CN106532749B - 一种微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统及其应用，其特征是：所述微电网由不同能源形式的分布式发电系统组成，包括风力发电系统，光伏发电系统和储能发电系统，在微电网系统的负载侧挂载一个可同时补偿不对称电压和谐波电压的补偿装置，利用所述补偿装置吸收负载侧负序电流和谐波电流，保证微网发电侧母线电压平衡且不畸变。本发明适用于多微源组网的微电网系统，用于微网母线电压控制的电能质量补偿装置，既可实现对不平衡电压的控制，亦可吸收由非线性负载引起的谐波电流，保证微网母线电压质量，减少非理想负载对微电网影响，提高系统稳定性。

Description

一种微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统及其应用

技术领域

本发明涉及一种微电网非线性不平衡负载条件下微网发电侧母线电压控制的方法。

背景技术

微电网中大量民用和工业用电设备均带有电力电子器件接口，且众多用电负荷为单相供电，这使得微电网中负荷主要表征为非线性及不平衡的特性。这些非线性不平衡负载引起的负序和谐波电流在线路阻抗上的压降，将引起微网母线电压的不平衡和波形畸变。当微网工作于并网模式时，由于有大电网的支撑，非线性不平衡负载引起的电能质量问题不至于影响微电网的稳定性。然而，当微电网脱离电网孤岛下运行时，微网系统母线电压由网内众多微网逆变器共同协调控制。由于微电网内部的分布式能源包含不同能源形式，既包含风力发电、光伏发电等可再生能源发电，也包含储能系统等，这些分布式能源及储能装置皆通过电力电子变流器接入网络。非线性不平衡负载引起的负序分量及谐波分量，易影响分布式发电变流器控制，甚至引起系统失稳。因此，保证微电网母线电压平衡且不畸变，对于保持微电网系统安全可靠稳定运行具有重要意义。现有改善微电网母线电压质量的方法有两种，一种是通过改进微网逆变器控制策略，增加电能质量控制功能，实现对母线电压质量的改善；另一种是通过装设电能质量治理装置加以实现。前一种方式需要改进微网逆变器控制器，对微网母线电压质量控制起辅助作用。改善微网母线电压质量主要通过专门设置电能治理装置实现，现有治理装置中，变流器控制策略有重复预测控制、滑模变结构控制、神经网络自适应控制、模糊控制、滞环控制、虚拟阻抗控制、多坐标变换下控制。但其分别存在有控制算法复杂、开关频率不固定，以及控制器运算量大等问题。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统及其应用，用于改善微网发电侧母线电压质量。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统，所述微电网由不同能源形式的分布式发电系统组成，包括风力发电系统，光伏发电系统和储能发电系统，其特点是：在微电网系统的负载侧挂载一个可同时补偿不对称电压和谐波电压的补偿装置，利用所述补偿装置吸收负载侧负序电流和谐波电流，保证微网发电侧母线电压平衡且不畸变。

本发明微网系统母线电压控制方法的特点也在于：

针对微网系统设置如权利要求1所述的微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统，利用所述补偿装置检测负载端电流，当所述负载端电流含有负序和谐波分量时，所述补偿装置发出相应的负序电流和谐波电流，利用所述补偿装置吸收负载负序电流和谐波电流，保持微电网发电侧母线电压平衡且不畸变。

本发明微网系统母线电压控制方法的特点也在于：相邻频次谐波在旋转坐标系下表征为同一频率交流量，针对负序电流及谐波电流控制，采用单个准谐振控制器实现对两个频次谐波的跟踪控制。

本发明微网系统母线电压控制方法的特点也在于：

对于检测获得的负载端三相电流i_La,b,c，基于负载电压锁相角进行旋转变换，获得负载端三相电流在旋转坐标系下的交直轴分量i_Ld,q，i_Ld,q经低通滤波器进行滤波获得基波直流分量i_Ld1,q1，将所述基波直流分量i_Ld1,q1与交直轴分量i_Ld,q相减，获得由不平衡负载引起的负序电流以及由非线性负载引起的谐波电流，作为补偿装置负序电流和谐波电流的补偿参考值包括直轴补偿参考值和交轴补偿参考值将负序电流和谐波电流的直轴补偿参考值叠加至直流电压控制器的输出参考值作为所述补偿装置的直轴电流合成值补偿装置的交轴电流合成值等于交轴补偿参考值将直轴电流合成值和交轴电流合成值统一表示为控制跟踪所述补偿装置输出相应的负序电流和谐波电流，从而改善母线电压的不平衡及畸变。

本发明微网系统母线电压控制方法的特点是按如下过程进行：

采样所述补偿装置的输出电流i_a,b,c，进行旋转变换，获得旋转坐标系下交直轴分量i_d,q，经低通滤波器获得波滤后交直轴分量i_d1,q1，将所述波滤后交直轴分量i_d1,q1与滤波前的交直轴分量i_d,q相减，获得逆变器输出谐波电流及负序电流i_hd,q；将所述谐波电流及负序电流i_hd,q作为反馈值，与参考电流合成值作差，获得电流误差Δi_d,q；

所述电流误差Δi_d,q经基波电流控制器输出基波电压参考所述基波电流控制器采用PI调节器，并有：

其中，k₁为PI调节器的比例系数，k₂为PI调节器的积分系数，s为复频因子；

所述电流误差Δi_d,q经负序电流控制器输出负序电压参考所述负序电流控制器采用准谐振控制器，准谐振控制器的谐振频率设置为两倍的基波频率，并有：

其中，k_n2为负序电流控制准谐振控制器比例系数，ω_c为负序电流控制准谐振控制器的截止频率，ω₀为额定电压角频率；

所述电流误差Δi_d,q经谐波电流控制器输出谐波电压参考所述谐波电流控制器采用准谐振控制器，并有：

式中，k_h为谐波电流控制准谐振控制器比例系数，ω_ch为谐波电流控制谐振控制器的截止频率，h为相对基频倍数，n为自然数。

电压交直轴分量参考值U_d,q为：

将旋转坐标下获得的电压参考值U_d,q变换为静止坐标系下电压参考值u_α,β，将静止坐标系下电压参考值u_α,βu_α,β参与SPWM调制，求得各开关管占空比，控制补偿装置功率开关管。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明通过在负载侧挂载可同时改善非线性和不平衡负载引起的电压质量问题，补偿由不平衡负载引起的负序电流，吸收非线性负载引起的谐波电流，在非理想负载下保持微网发电侧母线电压的平衡且不畸变，提高系统稳定性；

2、本发明系统通过一个设备同时对非线性和不平衡负载进行补偿，无需微网逆变器参与电能质量控制。

3、本发明在旋转坐标下实现对负序和谐波电流补偿，一个控制器实现对两个频次谐波电流控制，控制器结构简洁、运算量小。

附图说明

图1为本发明应用于微电网的系统框图；

图2为本发明中微网系统母线电压控制方法原理示意图；

具体实施方式

非线性不平衡负载条件下为实现对母线电压质量改善，需对不平衡负载及非线性负载引起的负序电流及谐波电流进行补偿。因此，补偿装置需完成两部分功能：一是对负载负序电流及谐波电流的提取；二是对负序电流及谐波电流进行补偿。

参见图1，本实施例中微电网是由不同能源形式的分布式发电系统组成，包括风力发电系统，光伏发电系统和储能发电系统，在微电网系统的负载侧挂载一个可同时补偿不对称电压和谐波电压的补偿装置，利用补偿装置吸收负载侧负序电流和谐波电流，保证微网发电侧母线电压平衡且不畸变。

针对微网系统设置微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统，利用补偿装置检测负载端电流，当负载端电流含有负序和谐波分量时，补偿装置发出相应的负序电流和谐波电流，利用补偿装置吸收负载负序电流和谐波电流，保持微电网发电侧母线电压平衡且不畸变。

参见图2，补偿装置需实现三个方面功能：一是直流侧电压控制：二是负序电流控制；三是谐波电流的控制。维持补偿装置直流侧电压稳定，需要从微网母线电压吸收一定的有功功率，以满足补偿装置线路以及功率开关器件有功损耗。稳定直流电压通过给定直流侧电压参考值实时检测反馈直流电压实际值U_dc与电压参考值作差，直流电压误差ΔU_dc经PI调节器输出直轴有功电流参考分量谐波电流的在静止坐标系下独立控制时，针对每次谐波，需采用相应频次控制器。本实施例将谐波电流变换至旋转坐标系下控制，可以减少一倍的谐波控制器，使得控制器更为简洁，运算量更小。比如若要补偿5次和7次谐波分量，静止坐标系下需分别对5次和7次谐波进行控制，需要两个控制器。然而，由于相邻频次谐波在旋转坐标系下表征为同一频率交流量，如5次和7次谐波分量在旋转坐标系下均表征为6倍频分量，那么在旋转坐标下采用一个6倍频的准谐振控制即可实现对5次和7次谐波的控制。因此，针对谐波电流及负序电流控制，本实施例中采用单个准谐振控制器实现对两个频次谐波的跟踪控制。

基本控制过程为：采样负载端三相电流i_La,b,c，基于负载电压锁相角进行旋转变换，获得负载端三相电流在旋转坐标系下的交直轴分量i_Ld,q，i_Ld,q经低通滤波器滤波获得基波直流分量i_Ld1,q1，将基波直流分量i_Ld1,q1与交直轴分量i_Ld,q相减，获得由不平衡负载引起的负序电流以及由非线性负载引起的谐波电流，作为补偿装置负序电流和谐波电流的补偿参考值包括直轴补偿参考值和交轴补偿参考值将负序电流和谐波电流的直轴补偿参考值叠加至直流电压控制器的输出参考值作为补偿装置的直轴电流合成值补偿装置的交轴电流合成值等于交轴补偿参考值将直轴电流合成值和交轴电流合成值统一表示为控制跟踪补偿装置输出相应的负序电流和谐波电流，从而改善母线电压的不平衡及畸变。

参见图2，本实施例中微网系统母线电压控制方法是按如下过程进行：

采样补偿装置的输出电流i_a,b,c，进行旋转变换，获得旋转坐标系下交直轴分量i_d,q，经低通滤波器获得波滤后交直轴分量i_d1,q1，将波滤后交直轴分量i_d1,q1与滤波前的交直轴分量i_d,q相减，获得逆变器输出谐波电流及负序电流i_hd,q；将谐波电流及负序电流i_hd,q作为反馈值，与参考电流合成值作差，获得电流误差Δi_d,q；

电流误差Δi_d,q经基波电流控制器输出基波电压参考基波电流控制器采用PI调节器，并有：

其中，k₁为PI调节器的比例系数，k₂为PI调节器的积分系数，s为复频因子；

电流误差Δi_d,q经负序电流控制器输出负序电压参考负序电流控制器采用准谐振控制器，准谐振控制器的谐振频率设置为两倍的基波频率，并有：

其中，k_n2为负序电流控制准谐振控制器比例系数，ω_c为负序电流控制准谐振控制器的截止频率，ω₀为额定电压角频率；

电流误差Δi_d，q经谐波电流控制器输出谐波电压参考谐波电流控制器采用准谐振控制器，并有：

式中，k_h为为谐波电流控制谐振控制器比例系数，ω_ch为谐波电流控制谐振控制器的截止频率，h相对基频倍数，n为自然数。

由三个控制器输出电压参考值，求得补偿装置电压交直轴分量参考值U_d,q为：

将旋转坐标下获得的电压参考值U_d,q变换为静止坐标系下电压参考值u_α,β，将静止坐标系下电压参考值u_α,βu_α,β参与SPWM调制，求得各开关管占空比，控制补偿装置功率开关管，实现对负载负序和谐波电流的补偿，保持微网母线电压的平衡且不畸变。

Claims (1)

1.一种微网系统母线电压控制方法，针对微网系统设置微电网不平衡功率和谐波电压补偿系统，所述微电网由不同能源形式的分布式发电系统组成，包括风力发电系统，光伏发电系统和储能发电系统，在微电网系统的负载侧挂载一个可同时补偿不对称电压和谐波电压的补偿装置，利用所述补偿装置吸收负载侧负序电流和谐波电流，保证微网发电侧母线电压平衡且不畸变；其特征是，所述微网系统母线电压控制方法是：

利用所述补偿装置检测负载端电流，当所述负载端电流含有负序和谐波分量时，所述补偿装置发出相应的负序电流和谐波电流，利用所述补偿装置吸收负载负序电流和谐波电流，保持微电网发电侧母线电压平衡且不畸变；

相邻频次谐波在旋转坐标系下表征为同一频率交流量，针对负序电流及谐波电流控制，采用单个准谐振控制器实现对两个频次谐波的跟踪控制；

对于检测获得的负载端三相电流i_La,b,c，基于负载电压锁相角进行旋转变换，获得负载端三相电流在旋转坐标系下的交直轴分量i_Ld,q，i_Ld,q经低通滤波器进行滤波获得基波直流分量i_Ld1,q1，将所述基波直流分量i_Ld1,q1与交直轴分量i_Ld,q相减，获得由不平衡负载引起的负序电流以及由非线性负载引起的谐波电流，作为补偿装置负序电流和谐波电流的补偿参考值包括直轴补偿参考值和交轴补偿参考值将负序电流和谐波电流的直轴补偿参考值叠加至直流电压控制器的输出参考值作为所述补偿装置的直轴电流合成值补偿装置的交轴电流合成值等于交轴补偿参考值将直轴电流合成值和交轴电流合成值统一表示为控制跟踪所述补偿装置输出相应的负序电流和谐波电流，从而改善母线电压的不平衡及畸变；

所述微网系统母线电压控制方法是按如下过程进行：

采样所述补偿装置的输出电流i_a,b,c，进行旋转变换，获得旋转坐标系下交直轴分量i_d,q，经低通滤波器获得波滤后交直轴分量i_d1,q1，将所述波滤后交直轴分量i_d1,q1与滤波前的交直轴分量i_d,q相减，获得逆变器输出谐波电流及负序电流i_hd,q；将所述谐波电流及负序电流i_hd,q作为反馈值，与参考电流合成值作差，获得电流误差Δi_d,q；

所述电流误差Δi_d,q经基波电流控制器输出基波电压参考所述基波电流控制器采用PI调节器，并有：

其中，k₁为PI调节器的比例系数，k₂为PI调节器的积分系数，s为复频因子；

所述电流误差Δi_d,q经负序电流控制器输出负序电压参考所述负序电流控制器采用准谐振控制器，准谐振控制器的谐振频率设置为两倍的基波频率，并有：

其中，k_n2为负序电流控制准谐振控制器比例系数，ω_c为负序电流控制准谐振控制器的截止频率，ω₀为额定电压角频率；

所述电流误差Δi_d,q经谐波电流控制器输出谐波电压参考所述谐波电流控制器采用准谐振控制器，并有：

式中，k_h为谐波电流控制准谐振控制器比例系数，ω_ch为谐波电流控制谐振控制器的截止频率，h为相对基频倍数，n为自然数；

电压交直轴分量参考值U_d,q为：

将旋转坐标下获得的电压参考值U_d,q变换为静止坐标系下电压参考值u_α,β，将静止坐标系下电压参考值u_α,β参与SPWM调制，求得各开关管占空比，控制补偿装置功率开关管。