CN107482682A - 一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法 - Google Patents

一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法 Download PDF

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CN107482682A CN201710826075.9A CN201710826075A CN107482682A CN 107482682 A CN107482682 A CN 107482682A CN 201710826075 A CN201710826075 A CN 201710826075A CN 107482682 A CN107482682 A CN 107482682A
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Abstract

本发明公开了一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法。分布式电源以功率均分和谐波均分为控制目标,有源滤波器以减小公共连接点电压偏差,改善公共连接点的电压质量和提高分布式电源自身输出电流质量为控制目标,实现有源滤波器与分布式电源对离网微电网电能质量的统一协调控制。分布式电源采用引入虚拟阻抗的下垂控制方法,实现谐波电流与功率的均分。有源滤波器则采用基于滤波电容电压的LCL前馈控制策略。本发明不仅能有效补偿因下垂效应及负载效应导致的公共连接点电压偏差,提高逆变器功率均分精度,同时可以降低公共连接点的电压畸变率,改善分布式电源自身输出电流质量。

Description

一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法
技术领域
本发明涉及一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法,特别是公开了一种基于滤波电容电压的LCL前馈控制策略的离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法。
背景技术
微电网作为“绿色电力”,是解决能源短缺及环境污染问题的重要途径,因而受到了国内外学者的广泛关注。由于微电网中大多数分布式电源需通过电压型逆变器并入微电网,且离网模式下的微电网没有配电网的钳位作用,电能质量受微电网中的非线性负荷影响较大。因此,离网模式下,微电网的电能质量问题和逆变器的功率均分问题成为研究热点。
在并网模式,公共连接点电压由配电网进行钳位,若配电网阻抗较小,非线性负荷产生的谐波电流几乎不会在公共母线电压上形成谐波压降。而在离网模式下,逆变器需要给负载提供直接的电压和频率支撑,若不对谐波进行控制,逆变器输出正弦波电压,对谐波而言相当于短路状态,谐波将自动根据线路阻抗大小进行分流,谐波电流流过线路阻抗在交流母线电压上形成谐波压降,导致母线电压发生畸变,影响到其他线性负荷的正常使用。
在谐波的控制方面,分布式电源集成谐波抑制功能成为研究热点。合作的谐波滤除策略,在传统有功无功下垂策略的基础上引入谐波功率下垂策略实现谐波功率在多台分布式电源间的均分。单次谐波功率的下垂策略,有效提高公共母线电压质量。引入谐波虚拟阻抗策略,调节分布式电源对谐波的等效阻抗,抑制线路阻抗差异对谐波分配的影响,实现谐波电流在多台分布式电源间的均分。这些谐波控制策略以实现谐波均分和改善公共连接点母线电压质量为目的,但以牺牲分布式电源自身输出电流质量为代价。在离网模式下,负荷的有功和无功电流全部由分布式电源提供,分布式电源既要承担发电功能又要提供谐波补偿功能,易使谐波补偿功能与主要的发电功能形成容量冲突;另外,离网模式下分布式电源常采用功率下垂控制策略,大量谐波电流涌入分布式电源加大了基波有功和无功功率的计算难度。
有源滤波器作为新型的电力电子装置,是谐波抑制的有效手段,特别是LCL型有源滤波器相比L型和LC型,具有更好的开关频率衰减效果,但LCL型滤波器为三阶系统,使系统稳定性降低。已有文献提出的有源阻尼策略,采用直接控制网侧电感电流的方法,虽然可以获得较高的控制精度,但系统稳定性差,需引入电容电流内环反馈提高系统阻尼,增加了系统的复杂性。滤波器侧电感电流单闭环控制为对网侧电流的间接控制方法,系统稳定性极强,实现简单,但受并联电容的影响,网侧电感电流和滤波器侧电感电流存在较大相移和幅值偏差,影响控制精度。其次,这两种控制方式都易受电网侧电压扰动影响。一种适用于逆变器侧电流反馈LCL并网逆变器的完全电网电压前馈控制策略,可以实现入网电流不受电网电压畸变的影响,但没有很好解决间接控制方式的控制精度受滤波电容影响问题。
本发明所解决的技术问题是:针对现有技术的不足,提供一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法,提高逆变器功率均分精度、减小公共连接点电压偏差和改善微电网电能质量。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法,包括分布式电源控制方法和有源滤波器控制方法:
1)在谐波域,由分布式电源实现谐波电流均分,有源滤波器对单台分布式电源输出电流进行治理,实现改善微电网电能质量的目标;
2)在基波域,分布式电源以功率均分作为控制目标,有源滤波器以稳定公共连接点电压为控制目标。
分布式电源实现谐波电流均分的步骤如下:
1)在离网模式下,采用无互连线的下垂控制方法来控制各自输出的有功无功功率均分,得到指令电压信号VGdroop,其控制形式为:
式中:ωi、Ei分别为分布式电源输出电压角频率和幅值;ω*、E*分别为分布式电源空载输出电压角频率和幅值;m、n为下垂控制系数,由ωi、Ei合成电压环的指令电压信号VGdroop为:
2)引入虚拟阻抗控制策略,由下垂功率环输出指令电压信号VGdroop与引入虚拟阻抗ZV(s)的逆变器网侧滤波电感电流i0反馈比较得引入虚拟阻抗策略后的指令电压信号VG,再经电压电流双环控制,经逆变器作用得到逆变器网侧滤波电感电流i0,分布式电源接口配置LCL滤波器,分布式电源线路为感性,在基波处引入感性虚拟阻抗抑制线路阻抗差异;在第3,5,7次谐波处引入阻性虚拟阻抗实现谐波均分,引入的虚拟阻抗ZV(s)表示为:
其中h为主要次谐波,LD为基波处虚拟阻抗,Rh为主要次谐波处阻性虚拟阻抗,KI为基波电流系数,Kh是h次谐波电流系数,ω1为基波角频率,ωh是第h次谐波角频率。
有源滤波器对单台分布式电源输出电流进行治理的步骤如下:
1)在谐波域,有源滤波器以单台分布式电源输出电流为治理目标,通过检测任意一台分布式电源输出电流i0中的谐波成分i0h,乘以谐波阻尼系数K,得到有源滤波器的谐波指令信号;在基波域,Urms为公共连接点电压有效值Urms与公共连接点电压稳定参考值Uref1比较得公共连接点电压偏差,该信号控制有源滤波器稳定公共连接点电压;有源滤波器直流侧电压Udc与直流侧电压稳定参考值Uref2比较得直流侧电压偏差信号;公共连接点电压偏差与直流侧电压偏差经过PI调节后与谐波指令信号相加得有源电力滤波器的指令信号iref
2)采用基于滤波电容电压的LCL前馈控制策略,控制有源电力滤波器的输出电流跟踪指令信号,补偿电网谐波,降低并网电流畸变率;控制有源电力滤波器的系统闭环传递函数为:
i2=G1(s)iref-G2(s)ug(s)
其中
把滤波电容电压当作扰动量,得到:
引入滤波电容电压前馈,将其前馈到实际控制系统中的电流控制器的前和电流控制器后,得有源滤波器输出电流表达式为:
其中:kp和ki为电流控制器比例和积分参数,kPWM为逆变器作用等效环节,H为电流反馈系数,ug为公共连接点电压,uc为滤波电容电压,iref为有源滤波器指令信号,L1、C、L2分别为有源电力滤波器接口LCL的有源滤波器侧电感,滤波电容以及网侧电感。
本发明的明显效果是:
1)引入虚拟阻抗策略后,电流均分得到有效改善。
2)采用协同控制后,逆变器输出电流和公共连接电压波形都得到了有效改善,协同控制有效减少了公共连接点电压偏差。
3)引入前馈策略后,输出电流能有效跟踪指令信号变化,稳态误差减小。引入前馈策略对降低有源滤波器输出电流容量也是有利的。消除公共连接点电压与滤波器输出电流的耦合关系,提高间接控制方式输出电流的跟踪精度。
4)有源滤波器投入后,随着公共连接点电压的抬升,无功功率差减少,改善协同控制对无功功率均分效果。
附图说明
图1为本发明一实施例离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制系统框图;
图2为本发明一实施例微网拓扑结构示意图;
图3为本发明一实施例分布式电源虚拟阻抗控制方法示意图;
图4为本发明一实施例滤波器侧电感电流单闭环控制方法示意图;
图5为本发明一实施例引入电容电压前馈滤波器侧电感电流单闭环控制方法示意图;
图6为本发明一实施例有源滤波器指令信号获取框图;
图(7-a)为无虚拟阻抗环作用时逆变器输出电流及环流波形示意图;
图(7-b)为引入虚拟阻抗策略后逆变器输出电流及环流波形示意图;
图8为采用在0.5s投入有源滤波系统,采用协同控制策略后逆变器输出电流及环流波形示意图;
图9为有源电力滤波器投入运行过程,公共连接点电压波形及有效值示意图;
图(10-a)为未引入前馈策略时有源滤波器电流跟踪效果示意图;
图(10-b)为引入前馈策略时有源滤波器电流跟踪效果示意图;
图11为整个运行过程逆变器输出有功和无功变化曲线。
具体实施方式
如图1所示,本发明一实施例离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制图。其具体控制步骤如图2至图6所示。
如图2所示,本发明一实施例微网拓扑结构示意图。该微电网由若干台分布式电源(1,2,3...)组成,采用电压源型逆变器,逆变器输出通过LCL滤波器滤除高频毛刺后经连线阻抗接入交流母线上,谐波补偿装置有源滤波器通过LCL滤波器与交流母线相连接。
如图3所示,本发明一实施例分布式电源虚拟阻抗控制方法示意图。图中VGdroop由下垂功率环输出指令电压信号,VG为引入虚拟阻抗策略后的指令电压信号,i0为逆变器网侧滤波电感电流,ZV(s)为引入的虚拟阻抗。
在基波处引入感性虚拟阻抗抑制线路阻抗差异,减小无功输出功率差;而在3、5、7次谐波处引入阻性虚拟阻抗实现谐波均分,同时降低谐波电流对公共连接点电压的影响。引入的虚拟阻抗ZV(s)表示为:
其中h为主要次谐波,LD为基波处虚拟阻抗,Rh为主要次谐波处阻性虚拟阻抗,KI为基波电流系数,Kh是h次谐波电流系数,ω1为基波角频率,ωh是第h次谐波角频率。
线路阻抗在基波处以感性为主时,下垂控制采用如下控制形式:
式中:ωi、Ei分别为分布式电源输出电压角频率和幅值;ω*、E*分别为分布式电源空载输出电压角频率和幅值;m、n为下垂控制系数,由ωi、Ei合成电压环的参考电压信号VGdroop为:
如图4所示,本发明一实施例滤波器侧电感电流单闭环控制框图。根据图4所示控制框图,得系统闭环传递函数为:
i2=G1(s)iref-G2(s)ug(s) (4)
其中
从式(4)可知滤波器输出电流易受公共连接点电压和滤波电容的影响,尤其在微电网系统中,公共连接点电压质量受非线性负荷影响较大,导致有源滤波器输出电流产生较大的跟踪误差。
为了提高系统的控制性能,把滤波电容电压当作一个扰动量,根据图4,得到:
其中:kp和ki为电流控制器比例和积分参数,kPWM为逆变器作用等效环节,H为电流反馈系数,ug为公共连接点电压,uc为滤波电容电压,iref为有源滤波器指令信号,L1、C、L2分别为有源电力滤波器接口LCL的有源滤波器侧电感,滤波电容以及网侧电感。
如图5所示,本发明一实施例引入电容电压前馈滤波器侧电感电流单闭环控制方法示意图。引入前馈的作用可以完全消除扰动量对滤波器输出电流的影响,适合将电容电压前馈到实际控制系统中的位置只能是在电流控制器前和电流控制器后。由图5所示控制框图,得有源滤波器输出电流表达式为:
从式(6)知,通过引入电容电压的前馈作用,可得到类似于单电感的电流跟踪控制效果,同时电容电压前馈可完全消除公共连接点电压与有源滤波器输出电流的耦合关系。
如图6所示,本发明一实施例有源滤波器指令信号获取框图。
在谐波域,有源滤波器以单台分布式电源输出电流为治理目标,通过检测任意一台分布式电源输出电流i0中的谐波成分i0h,乘以谐波阻尼系数K,得到有源滤波器的谐波指令信号;在基波域,Urms为公共连接点电压有效值Urms与公共连接点电压稳定参考值Uref1比较得公共连接点电压偏差,该信号控制有源滤波器稳定公共连接点电压;有源滤波器直流侧电压Udc与直流侧电压稳定参考值Uref2比较得直流侧电压偏差信号;公共连接点电压偏差与直流侧电压偏差经过PI调节后与谐波指令信号相加得有源电力滤波器的指令信号iref
如图(7-a)、图(7-b)所示,本发明一实施例是否引入本发明所提方法的效果对比图。
图(7-a)为为无虚拟阻抗环作用时逆变器输出电流及环流波形示意图;i1、i2分别为逆变器1和2连接线路上的电流,定义i1-i2为两台逆变器之间的环流,环流越小,表明均分效果越好。图(7-b)为引入虚拟阻抗策略后逆变器输出电流及环流波形示意图。从图(7-a)和图(7-b)对比可知,引入虚拟阻抗策略后,电流均分得到有效改善,但此时逆变器输出电流谐波污染严重,电流畸变率达22%,大量谐波在线路阻抗上形成谐波压降,导致母线电压发生畸变,此时电压畸变率为3.3%。
如图8所示,本发明一实施例采用在0.5s投入有源滤波系统,采用协同控制策略后逆变器输出电流及环流波形示意图;
如图9所示,本发明一实施例有源电力滤波器投入运行过程,公共连接点电压波形及有效值示意图。其中U为公共连接点电压,Urms为公共连接点电压有效值。由图8和图9可知,采用协同控制后,逆变器输出电流和公共连接电压波形都得到了有效改善,电流和电压畸变率分别下降至5.3%和0.87%。同时,公共连接点电压有效值由213.6V上升至218.2V,接近逆变器空载输出电压设定值,协同控制有效减少了公共连接点电压偏差。
如图(10-a)、图(10-b)所示,本发明一实施例引入前馈策略前后有源滤波器电流跟踪效果示意图。
图(10-a)为未引入前馈策略时有源滤波器电流跟踪效果示意图;图(10-b)为引入前馈策略时有源滤波器电流跟踪效果示意图。图中ierror为有源滤波器指令信号iref与实际输出电流i2之间的稳态跟踪误差。从图(10-a)和图(10-b)对比可知,没有引入前馈策略作用时,有源滤波器输出电流和指令信号之间存在较大相位和幅值偏差,稳态误差较大;而引入前馈策略后,输出电流能有效跟踪指令信号变化,稳态误差减小。从图中还可观察到,没有引入前馈策略作用时,由于有源滤波器输出电流和指令信号间存在较大相位和幅值偏差,间接导致有源滤波器需要输出更多电流来达到维持直流侧电压的稳定和母线电压恒定的闭环控制效果。因此引入前馈策略对降低有源滤波器输出电流容量也是有利的。
如图11所示,本发明一实施例整个运行过程逆变器输出有功和无功变化曲线。其中P1、P2分别为逆变器1,2的输出有功功率;Q1、Q2分别为逆变器1,2的输出无功功率。由于有功与频率捆绑,最终稳定时,逆变器频率会保持一致,因此有功功率差最终会逐渐减小至零。对于无功功率,在有源滤波器投入前,存在一个固定的功率差,而有源滤波器投入后,随着公共连接点电压的抬升,无功功率差减少,有效验证了协同控制对无功功率均分的改善作用。

Claims (3)

1.一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法,其特征在于,包括分布式电源控制方法和有源滤波器控制方法:
1)在谐波域,由分布式电源实现谐波电流均分,有源滤波器对单台分布式电源输出电流进行治理,实现改善微电网电能质量的目标;
2)在基波域,分布式电源以功率均分作为控制目标,有源滤波器以稳定公共连接点电压为控制目标。
2.根据权利要求1所述的离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法,其特征在于,分布式电源实现谐波电流均分的步骤如下:
1)在离网模式下,采用无互连线的下垂控制方法来控制各自输出的有功无功功率均分,得到指令电压信号VGdroop,其控制形式为:
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mi>E</mi> <mo>*</mo> </msup> <mo>-</mo> <mi>n</mi> <msub> <mi>Q</mi> <mi>i</mi> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
式中:ωi、Ei分别为分布式电源输出电压角频率和幅值;ω*、E*分别为分布式电源空载输出电压角频率和幅值;m、n为下垂控制系数,由ωi、Ei合成电压环的指令电压信号VGdroop为:
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2)引入虚拟阻抗控制策略,由下垂功率环输出指令电压信号VGdroop与引入虚拟阻抗ZV(s)的逆变器网侧滤波电感电流i0反馈比较得引入虚拟阻抗策略后的指令电压信号VG,再经电压电流双环控制,经逆变器作用得到逆变器网侧滤波电感电流i0,分布式电源接口配置LCL滤波器,分布式电源线路为感性,在基波处引入感性虚拟阻抗抑制线路阻抗差异;在第3,5,7次谐波处引入阻性虚拟阻抗实现谐波均分,引入的虚拟阻抗ZV(s)表示为:
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其中h为主要次谐波,LD为基波处虚拟阻抗,Rh为主要次谐波处阻性虚拟阻抗,KI为基波电流系数,Kh是h次谐波电流系数,ω1为基波角频率,ωh是第h次谐波角频率。
3.根据权利要求1所述一种离网模式下有源滤波器与分布式电源协同控制方法,其特征在于,有源滤波器对单台分布式电源输出电流进行治理的步骤如下:
1)在谐波域,有源滤波器以单台分布式电源输出电流为治理目标,通过检测任意一台分布式电源输出电流i0中的谐波成分i0h,乘以谐波阻尼系数K,得到有源滤波器的谐波指令信号;在基波域,Urms为公共连接点电压有效值Urms与公共连接点电压稳定参考值Uref1比较得公共连接点电压偏差,该信号控制有源滤波器稳定公共连接点电压;有源滤波器直流侧电压Udc与直流侧电压稳定参考值Uref2比较得直流侧电压偏差信号;公共连接点电压偏差与直流侧电压偏差经过PI调节后与谐波指令信号相加得有源电力滤波器的指令信号iref
2)采用基于滤波电容电压的LCL前馈控制策略,控制有源电力滤波器的输出电流跟踪指令信号,补偿电网谐波,降低并网电流畸变率;控制有源电力滤波器的系统闭环传递函数为:
i2=G1(s)iref-G2(s)ug(s)
其中
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>G</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> <mo>/</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>G</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>s</mi> <mo>)</mo> <mo>=</mo> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mi>C</mi> <msup> <mi>s</mi> <mn>3</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> <mi>C</mi> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> <mi>C</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> <mi>s</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>/</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>&amp;Delta;</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi> <msup> <mi>s</mi> <mn>4</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi> <msup> <mi>s</mi> <mn>3</mn> </msup> <mo>+</mo> <mo>(</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> <msub> <mi>L</mi> <mn>2</mn> </msub> <mi>C</mi> <mo>)</mo> <msup> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>k</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>P</mi> <mi>W</mi> <mi>M</mi> </mrow> </msub> <mi>H</mi> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
把滤波电容电压当作扰动量,得到:
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引入滤波电容电压前馈,将其前馈到实际控制系统中的电流控制器的前和电流控制器后,得有源滤波器输出电流表达式为:
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其中:kp和ki为电流控制器比例和积分参数,kPWM为逆变器作用等效环节,H为电流反馈系数,ug为公共连接点电压,uc为滤波电容电压,iref为有源滤波器指令信号,L1、C、L2分别为有源电力滤波器接口LCL的有源滤波器侧电感,滤波电容以及网侧电感。
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