CN108110760A - 一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法 - Google Patents

一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，该谐波控制方法将微电网并网变流器改进控制用以消除电网背景谐波、负序分量引起的微电网母线电压的波动，阻止其向负载侧变流器的传递；将负载侧变流器改进控制用以抑制非线性负载引起的负载端电压畸变问题，以改善微电网的输出电压波形，提高输出电能质量，进而确保微电网其他并网敏感电力设备的用电安全。本发明的方法同步考虑电网背景谐波和本地非线性负载产生谐波的协同治理对策，无需增加额外的辅助设备，仅依靠微电网既有的变流装置即可进行，且微电网并网变流器、负载侧变流器的控制既相对独立，功能上又互相补充，共同实现微电网谐波协同治理。

Description

一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制 方法
技术领域
本发明涉及谐波污染抑制领域，具体涉及一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法。
背景技术
近年来，以光伏、风电为代表的新能源发电技术及产业发展迅猛，新能源微电网也迎 来了快速发展的黄金阶段。目前我国已经建成多个微网示范工程，如青海玉树10兆瓦级水 光柴储互补示范工程，浙江东福山岛等地的兆瓦级风光柴储互补示范工程，广东珠海2座 兆瓦级风光波浪柴储互补微电网，等等。
在微电网技术研发层面，目前研究主要集中于拓扑结构优化、并离网运行控制、稳定性分析、储能方式、能量管理等方面。而对于电能质量的综合治理技术研究相对匮乏。实际上，微电网作为大电网的一种有益补充，表现出“电源”和“负载”的双重特性。“电源”特性指的是微电网本身具备发电能力，可以将电能输送到电网，从电网的角度看，呈现出“电源”的特点。这一特点同时也决定了微电网接入大电网后容易受到电网电压不平衡、谐波畸变等因素的干扰，影响微电网自身的安全可靠运行。“负载”特性指的是微电网同时可以看作是电网的一个特殊负载，从电网吸收能量。进一步地，从微电网内部结构看，微电网通常包含本地负载。而这些负载通常又是通过变流装置作为接口接入微电网，一般表现为非线性特性，非线性负载的接入势必会引入大量的低次电力谐波。因此，微电网自身还受本地非线性负载谐波干扰的影响。
从本质上看，谐波电流是一切谐波问题的根源，谐波电压也是由于谐波电流导致的。因此，一般在研究谐波导致的危害时，主要指谐波电流的危害。微电网中谐波电流的存在，将导致逆变器输出的正弦电流波形畸变，加速设备的老化，降低其绝缘性，影响设备的使用寿命，出现不可预知的事故。特别是电力谐波会对通信设备和敏感设备产生干扰，引发其误动作或失灵，影响其可靠稳定运行。因此，微电网的谐波问题必须引起高度重视，并加以综合治理。
目前，针对电网谐波治理技术研究的成果较多，主要包括无源滤波和有源滤波两种办法。从本质上看，无源滤波技术是一种被动的谐波治理技术，通常针对高次谐波实施，可靠性较高但会增加硬件成本；而有源滤波技术是一种主动的滤波技术，理论上可抵消任意次的谐波电流，在具体实施时既可通过增加辅助设备如statcom，也可以借助已有设备辅助进行。总的来看，有源滤波技术是目前研究的重点，应用也较为广泛。但目前已有研究主要针对某一并网节点或某次负载谐波进行治理，尚未有文献探讨同时计及电网背景谐波和本地负载谐波下的微电网电力谐波综合治理技术或方案。
发明内容
本发明之目的是针对现有技术的不足，提供一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，以提高微电网在恶劣电网环境下的并网运行能力以及微电网自身的电能输出品质。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，其特征在于，该微电网系统中的微电网为运行于并网运行状态的直流微电网，该微电网系统包括多个分布式发电系统，以及储能系统、负载侧变流器、本地负载和微电网并网变流器，所述的谐波协调控制方法包括两个流程，流程一为控制微电网并网变流器，获得微电网并网变流器的开关控制信号，抑制电网背景谐波引起的母线电压波动；流程二为控制负载侧变流器，获得负载侧变流器的开关控制信号，抑制本地非线性负载引起的输出电压畸变，以产生正弦对称的三相电压波形。
进一步地，所述的负载侧变流器为三相全控逆变桥，所述的微电网并网变流器为三相全控整流桥；
进一步地，所述的流程一具体为：
S1.1：分别采集电网三相电压Ugabc、电网三相电流Igabc和母线电压Vdc；
S1.2：将采集到的Ugabc和Igabc分别进行静止坐标变换，得到两相静止坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和两相静止坐标系下的电网电流矢量Igαβ；
S1.3：将步骤S1.2得到的Ugαβ送入数字锁相环，获得电网角度θg和电网角频率ω1，以及正转同步速旋转坐标下的电网电压矢量Ugdq；
S1.4：利用步骤S1.3获得的电网角度θg对两相静止坐标系下的电网电流矢量Igαβ的进行旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标下的电网电流矢量Igdq；
S1.5：将母线电压指令与步骤S1得到的母线电压Vdc的差值送入比例积分-谐振调节器，得到电网d轴电流指令其中，比例积分-谐振调节器的传递函数GPI-R(s)为：
式中，Kp、Ki分别为比例积分-谐振调节器的比例系数、积分系数；Kr1、Kr2分别为比例积分-谐振调节器的两个谐振器的谐振系数；
S1.6：将电网d轴电流指令与电网q轴电流指令求矢量和，得到电网电流指令矢量即
S1.7：将步骤S1.6得到的电网电流指令矢量与步骤S1.4得到的电网电流矢量Igdq的差值送入比例积分调节器，得到电网电压补偿矢量Vgdq；
S1.8：计算正转同步速旋转坐标下的电网电压调制矢量Egdq，算法为 Egdq＝Ugdq-Vgdq-jω1LgIgdq-RgIgdq，其中Lg、Rg分别表示微电网并网变流器进线端滤波电抗器的电感和电阻；
S1.9：利用步骤S1.3获得的电网角度θg对Egdq进行旋转坐标反变换，得到两相静止坐标下的电网电压调制矢量Egαβ；
S1.10：将Egαβ进行空间电压矢量调制，即可获得微电网并网变流器的开关控制信号。
进一步地，所述的流程二具体为：
S2.1；分别采集负载侧变流器输出端的负载三相电压Usabc和负载三相电流Isabc；
S2.2；将负载三相电压指令和步骤S2.1得到的负载三相电压Usabc分别进行静止坐标变换，得到两相静止坐标系下的负载电压矢量Ugαβ和两相静止坐标系下的负载电压指令矢量
S2.3：将负载电压指令矢量与负载电压矢量Ugαβ的差值送入比例谐振调节器，得到负载电压调制矢量Esαβ；其中，比例谐振调节器的传递函数GPR(s)为：
式中，Ksp为比例谐振调节器的比例系数；Ksr1、Ksr2、Ksr3分别为比例谐振调节器三个谐振器的谐振系数；
S2.4：将Esαβ进行空间电压矢量调制，即可获得负载侧变流器的开关控制信号。
进一步地，所述的步骤S2.2中的负载三相电压指令的三个分量的表示形式为：
式中，UN为相电压的有效值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的微电网系统谐波协调控制方法在微电网的谐波治理时，同时考虑电网背景谐波和本地负载谐波的负面影响，并且从维护系统稳定性和提高电能质量两个方面着手，确定微电网谐波协调控制的总体目标。采用协同控制策略之后，电网背景谐波对母线电压的不利影响得到消除，同时阻断了电网背景谐波向负载端的传导路径；非线性负载引起的负载电压畸变问题得到较大程度地改善，提高了微电网的输出电能质量，有利于微电网系统并网敏感设备的安全稳定运行。
附图说明
图1为本发明的微电网系统及其并网变流器的拓扑结构示意图；
图2为本发明的微电网并网变流器的控制构图；
图3为本发明的负载侧变流器的控制构图；
图4为电网电压不平衡且谐波畸变时分别采用传统控制方法和本发明的控制方法得到的系统仿真测试波形；
图5为非线性负载接入下负载侧变流器采用传统控制方法时的仿真测试波形图；
图6为非线性负载接入下负载侧变流器采用本发明的控制方法时的仿真测试波形图。
具体实施方式
下面结合附图和实施案例对本发明作进一步说明。
图1为本发明的微电网系统及其并网变流器的拓扑结构示意图。图1为本发明的计及电网谐波和负载谐波的微电网系统，该微电网系统中的微电网为运行于并网运行状态的直流微电网，该微电网系统包括多个分布式发电系统，以及储能系统、负载侧变流器、本地负载和微电网并网变流器。且这里的负载侧变流器为三相全控逆变桥，微电网并网变流器为三相全控整流桥。
需要说明的是，本发明的核心是提出一种微电网的谐波协调控制手段，仅依靠微电网并网变流器和负载侧变流器即可实现，对于微电网系统的具体内部结构，如含有多少个分布式电源系统，储能系统如何构成等，均不是本发明关注的重点，或与本发明的控制策略无关。因此，这里对微电网系统的具体内部结构不作约定和详细描述。
本发明的计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，该方法基于上述的微电网系统来实现，该方法包括两个流程，流程一为控制微电网并网变流器，获得微电网并网变流器的开关控制信号，抑制电网背景谐波引起的母线电压波动；流程二为控制负载侧变流器，获得负载侧变流器的开关控制信号，抑制本地非线性负载引起的输出电压畸变，以产生正弦对称的三相电压波形。
图2为流程一的控制结构图，从图中可以看出，具体的控制流程为：
S1.1：分别利用电压传感器、电流传感器采集电网三相电压Ugabc、电网三相电流Igabc和母线电压Vdc；
S1.2：将步骤1.1采集到的Ugabc和Igabc分别进行静止坐标变换(Clarke变换)，得到两相静止坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和两相静止坐标系下的电网电流矢量Igαβ；其中，静止坐标变换(Clarke变换)变换关系为：
S1.3：将步骤S1.2得到的Ugαβ送入数字锁相环(PLL)，获得电网角度θg和电网角频率ω1，以及正转同步速旋转坐标下的电网电压矢量Ugdq；
这里，数字锁相环(PLL)指的是典型的基于正转同步速旋转坐标系(SRF)的锁相环。
S1.4：利用步骤S1.3获得的电网角度θg对两相静止坐标系下的电网电流矢量Igαβ的进行旋转坐标变换(Park变换)，得到正转同步速旋转坐标下的电网电流矢量Igdq；
其中，旋转坐标变换(Park变换)变换关系为：
S1.5：将母线电压指令与步骤S1.1得到的母线电压Vdc的差值送入比例积分-谐振(PI-R)调节器，得到电网d轴电流指令(即电网有功电流指令)其中，比例积分- 谐振(PI-R)调节器的传递函数GPI-R(s)为：
式中，Kp、Ki分别为比例积分-谐振(PI-R)调节器的比例系数、积分系数；Kr1、Kr2分别为比例积分-谐振(PI-R)调节器的两个谐振器的谐振系数；
在正转同步速旋转坐标下，电网电压中的5次、7次谐波分量变现为6倍频脉动分量，因此设计的比例积分-谐振(PI-R)调节器含有一个6倍频的谐振器，其同时含有一个2倍频的谐振器的目的是抑制电网电压可能存在的不平衡对母线电压的影响。这是由于，在正转同步速旋转坐标下，电网电压中的负序分量表现为2倍频脉动分量。
S1.6：将电网d轴电流指令与电网q轴电流指令(即电网无功电流指令)求矢量和，得到电网电流指令矢量即其中通常设置为零，即以实现单位功率因数运行；
S1.7：将步骤S1.6得到的电网电流指令矢量与步骤S1.4得到的电网电流矢量Igdq的差值送入比例积分(PI)调节器，得到电网电压补偿矢量Vgdq；
S1.8：计算正转同步速旋转坐标下的电网电压调制矢量Egdq，算法为 Egdq＝Ugdq-Vgdq-jω1LgIgdq-RgIgdq，其中Lg、Rg分别表示微电网并网变流器进线端滤波电抗器的电感和电阻；
S1.9：利用步骤S1.3获得的电网角度θg对Egdq进行旋转坐标反变换(Park反变换)，得到两相静止坐标下的电网电压调制矢量Egαβ；其中，旋转坐标反变换(Park反变换)变换关系为：
S1.10：将Egαβ进行空间电压矢量调制，即可获得微电网并网变流器的开关控制信号，从而实现控制目标I；
图3为流程二的控制结构图，具体的控制流程为：
S2.1；分别利用电压传感器、电流传感器采集负载侧变流器输出端的负载三相电压Usabc和负载三相电流Isabc；
S2.2；将负载三相电压指令和步骤S2.1得到的负载三相电压Usabc分别进行静止坐标变换(Clarke变换)，得到两相静止坐标系下的负载电压矢量Ugαβ和两相静止坐标系下的负载电压指令矢量其中负载三相电压指令的分量表示形式如下：
式中，UN为相电压的有效值，对于一般的电力负载，UN通常取220(V)；
S2.3：将负载电压指令矢量与负载电压矢量Ugαβ的差值送入比例谐振(PR)调节器，得到负载电压调制矢量Esαβ；其中，比例谐振(PR)调节器的传递函数GPR(s)为：
式中，Ksp为比例谐振(PR)调节器的比例系数；Ksr1、Ksr2、Ksr3分别为比例谐振(PR)调节器三个谐振器的谐振系数；
本步骤中的电压调节器采用比例谐振(PR)调节器，可实现基波电压正序分量、负序分量、5次谐波分量、7次谐波分量的同步调节；由于电压调节是在两相静止坐标系下进行，无直流分量存在，所以没有采用步骤S1.5的比例积分-谐振(PI-R)调节器。
S2.4：将Esαβ进行空间电压矢量调制，即可获得负载侧变流器的开关控制信号。
步骤1和步骤2共同构成本发明的计及电网谐波和负载谐波的微电网谐波协调控制方法，共同达到抑制电网背景谐波引起的母线电压波动和产生正弦对称的三相电压波形之总目标。需强调的是，微电网谐波协调控制的两个子控制目标，即目标I和目标II，是一个有机整体，不可分割。
图4(A)为电网电压不平衡且谐波畸变时微电网分别采用传统控制方法时的仿真测试波形，图4(B)为采用本发明所述控制方法时的仿真测试波形；测试中电网电压不平衡度设置为4％，5次谐波含量设置为3％。从图4(A)可以看出，采用传统矢量控制方案时，由于缺乏对电网输入电流负序及其谐波成分的有效控制，直流母线电压存在明显的波动成分，母线电压的差值ΔVdc始终存在且幅值为2.5V左右。进一步FFT分析发现，直流母线电压的波动成分主要为100Hz(2次)和300Hz(6次)。从图4(B)可以看出，采用本文所述改进矢量控制方案后，直流母线电压的波动得到了较好地抑制，有效减轻了波动成分对超级电容寿命的影响，以及对其他级联电路电能质量的影响。由波形可见，PI-R控制器不仅能够实现对直流信号(平均电流)的有效调节，亦可实现对交流信号(谐波电流)较为理想的控制。
图5为非线性负载接入下负载侧变流器采用传统控制方法时的仿真测试波形；图中Usd、 Usq分别表示正转同步速旋转坐标系下负载侧变流器输出电压的d轴、q轴分量；
从图中Isabc波形可以看出，非线性负载接入后，负载侧变流器输出电流中含有丰富的谐波成分，致使负载侧变流器输出电压Usabc波形畸变严重，经FFT谐波分析发现，Usabc中含有较高的5次、7次和13次谐波成分。这些谐波成分的存在引发输出电压畸变，并危及其他并网敏感设备的安全稳定运行。图6为非线性负载接入下负载侧变流器采用本发明所述控制方法时的仿真测试波形；通过与图5中Usd、Usq波形对比，可知负载变流器输出电压的谐波成分被显著抑制，微电网的电能输出质量得到较好提升。
综上，本发明提出了一种同时考虑电网背景谐波和本地负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，该方法通过对微电网并网变流器和负载变流器的控制入手，有效抑制了电网背景谐波对母线电压的不利影响，并阻断了电网背景谐波向负载端的传导；与此同时，非线性负载引起的负载电压畸变问题得到较大程度地改善，提高了微电网的输出电能质量，从而有利于微电网系统其他并网敏感设备的安全稳定运行。总之，本发明的控制方法既消除了电网背景谐波的不利影响，又抑制了本地负载引入的谐波危害。

Claims (5)

1.一种计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，其特征在于，该微电网系统中的微电网为运行于并网运行状态的直流微电网，该微电网系统包括多个分布式发电系统，以及储能系统、负载侧变流器、本地负载和微电网并网变流器，所述的谐波协调控制方法包括两个流程，流程一为控制微电网并网变流器，获得微电网并网变流器的开关控制信号，抑制电网背景谐波引起的母线电压波动；流程二为控制负载侧变流器，获得负载侧变流器的开关控制信号，抑制本地非线性负载引起的输出电压畸变，以产生正弦对称的三相电压波形。
2.根据权利要求1所述的计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，所述的负载侧变流器为三相全控逆变桥，所述的微电网并网变流器为三相全控整流桥。
3.根据权利要求1所述的计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，所述的流程一具体为：
S1.1：分别采集电网三相电压Ugabc、电网三相电流Igabc和母线电压Vdc；
S1.2：将采集到的Ugabc和Igabc分别进行静止坐标变换，得到两相静止坐标系下的电网电压矢量Ugαβ和两相静止坐标系下的电网电流矢量Igαβ；
S1.3：将步骤S1.2得到的Ugαβ送入数字锁相环，获得电网角度θg和电网角频率ω1，以及正转同步速旋转坐标下的电网电压矢量Ugdq；
S1.4：利用步骤S1.3获得的电网角度θg对两相静止坐标系下的电网电流矢量Igαβ的进行旋转坐标变换，得到正转同步速旋转坐标下的电网电流矢量Igdq；
S1.5：将母线电压指令与步骤S1得到的母线电压Vdc的差值送入比例积分-谐振调节器，得到电网d轴电流指令其中，比例积分-谐振调节器的传递函数GPI-R(s)为：
式中，Kp、Ki分别为比例积分-谐振调节器的比例系数、积分系数；Kr1、Kr2分别为比例积分-谐振调节器的两个谐振器的谐振系数；
S1.6：将电网d轴电流指令与电网q轴电流指令求矢量和，得到电网电流指令矢量即
S1.7：将步骤S1.6得到的电网电流指令矢量与步骤S1.4得到的电网电流矢量Igdq的差值送入比例积分调节器，得到电网电压补偿矢量Vgdq；
S1.8：计算正转同步速旋转坐标下的电网电压调制矢量Egdq，算法为Egdq＝Ugdq-Vgdq-jω1LgIgdq-RgIgdq，其中Lg、Rg分别表示微电网并网变流器进线端滤波电抗器的电感和电阻；
S1.9：利用步骤S1.3获得的电网角度θg对Egdq进行旋转坐标反变换，得到两相静止坐标下的电网电压调制矢量Egαβ；
S1.10：将Egαβ进行空间电压矢量调制，即可获得微电网并网变流器的开关控制信号。
4.根据权利要求2或3所述的计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，所述的流程二具体为：
S2.1；分别采集负载侧变流器输出端的负载三相电压Usabc和负载三相电流Isabc；
S2.2；将负载三相电压指令和步骤S2.1得到的负载三相电压Usabc分别进行静止坐标变换，得到两相静止坐标系下的负载电压矢量Ugαβ和两相静止坐标系下的负载电压指令矢量
S2.3：将负载电压指令矢量与负载电压矢量Ugαβ的差值送入比例谐振调节器，得到负载电压调制矢量Esαβ；其中，比例谐振调节器的传递函数GPR(s)为：
式中，Ksp为比例谐振调节器的比例系数；Ksr1、Ksr2、Ksr3分别为比例谐振调节器三个谐振器的谐振系数；
S2.4：将Esαβ进行空间电压矢量调制，即可获得负载侧变流器的开关控制信号。
5.根据权利要求4所述的计及电网谐波和负载谐波的微电网系统谐波协调控制方法，所述的步骤S2.2中的负载三相电压指令的三个分量的表示形式为：
式中，UN为相电压的有效值。
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