CN106786590B - 一种光伏并网的配电网谐波检测控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光伏并网的配电网谐波检测控制方法，利用UPQC实施，所述的UPQC包括信号采集模块、信号调理模块、微控制器和驱动电路模块，包括以下步骤：第一步，电压电流信号检测：第二步，微处理器计算PI控制前补偿指令；第三步，对PI控制前补偿指令进行自适应遗传反馈PI控制，生成谐波补偿指令信号；第四步，利用谐波补偿指令信号生成相应的PWM控制信号并输出给驱动电路模块，通过驱动电路模块产生并对配电网输出电流谐波补偿分量。本发明通过采用基于自适应在线遗传算法整定UPQC的PI控制参数实施PI控制，能够对光伏并网的配电网谐波进行有效检测控制；为利用UPQC治理配电网电能质量提供了一种新方法。

Description

一种光伏并网的配电网谐波检测控制方法

技术领域

本发明涉及配电网谐波检测控制领域，具体涉及一种利用统一电能质量调节器对光伏并网的配电网谐波检测控制方法。

背景技术

随着各类电气设备的广泛发展和应用，电气设备中非线性负载不断增加，这些设备的操作可能引起系统电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波污染与无功损耗等电能质量问题。统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner，简称UPQC)作为一种综合性的电能质量调节装置，可用于补偿非线性负载产生的无功功率、谐波、负序电流等，又可以补偿电压谐波、电压闪变等，在配电网电能质量治理方面得到较多研究和应用。

目前，针对UPQC的研究主要集中在拓扑结构、电压跌落检测与补偿控制、谐波检测与补偿控制等方面。如公开号为CN103997043A的中国专利文献，针对微电网电能质量问题，提出一种基于T型三电平逆变技术的统一电能质量调节器及控制方法，针对T型三电平UPQC的控制策略，提出了改进型准比例谐振电流控制策略和PWM脉冲优化切换的中点电压平衡控制策略。又如公开号为CN105680451A的中国专利文献，提出一种基于瞬时无功功率理论检测的补偿负载端电压并抑制电源电压谐波。对传统配电网而言，目前利用UPQC对配电网包括谐波控制在内的电能质量治理能够取得较好的效果，然而，对光伏并网的配电网而言，由于光伏等新能源具有随机性、间歇性等特点，并网后给传统配电网带来新的谐波污染控制问题，此时利用UPQC采用传统的控制方法对谐波污染进行控制效果不佳，因而，研究利用UPQC采用新的方法对光伏并网的配电网中的谐波实施有效控制，显得十分必要。

神经内分泌系统作为人体各种激素调控中心，用以调控各种体内激素，具有良好的自适应性和稳定性等特点。因此研究基于在线遗传算法的生物智能控制理论，相对于传统控制理论将有助于提高复杂对象的控制质量。遗传算法是一种全局优化算法，得到了越来越广泛的应用，但将其应用于UPQC中则为鲜见，如果能够将遗传算法和UPQC的PI控制有机结合对含光伏的配电网的谐波进行检测补偿，对于探索利用UPQC对配电网谐波治理的新方法、提高UPQC对配电网电能质量的控制能力，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：提供一种光伏并网的配电网谐波检测控制方法，该方法通过采用自适应在线遗传算法整定统一电能质量调节器的PI控制参数，统一电能质量调节器采用整定后的PI控制参数对光伏并网的配电网谐波实施检测控制，提升统一电能质量调节器对光伏并网的配电网谐波检测控制的准确性和有效性。

本发明的技术方案是：本发明的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，通过UPQC实施，所述的UPQC包括用于采集电网电压和负载电流信号的信号采集模块、用于调理所采集信号的信号调理模块、用于接收信号调理模块发送的信号并进行处理和控制的微控制器、用于执行微控制器所发控制指令并对配电网实施谐波补偿的驱动电路模块，包括以下步骤：

第一步，电压电流信号检测：

信号采集模块实时检测配电网母线电压u_a,u_b,u_c和负载电流i_a,i_b,i_c，经信号调理模块发送给微控制器；

第二步，微处理器计算PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch：

①微控制器将三相负载电流i_a、i_b、i_c经派克变换得到i_α、i_β，变换公式如式(1)：

②微控制器将将i_α、i_β根据瞬时功率理论计算出i_p、i_q，变换公式如式(2)：

其中，ω为电网电压频率；

③经过低通截止频率为50HZ的LPF低通滤波得出i_p、i_q的基波正序分量i_pf、i_qf；

④微控制器根据基波正序分量i_pf、i_qf，进行C_ωt逆变换和派克变换C₃₂的逆变换运算，得出三相负载电流基波分量i_af、i_bf、i_cf，然后采用式(3)计算得出PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch：

第三步，对PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch进行自适应遗传反馈PI控制，生成谐波补偿指令信号i_ah1、i_bh1、i_ch1：

①建立性能指标函数：微处理器内置的PI控制单元表达式如式(4)：

式中，e(t)为PI控制单元的输入，即所述的PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch；u(t)为PI控制单元的输出；k_p和k_i为PI控制单元的控制参数，k_p取值范围为[1，20]，k_i取值范围为[0.1，1]；

建立如式(5)的性能指标函数J：

式中：e(t)即PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch，u(t)为PI控制单元的输出，t_u为上升时间，取值为10ms；w₁、w₂和w₃为权值，取w₁＝0.999，w₂＝0.001，w₃＝4；

②微处理器采用自适应在线遗传算法确定最优PI控制参数(k_p，k_i)，具体步骤是：

Ⅰ、生成初始种群：将PI控制单元的PI控制参数k_p在[1，20]范围内产生均匀随机数，k_i在[0.1,1]范围内产生均匀随机数，每个参数采用5位无符号二进制码，生成种群规模为30的初始种群；

Ⅱ、取自适应度函数f(i)为：

f(i)＝1/(J+0.05) (6)

式中，J为性能指标函数；

选择概率P_s如式(7)：

Ⅲ、交叉与变异：

取交叉概率p_c＝0.9，采用两点交叉方式，在交叉过程中，先从(0,1)范围内产生随机数r_k与交叉概率p_c相比较，若随机数r_k<p_c，则进行交叉运算，否则不进入交叉运算；设参数k_p的父代个体为参数k_i的父代个体为则交叉后产生子代个体为式(8)：

其中，c为比例因子，取值为0.6；交叉的结果是由父代生成子代

将选择概率P_s按照式(9)变异PI两个控制参数k_p和k_i，采用高斯变异算子进行变异，子代个体的计算公式为(9)：

式中：α取值为0.8，N(0,σ)为高斯分布；σ为方差，其中为了使变异步长随遗传代数的增加而减少，将σ设定为动态参数σ(t)，即

σ(t)＝1-0.9g/G (10)

式中，g为当前进化代数，G为遗传代数，取值100；

Ⅳ、重复步骤Ⅱ和Ⅲ，经过100代的进化交叉和变异对种群进行迭代，通过式(4)和式(5)计算，直至寻找到性能指标函数J最小值，微处理器将该性能指标函数J最小值时对应的PI控制参数(k_p，k_i)确定为PI控制单元的最优控制参数；

③微处理器采用确定的最优PI控制参数(k_p，k_i)对PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch进行PI控制，输出谐波补偿指令信号i_ah1、i_bh1、i_ch1；

第四步，对配电网实施谐波电流的实时补偿：

微控制器利用PI控制单元输出的谐波补偿指令信号i_ah1、i_bh1、i_ch1，生成相应的PWM控制信号并输出给驱动电路模块，通过驱动电路模块产生谐波补偿电流输入配电网。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，其通过采用自适应在线遗传算法整定统一电能质量调节器的PI控制参数，统一电能质量调节器采用整定后的PI控制参数对光伏并网的配电网谐波实施检测控制，能够有效提升统一电能质量调节器对光伏并网的配电网谐波检测控制的准确性和有效性。(2)本发明的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，提供了一种利用统一电能质量调节器对光伏并网的配电网谐波检测控制的新方法。(3)本发明的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，其用于对统一电能质量调节器的PI控制参数进行整定的自适应在线遗传算法，与单纯形法相比，克服了单纯形法参数初值的敏感度，具有良好的寻优特性；与专家整定法相比，它有操作灵活，速度快等特点，无需复杂原则，只需要对字符串进行复制，交叉，变异，即能满足寻优，从而规避专家整定法前期大量仿真工作；而且该算法从多点进行操作，不仅适合单目标寻优，而且也适用于多目标寻优，无论单目标或多目标，均可在范围内寻找到合适的参数。(4)由于光伏并网的配电网特点，在谐波检测过程中，传统PID调节器参数不能随之变化，使系统得不到理想的控制效果；本发明的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，其所采用的遗传算法能够随对象的变化而变化，从而使PI控制参数随之改变，本发明通过将自适应在线遗传算法应用于统一电能质量调节器谐波检测控制，能够有效解决光伏并网的配电网谐波治理问题。

附图说明

图1为本发明实施例中所采用的UPQC的结构示意图，图中还示意性地显示了UPQC与光伏并网的配电网的电连接关系；

图2为本发明实施例中所采用的UPQC中参与实施谐波补偿控制的硬件结构示意框图，图中还示意性地显示了其与配电网的电连接关系；

图3为本发明实施例中所采用的UPQC实施谐波电流检测控制的算法原理示意图。

上述附图中的附图标记如下：

串联滤波单元1，并联滤波单元2，供电单元3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(实施例1)

本实施例的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，通过现有的统一电能质量调节器(以下简称UPQC)实施，通过采用自适应在线遗传算法整定UPQC的PI控制参数，UPQC采用整定后的PI控制参数对光伏并网的配电网谐波实施检测控制，以提升UPQC对光伏并网的配电网谐波检测控制的准确性和有效性。

如图1所示，含光伏的配电网系统由市电配网、并网光伏和非线性负载组成，配电网具有配电母线；采用的UPQC主要包括串联滤波单元1、并联滤波单元2和供电单元3，UPQC接入光伏并网的配电网的方式如图1所示。供电单元3主要由光伏阵列和与其连接的蓄电池装置组成，用于提供UPQC自身工作电源。

参见图2，该UPQC参与谐波补偿控制的具体功能模块包括用于采集电网电压和负载电流信号的信号采集模块、用于调理所采集信号的信号调理模块、用于接收信号调理模块发送的信号并进行处理和控制的微控制器、用于执行微控制器所发控制指令并对配电网实施谐波补偿控制的驱动电路模块。本实施例中，微控制器优选采用DSP。

参见图3，本实施例的光伏并网的配电网谐波检测控制方法，具体步骤如下：

第一步，电压电流信号检测：

UPQC的信号采集模块实时检测配电网母线电压u_a,u_b,u_c和负载电流i_a,i_b,i_c，经信号调理模块发送给微控制器。

第二步，微处理器计算PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch：

①微控制器将三相负载电流i_a、i_b、i_c经派克变换得到i_α、i_β，变换公式C₃₂如下：

②微控制器将将i_α、i_β根据瞬时功率理论计算出i_p、i_q，变换公式C_ωt如下：

其中，ω为电网电压频率，如图2和图3所示，通过采集配电网电压(图3中仅示意性显示了u_a，并利用锁相环可获得稳定的电网电压频率；

③经过低通截止频率为50HZ的LPF低通滤波得出i_p、i_q的基波正序分量i_pf、i_qf；

④微控制器根据基波正序分量i_pf、i_qf，进行C_ωt逆变换(即图3中)和派克变换C₃₂的逆变换(即图3中的C₂₃)运算，得出三相负载电流基波分量i_af、i_bf、i_cf，然后与三相负载电流i_a、i_b、i_c相减得出PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch：

第三步，对PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch进行自适应遗传反馈PI控制，生成谐波补偿指令电流信号i_ah1、i_bh1、i_ch1：

①建立性能指标函数：微处理器内置的PI控制单元表达式如式(4)：

式中，e(t)为PI控制单元的输入，e(t)即为前述的PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch；u(t)为PI控制单元的输出；k_p和k_i为PI控制单元的控制参数，k_p取值范围为[1，20]，k_i取值范围为[0.1，1]；

建立如式(5)的性能指标函数J：

式中：e(t)即PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch，u(t)为PI控制单元的输出，t_u为上升时间，取值为10ms；w₁、w₂和w₃为权值，取w₁＝0.999，w₂＝0.001，w₃＝4；

性能指标函数J作为自适应在线遗传算法与UPQC的微处理器的PI控制单元结合的纽带，当性能指标函数值J最小时，PI控制达到最优；采用自适应在线遗传算法，通过变化式(4)中的k_p、k_i值得到变化的u(t)值，当某一组(k_p、k_i)值对应的u(t)值使得性能指标函数J最小时，微处理器则选定该组(k_p、k_i)值为整定后的PI控制单元的控制参数；从而UPQC根据整定的该组PI控制参数(k_p，k_i)实施PI控制；

②微处理器采用自适应在线遗传算法确定最优PI控制参数(k_p，k_i)，具体步骤是：

Ⅰ、生成初始种群：对于UPQC的两个PI控制参数k_p和k_i，k_p在[1，20]范围内产生均匀随机数,k_i在[0.1,1]范围内产生均匀随机数，每个参数采用5位无符号二进制码，生成种群规模为30的初始种群；

Ⅱ、取自适应度函数f(i)为：

f(i)＝1/(J+0.05) (6)

式中，J为性能指标函数；

选择概率P_s如式(7)：

Ⅲ、交叉与变异：

取交叉概率p_c＝0.9，采用两点交叉方式，在交叉过程中，先从(0,1)范围内产生随机数r_k与交叉概率p_c相比较，若随机数r_k<p_c，则进行交叉运算，否则不进入交叉运算；设参数k_p的父代个体为参数k_i的父代个体为则交叉后产生子代个体为式(8)：

其中，c为比例因子，取值为0.6，交叉的结果是由父代生成

变异过程是将选择概率P_s按照式(9)变异PI两个控制参数k_p和k_i，采用高斯变异算子进行变异，减少完全随机变异的不确定性，子代个体的计算公式为(9)：

式中：α取值为0.8，N(0,σ)为高斯分布；σ为方差，其中为了使变异步长随遗传代数的增加而减少，将σ设定为动态参数σ(t)，即

σ(t)＝1-0.9g/G(10)

式中，g为当前进化代数，G为遗传代数，取值100；

Ⅳ、重复步骤Ⅱ和Ⅲ，经过100代的进化交叉和变异对种群进行迭代，通过式(4)和式(5)计算，直至寻找到性能指标函数J最小值，微处理器将该性能指标函数J最小值时对应的PI控制参数(k_p，k_i)确定为PI控制单元的最优控制参数；

③微处理器采用确定的最优PI控制参数(k_p，k_i)对PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch进行PI控制，输出谐波补偿指令电流信号i_ah1、i_bh1、i_ch1。

第四步，对配电网实施谐波电流的实时补偿：

微控制器利用PI控制单元输出的谐波补偿指令电流信号i_ah1、i_bh1、i_ch1，生成相应的PWM控制信号并输出给驱动电路模块，通过驱动电路模块产生谐波补偿电流，实现对光伏并网的配电网谐波电流的实时检测与补偿控制，提高光伏并网的配电网电能质量。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种光伏并网的配电网谐波检测控制方法，通过UPQC实施，所述的UPQC包括用于采集电网电压和负载电流信号的信号采集模块、用于调理所采集信号的信号调理模块、用于接收信号调理模块发送的信号并进行处理和控制的微控制器、用于执行微控制器所发控制指令并对配电网实施谐波补偿的驱动电路模块，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，电压电流信号检测：

信号采集模块实时检测配电网母线电压u_a,u_b,u_c和负载电流i_a,i_b,i_c，经信号调理模块发送给微控制器；

第二步，微处理器计算PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch：

①微控制器将三相负载电流i_a、i_b、i_c经派克变换得到i_α、i_β，变换公式如式(1)：

②微控制器将将i_α、i_β根据瞬时功率理论计算出i_p、i_q，变换公式如式(2)：

其中，ω为电网电压频率；

③经过低通截止频率为50HZ的LPF低通滤波得出i_p、i_q的基波正序分量i_pf、i_qf；

④微控制器根据基波正序分量i_pf、i_qf，进行C_ωt逆变换和派克变换C₃₂的逆变换运算，得出三相负载电流基波分量i_af、i_bf、i_cf，然后采用式(3)计算得出PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch：

第三步，对PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch进行自适应遗传反馈PI控制，生成谐波补偿指令信号i_ah1、i_bh1、i_ch1：

①建立性能指标函数：微处理器内置的PI控制单元表达式如式(4)：

式中，e(t)为PI控制单元的输入，即所述的PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch；u(t)为PI控制单元的输出；k_p和k_i为PI控制单元的控制参数，k_p取值范围为[1，20]，k_i取值范围为[0.1，1]；

建立如式(5)的性能指标函数J：

式中：e(t)即PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch，u(t)为PI控制单元的输出，t_u为上升时间，取值为10ms；w₁、w₂和w₃为权值，取w₁＝0.999，w₂＝0.001，w₃＝4；

②微处理器采用自适应在线遗传算法确定最优PI控制参数(k_p，k_i)，具体步骤是：

Ⅰ、生成初始种群：将PI控制单元的PI控制参数k_p在[1，20]范围内产生均匀随机数，k_i在[0.1,1]范围内产生均匀随机数，每个参数采用5位无符号二进制码，生成种群规模为30的初始种群；

Ⅱ、取自适应度函数f(i)为：

f(i)＝1/(J+0.05) (6)

式中，J为性能指标函数；

选择概率P_s如式(7)：

Ⅲ、交叉与变异：

取交叉概率p_c＝0.9，采用两点交叉方式，在交叉过程中，先从(0,1)范围内产生随机数r_k与交叉概率p_c相比较，若随机数r_k<p_c，则进行交叉运算，否则不进入交叉运算；设参数k_p的父代个体为参数k_i的父代个体为则交叉后产生子代个体为式(8)：

其中，c为比例因子，取值为0.6；交叉的结果是由父代 生成子代

将选择概率P_s按照式(9)变异PI两个控制参数k_p和k_i，采用高斯变异算子进行变异，子代个体的计算公式为(9)：

式中：α取值为0.8，N(0,σ)为高斯分布；σ为方差，其中为了使变异步长随遗传代数的增加而减少，将σ设定为动态参数σ(t)，即

σ(t)＝1-0.9g/G (10)

式中，g为当前进化代数，G为遗传代数，取值100；

Ⅳ、重复步骤Ⅱ和Ⅲ，经过100代的进化交叉和变异对种群进行迭代，通过式(4)和式(5)计算，直至寻找到性能指标函数J最小值，微处理器将该性能指标函数J最小值时对应的PI控制参数(k_p，k_i)确定为PI控制单元的最优控制参数；

③微处理器采用确定的最优PI控制参数(k_p，k_i)对PI控制前补偿指令i_ah、i_bh、i_ch进行PI控制，输出谐波补偿指令信号i_ah1、i_bh1、i_ch1；

第四步，对配电网实施谐波电流的实时补偿：

微控制器利用PI控制单元输出的谐波补偿指令信号i_ah1、i_bh1、i_ch1，生成相应的PWM控制信号并输出给驱动电路模块，通过驱动电路模块产生谐波补偿电流输入配电网。