI(s)为： 

$G_{R-\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2w_c{K}_{R}s}{s^2+2w_{c}s+w_o^2}$

其中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_R为谐振系数；w_o为谐振频率；w_c为低通截止频率，s为复变量。 

在对三相并网变换器(3)进行控制的过程中，电流环控制器G_i采用重复控制器与PI调节器结合的控制机方式。 

有益效果：本发明提供的提高微网系统电能质量的控制方法，具有如下优势：1、GCC控制系统采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略，能够保持直流母线电压恒定，抑制母线纹波；2、αβ电流内环无需采用电流互感器，节约了成本，且采用重复控制器和PI调节器结合的复合控制方式，能够使得系统稳态精度和动态性能均能够得到较好的保障；3、无功电流补偿器通过注入与基波无功分量和谐波分量幅值相等、相位相反的电流分量，可起到补偿基波无功分量和消除谐波的作用，在很大程度上提高了电网的电能质量。 

附图说明

图1为本发明系统的主电路结构图； 

图2为GCC控制系统原理框图； 

图3为并网电流内环控制系统框图； 

图4为三相逆变器电路结构； 

图5为三相整流器电路结构。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1所示为一种提高微网系统电能质量的控制方法，该微网系统包括三相交流电网I1、Δ/Y连接的三相隔离变压器2、三相并网变换器3、直流母线电压u_dc4、三相交流电网II5和电网无功补偿器6，三相交流电网I1的电流为i_1a、i_1b和i_1c，三相交流电网II5的电流为i_2a、i_2b和i_2c；通过对三相并网变换器3进行控制和对电网无功补偿器6进行设计达到维持直流电压恒定及补偿电网无功功率的目的，具体为： 

对三相并网变换器3进行控制(GCC控制)：采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略；直流母线电压外环采用R-PI控制器，R-PI控制器的输出控制量经 过dq/αβ变换后，再分别与反馈的αβ电流做差，得到的差值△i_αβ通过电流环控制器G_i后输出αβ轴电压参考值和将电压参考值和与实际电流值u_α和u_β进行比较得到误差信号△u_α和△u_β，将误差信号△u_α和△u_β经过PI调节进行通过PWM调制控制开关管通断，从而保持直流母线电压恒定，以抑制母线纹波； 

对电网无功补偿器6进行设计：三相交流电网I1的电流i_1a、i_1b和i_1c经过abc/αβ变换以后，变成αβ轴电流，将得到的αβ轴电流分解为基波有功分量i_Lp、基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh；设计电网无功补偿器6注入与基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh幅值相等、相位相反的电流分量，对基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh进行补偿，起到补偿基波无功分量i_Lq和消除电流谐波分量i_Lh的作用。 

下面结合附图对本发明原理做出说明。 

如图2所示，GCC控制系统采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略，其电压外环采用R-PI控制器，其中R-PI调节器是将RP和PI调节器结合起来，R-PI传递函数G_R-PI(s)为： 

$G_{R-\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2w_c{K}_{R}s}{s^2+2w_{c}s+w_o^2}---\left(1\right)$

其中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_R为谐振系数；w_o为谐振频率；w_c为低通截止频率，s为复变量。 

R-PI调节器输出控制量经过dq/αβ变换，输出量为dq/αβ变换的公式如下： 

在本案的微网系统中，为发电系统初始角度，默认为0°。 

输出量再分别与反馈的αβ电流i_α、i_β做差，得到的差值△i_α、△i_β通过电流环控制器G_i后输出αβ轴电压参考值和将电流环控制器G_i设计为重复控制器与 PI调节器结合的控制机方式。 

如图3所示，离散化的重复控制器G_Rp(z)由周期延迟正反馈环节G_Rpo(z)、重复控制增益K_RP、延迟环节z^-N、超前相位补偿环节z^R以及补偿器S(z)组成，其中N是数字控制器每周期的采样个数，R是超前相位的时间值，e(z)是闭环系统误差，Q(z)是低通滤波器或常数，Q(z)可增强系统稳定性并提高闭环系统的鲁棒性，S(z)可改善开环系统的幅频特性，比例环节能够方便调节重复控制器的输出增益。由图(3)可得： 

$G_{\mathrm{PR}}\left(z\right)=\frac{u_{\mathrm{RP}}\left(z\right)}{e\left(z\right)}=\frac{z^{-N+R}{k}_{\mathrm{RP}}}{1-Q\left(z\right)z^{-N}}S\left(z\right)---\left(3\right)$

u_RP(k)＝u_RP(k-N)Q(z)+K_RPe(k-N+R)  (4) 

其中，G_PR(z)为重复控制器传递函数，u_RP(k)为重复控制器输出量，k为每周期中的采样点，k的取值范围为0～(N-1)。由式(4)可知，重复控制器在忽略补偿控制器时，本周期k时刻重复控制器的输出量为上周期k时刻的控制量与上周期k+R时刻误差的组合。闭环系统误差e(z)表示为： 

$\left|e\left(z\right)\right|=\left|\frac{1-Q\left(z\right)}{1-H\left(z\right)}\right|\left|r\left(z\right)\right|+\left|\frac{1-Q\left(z\right)}{1-H\left(z\right)}\right|\left|d\left(z\right)\right|---\left(5\right)$

其中，H(z)＝Q(z)-z^Rk_RPS(z)P(z)，P(z)为控制对象，r(z)为跟踪误差，d(z)为扰动误差，S(z)为补偿器。从式(5)可知，稳态下系统输入引起的跟踪误差和扰动引起的误差，都将衰减到原来的倍。理想情况下，当Q(z)＝1时，重复控制器可抑制任何频率低于奈氏频率(T_s为采样时间)的周期扰动，其稳态误差均为零，表明有重复控制器的控制系统具有良好的扰动抑制能力和跟随输入指令的性能。 

综上所述，虽然Q(z)＝1时，可使控制系统的稳态误差为零，但系统处于临界稳定状态；考虑稳态误差和稳定性两个方面的要求，Q(z)一般取为小于且接近1的常数或低通滤波器，本案取Q(z)＝0.95。 

为了加快高频衰减，提高系统的稳定性，S(z)设计为一个截止频率为1.5kHz的二阶低通滤波器，其传函为： 

$S\left(z\right)=\frac{0.2964z+0.1851}{z^2-0.7683z+0.2497}---\left(6\right)$

考虑控制滞后一拍，应用零阶保持器法离散化，则控制对象的z域传函为： 

$G_p=\frac{0.03436}{z(z-0.9794)}---\left(7\right)$

设计PI调节器，使得闭环系统带宽等于25次谐波频率，则调节器传递函数为： 

$G_{\mathrm{pi}}=\frac{9.94(z-0.9794)}{z-1}---\left(8\right)$

电流内环的控制系统框图如图3所示。其中G_pi(z)即按照式(8)设计的PI调节器，稳态时，重复控制器可以补偿PI调节器对指令的周期性的稳态误差；而动态过程中，由于重复控制器响应速度延迟一个基波周期，而PI调节器的响应时间一般为几个开关周期，所以动态性能完全由PI调节器决定，因此复合系统的稳态精度和动态性能均能够得到较好的保障。 

通过电流环控制器G_i输出αβ轴电压参考值和后，将电压参考值和与实际电流值u_α和u_β进行比较得到误差信号△u_α和△u_β，将误差信号△u_α和△u_β经过PI调节进行通过PWM调制(PWM调制技术采用传统的SVPWM技术)控制开关管通断，从而保持直流母线电压恒定，以抑制母线纹波。 

在对电网无功补偿器6进行设计时，考虑三相交流电网I1的电流i_1a、i_1b和i_1c为： 

其中，I_P、I_q、I_h分别表示有功电流、无功电流和电流谐波的幅值，w为发电系统的运转速度，n为谐波次数，再次一般指考虑25次以内的谐波，即n取25。则经过abc/αβ 变换以后，变成αβ轴电流，将得到的αβ轴电流分解为基波有功分量i_Lp、基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh，即： 

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{L\α}}\\ i_{\mathrm{L\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{L\αp}}\cos \mathrm{wt}+I_{\mathrm{L\αq}}\sin \mathrm{wt}+L_{\mathrm{L\αh}}\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\mathrm{nwt}\right)\\ I_{\mathrm{L\βp}}\sin \mathrm{wt}+I_{\mathrm{L\βq}}\cos \mathrm{wt}+L_{\mathrm{L\βh}}\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(\mathrm{nwt}\right)\end{array}\right]---\left(10\right)$

由上式可以看出，有功分量在αβ坐标轴上分别为余弦量和正弦量，而无功分量在αβ坐标轴上分别为正弦量和余弦量，剩下的即为谐波分量，因此可以通过无功电流补偿器注入与基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh幅值相等、相位相反的电流分量，即可起到补偿基波无功分量i_Lq和消除电流谐波分量i_Lh的作用，注入的电流在αβ轴坐标系上的值为： 

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{L\α}}^{\′}\\ i_{\mathrm{L\β}}^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-I_{\mathrm{L\αq}}\sin \mathrm{wt}-L_{\mathrm{L\αh}}\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\cos \left(\mathrm{nwt}\right)\\ -I_{\mathrm{L\βq}}\cos \mathrm{wt}-L_{\mathrm{L\βh}}\underset{n=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sin \left(\mathrm{nwt}\right)\end{array}\right]---\left(11\right)$

则经过αβ/abc变换以后，变成abc轴电流i'_La、i'_Lb、i'_Lc为： 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。 

Claims (3)

1.一种提高微网系统电能质量的控制方法，该微网系统包括三相交流电网I(1)、Δ/Y连接的三相隔离变压器(2)、三相并网变换器(3)、直流母线电压u_dc(4)、三相交流电网II(5)和电网无功补偿器(6)，三相交流电网I(1)的电流为i_1a、i_1b和i_1c，三相交流电网II(5)的电流为i_2a、i_2b和i_2c；其特征在于：通过对三相并网变换器(3)进行控制和对电网无功补偿器(6)进行设计达到维持直流电压恒定及补偿电网无功功率的目的，具体为：

对三相并网变换器(3)进行控制：采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略；直流母线电压外环采用R-PI控制器，R-PI控制器的输出控制量经过dq/αβ变换后，再分别与反馈的αβ电流做差，得到的差值△i_αβ通过电流环控制器G_i后输出αβ轴电压参考值和将电压参考值和与实际电流值u_α和u_β进行比较得到误差信号△u_α和△u_β，将误差信号△u_α和△u_β经过PI调节进行通过PWM调制控制开关管通断，从而保持直流母线电压恒定，以抑制母线纹波；

对电网无功补偿器(6)进行设计：三相交流电网I(1)的电流i_1a、i_1b和i_1c经过abc/αβ变换以后，变成αβ轴电流，将得到的αβ轴电流分解为基波有功分量i_Lp、基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh；设计电网无功补偿器(6)注入与基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh幅值相等、相位相反的电流分量，对基波无功分量i_Lq以及电流谐波分量i_Lh进行补偿，起到补偿基波无功分量i_Lq和消除电流谐波分量i_Lh的作用。

2.根据权利要求1所述的提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：在对三相并网变换器(3)进行控制的过程中，R-PI控制器的传递函数G_R-PI(s)为：

$G_{R-\mathrm{PI}}\left(s\right)=K_p+\frac{K_i}{s}+\frac{2w_c{K}_{R}s}{s^2+2w_{c}s+w_o^2}$

其中，K_p为比例系数；K_i为积分系数；K_R为谐振系数；w_o为谐振频率；w_c为低通截止频率，s为复变量。

3.根据权利要求1所述的提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：在对三相并网变换器(3)进行控制的过程中，电流环控制器G_i采用重复控制器与PI调节器结合的控制机方式。