CN109936137A - 一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，通过局部采集的信号实现微电网内多台多功能并网逆变器对网内谐波和无功电流的分担。具体为：1)协调控制微电网内的多台多功能逆变器，实现无功电流以及谐波的无互联线并联均分的补偿控制；2)多功能逆变器可以根据自身的视在功率向微电网内注入等比例的无功以及谐波电流，实现了微网内无功电流以及谐波电流在多机之间的无互联线并联均分。本发明在不增加额外投资上实现了电能质量的有效治理，具有很好的可行性和实用价值。

Description

一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别是多台多功能并网逆变器对网内谐波和无功电流的协调控制方法。

背景技术

为了协调微电网内的多台多功能并网逆变器分担网内的电能质量问题，可采用有互联线和无互联线两类控制方案。其中，有互联线的控制方法，主要是集中控制。在该控制方法中，存在一个集中控制器，其主要功能为：检测微电网电网内所有负荷的谐波和无功电流，并给出各DG所需的补偿电流指令。它实时监测该馈线支路上的谐波和无功电流，然后再根据各多功能并网逆变器所能投入的补偿容量，将所需补偿的无功和谐波电流分量分摊到各多功能并网逆变器上。然后，本地控制器根据集中控制器给出的补偿电流指令，控制多功能并网逆变器输出所需的谐波和无功电流，该类方法对通信的实时性和快速性要求较高。该类控制策略所存在的明显不足在于：集中控制器在每个谐波和无功负荷处都需加装电流传感器，当微电网需要新增负荷时，就必须相应地增加负荷到集中控制器的上行传输通路，难以适应负荷的扩容。同时，集中控制器与各多功能并网逆变器之间还存在控制用的下行通信线路，当需要增加并网逆变器时，也同样需要增加下行传输通路。此外，该控制策略还难以适应逆变器负荷的频繁投切，在多功能并网逆变器故障后退出运行(或无故障停运)和负荷投切时，集中控制器就需要重新计算谐波和无功电流的分担情况并进行重新分配。若下行通信线因故障而断开时，整个控制系统将无法感知微电网的运行态势，也无法重新分配补偿分量，容错能力较差。总之，这类控制策略难以满足“在线热插拔”、“即插即用”的微电网需求，相反，无互联线的谐波和无功电流分享方法显得更加合适。

最简单的无互联线控制策略是级联控制方法。该类控制方法，普遍采用限幅控制策略，依据离负荷电气距离的远近，位于非线性负载电流上游的两台多功能并网逆变器先后投入一定容量的补偿电流。要实现这种级联型的控制策略，可以采用补偿电流限幅的方式，离负载近的一台多功能并网逆变器先检查到非线性负载的谐波电流，它根据自身补偿容量的限制，补偿不超过某个幅值的谐波电流，然后剩下的谐波电流会继续流过 DG1，此时DG1所检测到的谐波电流即是经过DG2补偿后的剩余部分。DG1将其电气下游的电流视作广义的等效负荷电流，类似于DG2的情况，故DG1也只需按照自身可投入的补偿容量进行限幅补偿即可。显然，这种基于级联思想的控制策略不需要互联通信线，但是由于DG2限幅环节的存在却可能会在DG1处引入新的谐波分量，会使得微电网内的谐波更加丰富，并可能进一步激发微电网内的谐波谐振。

综上，如何利用微电网的多功能并网逆变器分担补偿网内的谐波和无功电流，有两个亟需解决的问题。首先，并网逆变器可能在微电网内的电气和物理距离上分布很分散，显然这给如何有效地调度这些并网逆变器实现电能质量的治理带来了困难，有互联线的控制策略显得捉襟见射。然而，这也给微电网电能质量的治理带来了一定的益处，利用分散的并网逆变器补偿分布在各处的谐波和无功负载，可以有效地实现谐波和无功电流的就地平衡，实现电能质量的分散治理和就地补偿。其次，为了适应微电网内并网逆变器和负载的频繁投切，总是需要并网逆变器具有“即插即用”、“在线热插拔”的功能，因此一些基于集中控制的多功能并网逆变器谐波和无功电流分摊控制策略就显得不合适了。总之，为了实现微电网内多台多功能并网逆变器对网内谐波和无功电流的分担，需要寻找一些无互联通信线的，不需要集中控制和调度的，能利用局部采集的信号实现自治运行控制的分散控制策略。这样，每个多功能并网逆变器都是一个独立的、自治的终端单元，它们仅由自身并网点处的电能质量信息及其所能投入的补偿容量数据，即可完成对其并网点处电能质量的治理。

发明内容

针对微电网内并网逆变器和负载的频繁投切，需要并网逆变器具有“即插即用”、“在线热插拔”的功能，因此一些基于集中控制的多功能并网逆变器谐波和无功电流分摊控制策略就显得不合适了。本发明提供了一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，得每个多功能并网逆变器都是一个独立的、自治的终端单元，它们仅由自身并网点处的电能质量信息及其所能投入的补偿容量数据，即可完成对其并网点处电能质量的治理。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，其主要特征为：多功能并网逆变器首先检测到流过其机端的负荷电流中的谐波和无功分量，然后在自身给定的下垂控制律的作用下对所检测到的谐波和无功电流进行适度的补偿；

每台多功能并网逆变器都检测电气下游电流的等效负荷电流i_Labc，以及自身的并网电流i_abc。然后，计算i_Labc中的谐波和无功电流分量i_tdq，得到该多功能并网逆变器实际所需投入的补偿系数α，进而得到谐波和无功补偿电流指令i_tdq＝αi_tdq。

由并网功率跟踪指令部分的计算结果得到并网电流跟踪指令i_gdq，两者之和最终共同构成多功能并网逆变器输出电流指令i_refabc。

根据并网逆变器输出电流反馈i_abc，由多谐振PR控制器和SPWM调制策略得到逆变器IGBT所需的触发脉冲信号。

有益效果：本发明提出了一种多台多功能并网逆变器之间的协调控制策略，实现对微电网内谐波和无功电流的无互联通信线分摊控制。所提出的下垂控制策略，能有效地实现多台多功能并网逆变器按其自身所能投入的补偿容量分摊微电网内的无功和谐波电流。由于不需要互联通信线，因此所提的控制策略能满足微电网“即插印用”、“在线热插拔”、适应并网逆变器(或负荷)投切的需求。

附图说明

图1为多功能并网逆变器所在馈线支路为中心的等效简化电路模型示意图。

图2为单台多功能并网逆变器的结构示意图。

图3为多功能并网逆变器中补偿电流分量与补偿系数之间的下垂控制特性示意图。

具体实施方式

图1所示为两台三相H桥并网逆变器(DG1和DG2)以及无功、谐波负载构成的简化接线图。

图2所示为每台多功能并网逆变器都检测其并网点处的电气上游电流i_sabc，以及自身输出的并网电流i_abc，两者之和共同构成电气下游的等效负荷电流i_Labc。

图3所示为本发明提出的谐波和无功电流的无线分享控制策略示意图。其中，S_c(或I_c)为多功能并网逆变器所检测到的流过其并网点的谐波和无功电流分量的视在功率(或有效值)。α为该多功能并网逆变器根据自身所能投入补偿容量而确定的谐波和无功电流补偿系数。

一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制策略，其特征在于：每台多功能并网逆变器只根据自身的、可利用的视在功率，向微电网注入适当比例的谐波和无功电流，进而达到微电网内谐波和无功电流在多台多功能并网逆变器之间的无互联线并联均分。

所述基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制策略，S_c为多功能并网逆变器所检测到的流过其并网点的电气下游等效负荷中谐波和无功电流的容量，α为该多功能并网逆变器根据自身所能投入补偿容量而确定的补偿系数。S_c与α之间的下垂特性，不同补偿容量的多功能并网逆变器具有不同的下垂系数k₁和k₂，它们可以实现微电网中谐波和无功电流在各多功能并网逆变器间按其补偿容量的分摊。且补偿系数的概念使得多功能并网逆变器不会引入其他频率的谐波分量，因为多功能并网逆变器所投入的谐波和无功补偿电流都是与其所检测到的待补偿电流成比例的，补偿后仍剩余的谐波和无功电流也会与补偿前的相应电流分量成比例。

具体的，一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制策略方案如下：

在理想情况下，没有畸变和三相不对称的电网电压可以表示为：

电网电压相位那么线电压可表示为

进而，可以得到三相不控整流非线性负荷电流的解析表达式

其中，D₁＝[0,π/3)、D₂＝[π/3,2π/3)、D₃＝[2π/3,π)、D₄＝[π,4π/3)、D₅＝[4π/3,5π/3)、D₆＝[5π/3,2π)。 Park变换负荷电流为

若按电网电压定向式(1)所示电网电压的dq轴分量u_dq表示为

此时，式(5)-(7)可化简为

由式(4)可知负荷电流的dq轴分量以6的整数倍工频脉动，其频率为6f、12f、18f、…。由式(9)-(11) 的分析结果可知，负荷电流在dq轴分量的平均值为

同时，还可以得到谐波电流dq轴分量的最小值分别为

类似地，谐波电流dq轴分量i_hdq的最大值可以表示为

以U_m＝155V、R＝20Ω为例，可计算出一个周期内i_hd和i_hq的有效值分别为5.14A、1.48A，也可计算出i_hdq的最大值i_hdmax和i_hqmax分别为8.22A和3.10A，同时i_hdmin＝-8.22A、i_hqmin＝-1.64A，这里的。此外还可以发现，谐波电流的dq轴分量i_hdq总是以6kf(k＝1,2,3,…)次频率存在的，波形每过T/6周期即有规律地重复一次。因此，i_hdq的有效值可以根据其最大值进行计算，简化计算过程。此外，由于只需要T/6的波形数据即可计算出S_c，故该简化计算方法还可极大地提高系统的响应速度。定义电流分量的“自相关波形系数”为：自相关波形系数＝有效值/幅值。当然这里定义的波形系数也同样适用于其他类型谐波的情况，只要通过对谐波电流做离线测试，然后将该值输入到多功能并网逆变器即可。那么，由定义可知：d轴和q轴谐波负荷电流的自相关波形系数k_d和k_q分别为

其中，I_hdmax和I_hqmax为谐波电流在分别在d轴和q轴下的瞬时最大值。根据前面的分析，可以得到波形系数的理论计算结果，有：k_d＝0.6253、k_q＝0.4774。不难发现，这里的波形系数定义了幅值和有效值之间的关系，对于标准的正弦信号，其幅值和有效值之间满足倍的关系，也即是说其自相关波形系数为0.707。显然，由于谐波电流dq轴分量在6次谐波的基础上还叠加了12、18等高次谐波，且各次谐波的相位还不尽相同，故导致波形系数和标准正弦信号的0.707相比偏小。

k_h＝I_hdmax/I_hqmax (19)

由前面的分析，可以得到k_h的理论计算结果为k_h＝2.6516。注意到，对于不控整流负载，各次谐波幅值之间的比例系数和负荷轻重无关，也就是说无论不控整流负载为多大，在dq轴上的电流的波形系数是不变的，以上的k_d、k_q、和k_h是常数。

由上述分析，根据视在功率的定义，谐波和无功负载电流的视在容量可以表示为

其中，P_h和Q_h为谐波电流的有功分量和无功功率，Q为基波电流的无功功率

由前面自相关和互相关波形系数的定义可知，式(20)可进一步化简为

由前面自相关和互相关波形系数的定义可知，式(21)可进一步化简为

可见，谐波和无功负载电流的视在功率完全可以由dq其轴分量的幅值来表示。出于计算方便以及DSP运算简洁考虑，尝试消除式(22)中的开方运算，下面对S_c的表达式做近似

S_c≈S_c'＝-U_qI_c (23)

其中，系数τ为波形调整系数，I_c定义为所需补偿电流的等效电流，可以表示为

此外，算法的近似性能还能够通过波形调整系数τ来调节，通过优化选择可以使得两平面之间的误差J最小，其中

其中，Ω₁和Ω₂分别表示考虑的I_hqmax和I_hdmax取值范围，|·|表示取集合元素的个数。最优的调整系数τ的取值为0.78。总之，通过波形系数、波形调整系数的定义，无功和谐波电流的视在容量的计算过程可以获得极大的简化，大大降低了对DSP的运算负担。

基于以上分析，补偿系数和等效负荷电流I_c之间的关系可以表示为

其中，I_c0为I_c的一个阈值，k为下垂控制器的斜率，并决定了多功能并网逆变器无功和谐

波电流分摊的性能。一般地，下垂系数k可选为

k＝1/(I_cmax-I_c0) (27)

其中，I_cmax为DG所能提供电能质量补偿功能的最大等效电流，表征了该DG补偿电流幅值的极限。如果一个DG所能提供的补偿功率的视在容量为S_g，可以近似地选择为I_cmax＝-S_g/U_q。

由图所示的指令电流计算方法，以及上述下垂控制策略，DG实际投入的补偿电流分量为

需要说明的是，这种基于下垂的控制策略，不会引入其他频率的谐波电流，即各DG都是按照一定的比例对所检测到的谐波和无功电流进行补偿，相当于从上一级DG看来，下级DG降低了谐波和无功负载的大小。总之，这种补偿，不会改变前面定义的谐波的自相关和互相关波形系数的大小，只是根据自身的容量对无功和谐波电流进行了分摊。

Claims (4)

1.一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，其特征在于：多功能并网逆变器首先检测到流过其机端的负荷电流中的谐波和无功分量，然后在自身给定的下垂控制律的作用下对所检测到的谐波和无功电流进行适度的补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，其特征在于：每台多功能并网逆变器都检测电气下游电流的等效负荷电流i_Labc，以及自身的并网电流i_abc；然后，计算i_Labc中的谐波和无功电流分量i_tdq，得到该多功能并网逆变器实际所需投入的补偿系数α，进而得到谐波和无功补偿电流指令i_tdq＝αi_tdq。

3.根据权利要求1所述的一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，其特征在于：由并网功率跟踪指令部分的计算结果得到并网电流跟踪指令i_gdq，两者之和最终共同构成多功能并网逆变器输出电流指令i_refabc。

4.根据权利要求1所述的一种基于下垂的谐波和无功电流无线分摊控制方法，其特征在于：根据并网逆变器输出电流反馈i_abc，由多谐振PR控制器和SPWM调制策略得到逆变器IGBT所需的触发脉冲信号。