CN104953606A - 一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，该方法包括以下步骤：⑴建立网络化分层控制体系结构；⑵实时检测并将所有电气量变换到 坐标系下；⑶获得电压或电流正负序分量；⑷计算PCC点正序有功功率、正序无功功率；⑸获得输出参考电压和参考角频率；⑹获得参考发生模块的输入；⑺得到αβ静止坐标系下的参考电压；⑻将公共耦合点PCC电压送给二次控制器；⑼获得正负序分量；⑽得到；⑾反馈送给每个DG的一次控制器；⑿求取；⒀求电流控制环的参考值；⒁得到逆变器开关驱动脉冲；⒂开关驱动脉冲，驱动三相全桥逆变电路各开关管的通断，控制逆变器输出额定正弦波电压即可。本发明可对PCC点的电压进行全局补偿且提高无功功率分配精度。

Description

一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法

技术领域

本发明涉及新能源发电、微电网运行与控制领域，尤其涉及一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法。

背景技术

近年来，为解决分布式电源接入的问题，协调大电网和分布式发电间的矛盾，提高能源综合利用率，微电网被提出并受到广泛的关注。

微电网（简称“微网”）是指由分布式电源、储能系统、能量变换装置、负荷和监控系统及保护装置汇集而成的小型发电系统，是一个能实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可与外部电网并网运行，也可孤立运行。

但在三相逆变器构成的低压微电网中，普遍存在三相负荷不对称的现象，将导致微电网的支撑电压出现三相不平衡，从而影响微电网的稳定运行。当公共耦合点（Point of Common Coupling，PCC）出现三相不平衡时，将影响所接的敏感设备及负载的正常运行。为此，国际电工委员会（IEC）规定电力系统中，电压不平衡度应限制在2%以内；且根据国标《电能质量三相电压允许不平衡度》的规定，电力系统PCC点正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%；接于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3%。因此，研究微电网PCC点的电压不平衡补偿方法尤为重要。

目前，电压不平衡补偿常使用串联型电力滤波器，通过向线路中注入负序电压来实现。而文献Application of a repetitive controller for a three-phase active power filter [A. G. Cerrada, O. P. Ardila and P. G. González, IEEE Trans. Power Electronic, 22(1) :237–246, 2007.]则提出用并联电能质量调节器向补偿线路注入补偿电流来抑制电压不平衡，但该方法易使调节器过流。对于含逆变型电源的微网，可以通过调整DG注入微网的有功和无功率来支撑整个微网的电压。因而，学者们提出了使用分布式发电的电压不平衡补偿方法，但多是针对DGs终端电压的不平衡补偿，补偿方法均基于本地下垂特性的对等控制，不能很好地适应低压微电网运行环境。例如中国专利CN103368191B《一种微电网多逆变器并联电压不平衡补偿方法》中指出使用分布式发电的电压不平衡补偿方法，采用传统的下垂控制策略，这种方法无功功率分配精度较差，并不能很好地适应低压微电网运行环境。中国专利CN103715704A《一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法》中指出使用微电网中的各个分布式电源来调节PCC点母线电压不平衡补偿方法，采用传统的下垂控制策略，无功功率分配精度较差，系统严重不平衡情况下，容易使得逆变器过流，不能很好地适应低压微电网运行环境。

根据传统电力系统中分层控制理论，Secondary Control Scheme for Voltage Unbalance Compensation in an Islanded Droop-Controlled Microgrid【Mehdi Savaghebi, Alireza Jalilian, Juan C. Vasquez, and Josep M. Guerrero, IEEE Transactions on Smart Grid, vol.3, no.2, pp. 797-807, 2012.】中提出了微网分层控制，采用集中控制方式实现微电网的二次控制，可以完成PCC点电压不平衡补偿，但集中控制的方式，要求微电网中央控制器(MicroGrid Central Controller，MGCC)与所有的DGs通信，导致系统对通信带宽较高，可靠性较低，可扩展性差，不适宜大规模的微电网并入配电网。

综述所述，现有技术中并没有彻底解决低压微电网PCC点电压三相不平衡补偿且功率均分的技术难题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种对PCC点的电压进行全局补偿且有效提高无功功率分配精度的孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，包括以下步骤：

⑴建立孤岛微电网的网络化分层控制体系结构，该结构包括

——一次控制层，一次控制层也称本地控制层，包括采用基于αβ坐标系的基频正序有功/频率下垂控制和正序无功/电压下垂控制、基于正序电流的虚拟阻抗控制、消除畸变的电压环和电流环准比例谐振控制的与微电网母线相连的数个分布式发电（Distributed Generators, DGs）单元DG；所述数个分布式发电单元DG中的每一个均嵌有分布式二次控制（Distributed Secondary Control , DSC）器，且两两分布式二次控制器之间均通过双向互联的通信网络交换信息，并产生参考控制信号传递给一次控制；

——二次控制层，该控制层通过所述分布式二次控制器来对所述一次控制层产生的电压/频率偏差、无功功率偏差进行修正，计算电压不平衡补偿向量；

——三次控制层，该控制层通过通信链路与所述二次控制层中的所述分布式二次控制器相连，并对微电网进行目标设定、全局信息收集和优化，以调节单个分布式发电单元输出功率参考值，实现微电网优化和能量管理；

⑵实时检测滤波电感的电流向量                                                ，滤波电容电压向量，馈线电流向量，公共耦合点PCC的电压向量，将所述电气量逐一变换到坐标系下，其变换表达式如下式所示：

；

 ；

；

；

其中：

；

⑶依据二阶广义积分SOGI正负序分离的原理，对输入电压信号进行90°相角偏移，以此获得两相静止αβ坐标系下的电压或电流正负序分量，其正负序分离计算公式为：

；             

；

；             

；

式中，， ，， ；

⑷基于瞬时无功功率理论，计算PCC点正序有功功率，正序无功功率的值如下：

；                                                                   ；   

其中：，为电流向量的正序分量，，为电压向量的正序分量；

⑸采用改进的下垂控制法，分别获得三相逆变器输出参考电压和参考角频率；其改进下垂控制公式如下式所示：

  ；                                        

   ；                                  

其中：为参考电压幅值，参考角频率，为下垂有功比例系数，为无功比例系数，为有功微分系数，为微分算子，为额定角频率、为额定电压幅值；

⑹根据三相逆变器输出参考电压和参考角频率，分别与分布式二次控制器的输出偏差参考值、及角频率相加，获得三相电压参考发生模块的输入和，其计算公式为：

  ；                          

 ；

⑺计算出三相基波正序电压参考向量，并做变换，得到αβ静止坐标系下的参考电压；

⑻将公共耦合点PCC电压送给二次控制器；

⑼二次控制器对PCC点电压做变换，得到αβ静止坐标系下的参考电压，采用二阶广义积分SOGI正负序分离的原理对进行正负序分离，获得正负序分量，，其正负序分离计算公式为：

；             

；

⑽计算实际的电压不平衡补偿系数，设定值与的差，经过控制器，最终得到电压不平衡度向量，计算公式如下：

 ；               

式中，为比例系数，为积分系数；

⑾分布式二次控制器将PCC点的控制信号，即电压不平衡补偿向量反馈送给每个DG的一次控制器；

⑿提取的正序分量，将乘以虚拟阻抗，得到电压向量，求取方程表示为：

  ；                                           

 ；                        

其中：为虚拟电阻，为虚拟电感；

⒀电压不平衡补偿向量与之和，减去，得到电压环控制的参考电压，把减去实际测量得到的滤波电容两相电压向量，其差值作为准比例谐振控制器的输入，经过电压控制环的调节，得到电流控制环的参考值；

⒁将检测到的三相滤波电感电流 与得到的电流控制环的参考值相减得到电流误差，并将该电流误差送入电流内环进行控制，结合直流侧电压，在脉冲宽度调制PWM的调节下，得到逆变器开关驱动脉冲；

⒂开关驱动脉冲，驱动三相全桥逆变电路各开关管的通断，控制逆变器输出额定正弦波电压即可。

所述步骤⑹中分布式二次控制器的输出偏差参考值，，的求取分别为：

  ；            

 ；            

 ；

式中，、、均为比例系数，、、均为积分系数；为参考角频率和平均角频率，为参考电压和平均电压，为参考无功和平均无功。

所述步骤⑽中电压不平衡补偿系数为：

                         

式中，LPF为低通滤波器，其传递函数如下：

           

其中，和是滤波器的截止频率和阻尼比，取，。

所述步骤⒀中准比例谐振控制器的传递函数为：

  ；                                

   ；                      

式中：为比例谐振中电压，为电流控制系数；、均为谐振增益，为电压的截止频率，为电流控制器的截止频率，为指定次谐波，当=1表示基波。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明建立网络化分层控制体系结构，并设计分布式二次控制（Distributed Secondary Control , DSC）器来实现三相电压频率的恢复控制，不仅能很好地对PCC点的电压进行全局补偿，还提高了无功功率分配精度。

2、本发明在两相静止坐标系αβ 下完成微电网电压/频率的稳定控制和PCC点电压的三相不平衡补偿，无需复杂的坐标变换和锁相环，具有很好的动态响应效果，且降低了系统对高通信带宽的要求，提高了微网的可靠性和扩展的灵活性，适用于三相不对称系统。

3、为验证本发明的有效性，用 Matlab/Simulink软件搭建了如图 4所示含有 2 个分布式电源的仿真实验平台，包括两个DG系统，为到PCC的线路阻抗，为到PCC的线路阻抗，为一个三相负载，为不平衡负载连接在a、b相，仿真时DGs逆变器的开关频率为10 kHz。其中主电路和控制系统的仿真参数如表1、表2。

表1主电路参数

表2控制系统参数

实施过程中提取了补偿前后DG1和PCC点的电压、电流波形、有功无功率分配以及不平衡度仿真波形，从中可以看出，采用本发明提出的方法有效可行。具体说明如下：

⑴提取PCC点补偿前后电压，如图5~6所示，可以看出：在0~0.5s时，微电网 PCC点电压三相不平衡，在t=0.5s时，通过对PCC点输出电压进行二次不平衡补偿控制，PCC点输出电压明显得到补偿，便得三相平衡。

⑵提取点补偿前后电压、电流仿真图，如图7~8所示，可以看出：补偿前在0~0.5s时，端点电压三相平衡，但由于在0.5s时对PCC点进行补偿，使得自身电压变得三相不平衡，同。

⑶提取PCC点的输出电流在补偿前后的波形如图9所示。由于不平衡负载加在a、b两相，使得c相电流很小（但不能为零，因为线路阻抗的作用），不平衡负载导致电压的不平衡，在加入二次控制的电压不平衡补偿环节之后，三相电压不平衡得到了改善，c 相电流有了微小的增大，减少了电流不平衡，从而减小了电压的不平衡，a、b两相电流也相应的增加。

⑷提取两个DG单元输出的正序有功、正序无功如图10~11所示。从图10可以看出，系统很好的实现了对的均分效果；图11中由于负载电感较小，故较小，同样实现了无功的比例分配。

⑸ 从图12可以看出：在0.5s时，由于加入电压不平衡补偿环节，使得PCC点的电压不平衡度有了明显的下降；然而，、的电压不平衡度却增加了。说明通过调节、的输出电压提高了PCC点的电压质量。可见，PCC点的电能质量提高是以牺牲、的不平衡度为代价的，但是DG的不平衡度仍然在可以接受的范围内。此外，由于、在PCC点间的线路阻抗的不同，使得图中的不平衡度略大于。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明网络化分层控制体系结构示意图。

图2为本发明孤岛微网单个DG电压不平衡网络化分层控制原理图。

图3为本发明电压不平衡度向量的计算原理图。

图4为本发明实验仿真测试示意图。

图5为本发明带不平衡负载时PCC点电压补偿前仿真波形图。

图6为本发明带不平衡负载时PCC点电压补偿后仿真波形图。

图7为本发明带不平衡负载时和DG端点电压补偿前仿真波形图。

图8为本发明带不平衡负载时和DG端点电压补偿后仿真波形图。

图9为本发明带不平衡负载时PCC点电流补偿前后仿真波形图。

图10为本发明带不平衡负载时有功功率均分效果仿真波形图。

图11为本发明带不平衡负载时无功功率均分效果仿真波形图。

图12为本发明带不平衡负载时PCC点和DG的端点的电压不平衡度VUF仿真波形图。

具体实施方式

一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，包括以下步骤：

⑴建立孤岛微电网的网络化分层控制体系结构（参见图1、图2），该结构包括

——一次控制层，一次控制层也称本地控制层，包括采用基于αβ坐标系的基频正序有功/频率下垂控制和正序无功/电压下垂控制、基于正序电流的虚拟阻抗控制、消除畸变的电压环和电流环准比例谐振控制的与微电网母线相连的数个分布式发电（Distributed Generators, DGs）单元DG；数个分布式发电单元DG中的每一个均嵌有分布式二次控制（Distributed Secondary Control , DSC）器，且两两分布式二次控制器之间均通过双向互联的通信网络交换信息，并产生参考控制信号传递给一次控制；

——二次控制层，该控制层通过分布式二次控制器来对所述一次控制层产生的电压/频率偏差、无功功率偏差进行修正，计算电压不平衡补偿向量；

——三次控制层，该控制层通过通信链路与二次控制层中的分布式二次控制器相连，并对微电网进行目标设定、全局信息收集和优化，以调节单个分布式发电单元输出功率参考值，实现微电网优化和能量管理。

⑵实时检测滤波电感的电流向量，滤波电容电压向量，馈线电流向量，公共耦合点PCC的电压向量，将电气量逐一变换到坐标系下，其变换表达式如下式所示：

；

 ；

；

；

其中：

。

                    

⑶依据二阶广义积分SOGI正负序分离的原理，对输入电压信号进行90°相角偏移，以此获得两相静止αβ坐标系下的电压或电流正负序分量，其正负序分离计算公式为：

；             

；

；             

；

式中，， ，， 。

⑷基于瞬时无功功率理论，计算PCC点正序有功功率，正序无功功率的值如下：

；                                                                   ；              

其中：，为电流向量的正序分量，，为电压向量的正序分量。

⑸采用改进的下垂控制法，分别获得三相逆变器输出参考电压和参考角频率；其改进下垂控制公式如下式所示：

  ；                                        

   ；                                  

其中：为参考电压幅值，参考角频率，为下垂有功比例系数，为无功比例系数，为有功微分系数，为微分算子，为额定角频率、为额定电压幅值。

⑹根据三相逆变器输出参考电压和参考角频率，分别与分布式二次控制器的输出偏差参考值、及角频率相加，获得三相电压参考发生模块的输入和，其计算公式为：

  ；                          

 。

其中：分布式二次控制器的输出偏差参考值，，的求取分别为：

  ；            

 ；            

 ；

式中，、、均为比例系数，、、均为积分系数；为参考角频率和平均角频率，为参考电压和平均电压，为参考无功和平均无功。

⑺计算出三相基波正序电压参考向量，并做变换，得到αβ静止坐标系下的参考电压。

⑻将公共耦合点PCC电压送给二次控制器；

⑼二次控制器对PCC点电压做变换，得到αβ静止坐标系下的参考电压，采用二阶广义积分SOGI正负序分离的原理对进行正负序分离，获得正负序分量，，其正负序分离计算公式为：

；             

。

⑽计算实际的电压不平衡补偿系数，设定值与的差，经过控制器，最终得到电压不平衡度向量（参见图3），计算公式如下：

 ；               

式中，为比例系数，为积分系数。

其中：电压不平衡补偿系数为：

                         

式中，LPF为低通滤波器，其传递函数如下：

           

其中，和是滤波器的截止频率和阻尼比，取，。

⑾分布式二次控制器将PCC点的控制信号，即电压不平衡补偿向量反馈送给每个DG的一次控制器。

⑿提取的正序分量，将乘以虚拟阻抗，得到电压向量，求取方程表示为：

  ；    

 ；                        

其中：为虚拟电阻，为虚拟电感。

⒀电压不平衡补偿向量与之和，减去，得到电压环控制的参考电压，把减去实际测量得到的滤波电容两相电压向量，其差值作为准比例谐振控制器的输入，经过电压控制环的调节，得到电流控制环的参考值。

其中：准比例谐振控制器的传递函数为：

  ；                               

   ；                      

式中：为比例谐振中电压，为电流控制系数；、均为谐振增益，为电压的截止频率，为电流控制器的截止频率，为指定次谐波，当=1表示基波。

⒁将检测到的三相滤波电感电流 与得到的电流控制环的参考值相减得到电流误差，并将该电流误差送入电流内环进行控制，结合直流侧电压，在脉冲宽度调制PWM的调节下，得到逆变器开关驱动脉冲。

⒂开关驱动脉冲，驱动三相全桥逆变电路各开关管的通断，控制逆变器输出额定正弦波电压即可。

Claims (4)

1.一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，包括以下步骤：

⑴建立孤岛微电网的网络化分层控制体系结构，该结构包括

——一次控制层，一次控制层也称本地控制层，包括采用基于αβ坐标系的基频正序有功/频率下垂控制和正序无功/电压下垂控制、基于正序电流的虚拟阻抗控制、消除畸变的电压环和电流环准比例谐振控制的与微电网母线相连的数个分布式发电单元DG；所述数个分布式发电单元DG中的每一个均嵌有分布式二次控制器，且两两分布式二次控制器之间均通过双向互联的通信网络交换信息，并产生参考控制信号传递给一次控制；

——二次控制层，该控制层通过所述分布式二次控制器来对所述一次控制层产生的电压/频率偏差、无功功率偏差进行修正，计算电压不平衡补偿向量；

——三次控制层，该控制层通过通信链路与所述二次控制层中的所述分布式二次控制器相连，并对微电网进行目标设定、全局信息收集和优化，调节单个分布式发电单元输出功率参考值；

⑵实时检测滤波电感的电流向量                                                ，滤波电容电压向量，馈线电流向量，公共耦合点PCC的电压向量，将所述电气量逐一变换到坐标系下，其变换表达式如下式所示：

；

 ；

；

；

其中：

；

⑶依据二阶广义积分SOGI正负序分离的原理，对输入电压信号进行90°相角偏移，以此获得两相静止αβ坐标系下的电压或电流正负序分量，其正负序分离计算公式为：

；             

；

；             

；

式中，， ，， ；

⑷基于瞬时无功功率理论，计算PCC点正序有功功率，正序无功功率的值如下：

；                                                                   ；              

其中：，为电流向量的正序分量，，为电压向量的正序分量；

⑸采用改进的下垂控制法，分别获得三相逆变器输出参考电压和参考角频率；其改进下垂控制公式如下式所示：

  ；                                        

   ；                                  

其中：为参考电压幅值，参考角频率，为下垂有功比例系数，为无功比例系数，为有功微分系数，为微分算子，为额定角频率、为额定电压幅值；

⑹根据三相逆变器输出参考电压和参考角频率，分别与分布式二次控制器的输出偏差参考值、及角频率相加，获得三相电压参考发生模块的输入和，其计算公式为：

  ；                          

 ；

⑺计算出三相基波正序电压参考向量，并做变换，得到αβ静止坐标系下的参考电压；

⑻将公共耦合点PCC电压送给二次控制器；

⑼二次控制器对PCC点电压做变换，得到αβ静止坐标系下的参考电压，采用二阶广义积分SOGI正负序分离的原理对进行正负序分离，获得正负序分量，，其正负序分离计算公式为：

；             

；

⑽计算实际的电压不平衡补偿系数，设定值与的差，经过控制器，最终得到电压不平衡度向量，计算公式如下：

 ；               

式中，为比例系数，为积分系数；

⑾分布式二次控制器将PCC点的控制信号，即电压不平衡补偿向量反馈送给每个DG的一次控制器；

⑿提取的正序分量，将乘以虚拟阻抗，得到电压向量，求取方程表示为：

  ；                       

 ；                        

其中：为虚拟电阻，为虚拟电感；

⒀电压不平衡补偿向量与之和，减去，得到电压环控制的参考电压，把减去实际测量得到的滤波电容两相电压向量，其差值作为准比例谐振控制器的输入，经过电压控制环的调节，得到电流控制环的参考值；

⒁将检测到的三相滤波电感电流 与得到的电流控制环的参考值相减得到电流误差，并将该电流误差送入电流内环进行控制，结合直流侧电压，在脉冲宽度调制PWM的调节下，得到逆变器开关驱动脉冲；

⒂开关驱动脉冲，驱动三相全桥逆变电路各开关管的通断，控制逆变器输出额定正弦波电压即可。

2.如权利要求1所述的一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，其特征在于：所述步骤⑹中分布式二次控制器的输出偏差参考值，，的求取分别为：

  ；            

 ；            

 ；

式中，、、均为比例系数，、、均为积分系数；为参考角频率和平均角频率，为参考电压和平均电压，为参考无功和平均无功。

3.如权利要求1所述的一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，其特征在于：所述步骤⑽中电压不平衡补偿系数为：

                         

式中，LPF为低通滤波器，其传递函数如下：

           

其中，和是滤波器的截止频率和阻尼比，取，。

4.如权利要求1所述的一种孤岛微网公共耦合点电压不平衡网络化分层补偿方法，其特征在于：所述步骤⒀中准比例谐振控制器的传递函数为：

  ；                         

   ；                      

式中：为比例谐振中电压，为电流控制系数；、均为谐振增益，为电压的截止频率，为电流控制器的截止频率，为指定次谐波，当=1表示基波。