CN110165672A - 一种多微网分布式谐波补偿方法 - Google Patents
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Abstract
一种多微网分布式谐波补偿方法，包括建立初级控制的数学模型；设计初级电压控制器，以控制对象、加权函数为广义被控对象，构造广义被控对象的优化问题模型；设计准比例谐振控制器；采集公共耦合点的三相电压，计算谐波畸变率，二级控制基于谐波畸变率生成控制信号，并将其传输至初级控制，以达到抑制谐波的目的。本发明一种多微网分布式谐波补偿方法，该方法中，初级控制能使输出电压具有较强的鲁棒性；二级控制通过向初级控制发送补偿信号以控制公共耦合点的谐波畸变率。该方法能够使输出电压具有较强的鲁棒性和较好的谐波抑制能力。
Description
技术领域
本发明属于微电网控制技术领域，具体涉及一种多微网分布式谐波补偿方法。
背景技术
多微网是发挥分布式电源效能的一种有效供电方式。多微网中非线性负荷是产生谐波的主要原因。谐波会降低供电质量，甚至对多微网的安全运行带来巨大的危害。为了保障多微网的安全稳定运行，有必要对多微网的谐波抑制方法展开深入研究。
现有技术文献中：
基于复合模型预测控制策略的三电平APF研究(王峰，张旭隆，何凤有，等.基于复合模型预测控制策略的三电平APF研究[J].电力系统保护与控制，2014，42(11):79－85.)通过将预测控制与自适应广义积分器组合，提出了一种基于复合模型预测控制的三电平有源滤波器控制策略。该策略有效改善了控制系统的稳定性并提高了谐波补偿精度，但其没有考虑滤波电感参数偏移对谐波补偿的影响。
Harmonic voltage resonant compensation control of a three-phaseinverter for battery energy storage systems applied in isolated microgrid(Quan X,Dou X,Wu Z,et al.Harmonic voltage resonant compensation control of athree-phase inverter for battery energy storage systems applied in isolatedmicrogrid[J].Electric Power Systems Research,2016,131:205-217.)提出了一种具有谐波电压谐振补偿能力的下垂控制策略。谐振控制能较好的处理谐波畸变，但是谐振控制需要针对各次谐波单独设计控制器，从而增加了整个控制结构的复杂度。
Multi-objective control based on resonant control for microgridenergy storage converter(LI Yanlin，WANG Mingyan，ZHENG Zaiman.Multi-objectivecontrol based on resonant control for microgrid energy storage converter[J].Electric Power Automation Equipment，2014，34(3):22－27.)提出了一种针对特定次谐波进行补偿的主动算法，但是该算法引入了多个滤波器，其控制较为复杂。
Interactive distributed generation interface for flexible micro-gridoperation in smart distribution systems(Kahrobaeian A,Mohamed A RI.Interactive distributed generation interface for flexible micro-gridoperation in smart distribution systems[J].IEEE Transactions on SustainableEnergy,2015,3(2):295-305.)提出了对基波电流和各次谐波电流进行单独控制的策略，其中各次谐波电流的控制采用准比例谐振控制器，以抑制谐波的产生。但该策略在对公共耦合点处的谐波抑制效果较差。
发明内容
针对以上不足，本发明提出一种多微网分布式谐波补偿方法，该方法中，初级控制能使输出电压具有较强的鲁棒性；二级控制通过向初级控制发送补偿信号以控制公共耦合点的谐波畸变率。该方法能够使输出电压具有较强的鲁棒性和较好的谐波抑制能力。
本发明采取的技术方案为：
一种多微网分布式谐波补偿方法，包括以下步骤：
步骤1：建立初级控制的数学模型，该数学模型传递函数为：
其中，G(s)是控制通道的传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数。
步骤2：设计初级电压控制器，其含有鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数可表示为：
且，u'＝Ky，z＝[ze zu zt]T，w＝[ig1vref]T；
其中，u'为控制输出信号，K为待设计的鲁棒控制器，y表示量测输出信号，ze、zu和zt分别表示误差输出、控制输出和系统鲁棒性能的系统输出量，ig1为电网电压，vref为参考电压，G为广义传递函数矩阵。
初级电压控制器加权函数的数学表达式为：
其中，s为复频域算子，M为s的频率响应的最大峰值，A为系统的最大稳态跟踪误差，为系统的最小带宽频率。
步骤3：以控制对象、加权函数为广义被控对象，构造广义被控对象的优化问题模型，
其中，p为满足要求的鲁棒控制器集合，ξ为权重系数。Wu表示控制输出的加权函数，被用来控制输入信号的大小。Wt表示系统鲁棒性能的加权函数，应保障在高频时的增益足够大。We为初级电压控制器加权函数。
Wu＝ku；其中ku为常数。
S为灵敏度函数：S(s)＝[1+G(s)K(s)]-1。
Tur为补灵敏度函数：Tur(s)＝K(s)[1+G(s)K(s)]-1。
Tyr为鲁棒控制器输出到输入的闭环传递函数：Tyr(s)＝[1+G(s)K(s)]-1G(s)K(s)。
其中，G(s)是控制通道传递函数，K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数。
步骤4：设计准比例谐振控制器，该控制器传递函数为：
其中，s为复频域算子，ω1为基波角频率，KP为比例参数，KR为谐振参数，为影响系统带宽的参数。
步骤5：采集公共耦合点的三相电压，计算谐波畸变率，其各次谐波畸变率计算方程为：
其中，Vh为公共耦合点三相电压中第h次谐波电压，Vfund为三相电压的基波电压
步骤6：二级控制基于谐波畸变率生成控制信号，并将其传输至初级控制，以达到抑制谐波的目的。
所述步骤6包括：首先，将计算出的谐波畸变率与谐波参考值进行比较，然后将误差反馈给二级控制的控制器中，再将控制器的输出与谐波电压的正、负序分量相乘，得到谐波的正、负序分量的补偿参考信号；最后将补偿参考信号发送至初级控制，通过初级控制实现对电压谐波的抑制。
针对单三相混联多微网，本发明提供一种多微网分布式谐波补偿方法，在该方法下，系统鲁棒性得到显著增强，在非线性负载的影响下，公共耦合点的谐波电压得到有效抑制。
本发明方法采用分层结构补偿方式。初级控制采用准比例谐振控制与鲁棒控制组合的电压控制策略，该电压控制策略在应对非线性负荷时能使输出电压具有较好的电能质量。二级控制则是通过向初级控制发送适当的参考信号以控制公共耦合点的谐波畸变率。本发明所提出的补偿方法在应对干扰时，具有较强的鲁棒性和较好的谐波抑制能力。
附图说明
图1是多微网控制结构图。
图2是基于准比例控制与鲁棒控制的电压控制传递函数结构框图。
图3(a)是加入非线性负载后公共耦合点的三相电压波形图。
图3(b)是加入非线性负载后公共耦合点的三相电流波形图。
图3(c)是加入非线性负载后公共耦合点的谐波畸变率图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1为多微网控制结构图。该多微网是单三相混联多微网，由三相微电网1、A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4组成。三相微电网1包括储能装置、光伏发电单元和三相负载。A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4分别单独接在三相微电网1的A、B、C三相。整个多微网通过并离网开关L1与配电网相连。当并离网开关L1断开时，多微网处于孤岛运行模式，此时A相单相微电网2、B相单相微电网3、C相单相微电网4仍然接在三相微电网1的各相中，并且由三相微电网1中的主电源储能装置为整个多微网提供电压和频率支撑。
其中储能主电路参数为：容量30KVA，380V(LL)，50Hz，滤波电感Lf1＝1.3mH，电阻Rf1＝0.1mH，滤波电容Cf1＝50μF，开关频率fsw1＝10kHz。
初级控制采用准比例谐振控制与鲁棒控制组合的电压控制策略，二级控制则通过发送控制信号至初级控制以控制公共耦合点的谐波畸变率，具体过程为：先采集公共耦合点的三相电压，再将公共耦合点的三相电压转换到dq坐标系下，利用dq坐标系中第3、5、7次谐波的正负序分量计算谐波畸变率。将第3、5、7次谐波畸变率与谐波畸变率参考值进行比较，其误差反馈给二级控制中的控制器，二级控制再将控制信号传输至初级控制以达到抑制谐波的目的。
图2是准比例控制与鲁棒控制组合的电压控制传递函数结构框图。其中G(s)为控制通道传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒控制器传递函数，D(s)为扰动通道传递函数。
在本发明中，鲁棒控制器K(s)设计为：
准比例谐振控制器GQPR(s)的参数设计为：KP＝1，KR＝200，ω1＝314rad/s，则
该电压控制方法由准比例谐振控制和鲁棒控制组成。鲁棒控制在应对参数变化、非线性负载等干扰时具有较好的控制效果。利用准比例谐振控制器在谐振频率处增益无穷大和较大宽带的特点，消除稳态误差，提高抗干扰能力。
图3(a)、图3(b)、图3(c)是加入非线性负载后公共耦合点波形图。图3(a)为公共耦合点的三相电压，图3(b)为公共耦合点的三相电流，图3(c)为公共耦合点的谐波畸变率。在t＝0.35s时，在多微网中接入非线性负载(R＝4Ω,L＝12mH)。从图3(c)可以看出，在加入非线性负载后，A相电压的总畸变率为3.8％。上述结果表明本发明所提出的双层谐波补偿方法在应对非线性负载时，能够取得较好的谐波抑制效果。
Claims (2)
1.一种多微网分布式谐波补偿方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：建立初级控制的数学模型，该数学模型传递函数为：
其中，G(s)是控制通道的传递函数；GQPR(s)为准谐振控制器传递函数；K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数；
步骤2：设计初级电压控制器，其含有鲁棒控制器的闭环系统输出传递函数可表示为：
且，u'＝Ky，z＝[ze zu zt]T，w＝[ig1 vref]T；
其中，u'为控制输出信号，K为待设计的鲁棒控制器，y表示量测输出信号，ze、zu和zt分别表示误差输出、控制输出和系统鲁棒性能的系统输出量，ig1为电网电压，vref为参考电压，G为广义传递函数矩阵；
初级电压控制器加权函数的数学表达式为：
其中，s为复频域算子，M为s的频率响应的最大峰值，A为系统的最大稳态跟踪误差，为系统的最小带宽频率；
步骤3：以控制对象、加权函数为广义被控对象，构造广义被控对象的优化问题模型，
其中，p为满足要求的鲁棒控制器集合，ξ为权重系数；Wu表示控制输出的加权函数，被用来控制输入信号的大小；Wt表示系统鲁棒性能的加权函数，应保障在高频时的增益足够大；We为初级电压控制器加权函数；
Wu＝ku；其中ku为常数；
S为灵敏度函数：S(s)＝[1+G(s)K(s)]-1；
Tur为补灵敏度函数：Tur(s)＝K(s)[1+G(s)K(s)]-1；
Tyr为鲁棒控制器输出到输入的闭环传递函数：Tyr(s)＝[1+G(s)K(s)]-1G(s)K(s)；
其中，G(s)是控制通道传递函数，K(s)为鲁棒反馈控制器传递函数；
步骤4：设计准比例谐振控制器，该控制器传递函数为：
其中，s为复频域算子，ω1为基波角频率，KP为比例参数，KR为谐振参数，为影响系统带宽的参数；
步骤5：采集公共耦合点的三相电压，计算谐波畸变率，其各次谐波畸变率计算方程为：
其中，Vh为公共耦合点三相电压中第h次谐波电压，Vfund为三相电压的基波电压
步骤6：二级控制基于谐波畸变率生成控制信号，并将其传输至初级控制，以达到抑制谐波的目的。
2.根据权利要求1所述一种多微网分布式谐波补偿方法，其特征在于：所述步骤6包括：首先，将计算出的谐波畸变率与谐波参考值进行比较，然后将误差反馈给二级控制的控制器中，再将控制器的输出与谐波电压的正、负序分量相乘，得到谐波的正、负序分量的补偿参考信号；最后将补偿参考信号发送至初级控制，通过初级控制实现对电压谐波的抑制。
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