CN110176769A - 一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，包括：设计初级控制中重复控制的内模，构建内模控制的补偿环节，设计初级控制中准比例谐振控制器，设计二级控制器中多比例谐振控制器的传递函数，设计二级控制器中超前补偿器的传递函数和谐波补偿函数。本发明通过二级控制向初级控制发送补偿信号以调节主电源的输出电压，从而对微网群的电压谐波进行补偿。初级控制采用基于准比例谐振和重复控制的复合控制方法，其作用于微网群的主电源，能有效减少电网电压、频率波动产生的影响，具备较好的动态与稳态跟踪性能；该方法能够有效抑制微网群的电压谐波含量，提高电压电能质量。

Description

一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法

技术领域

本发明属于微电网控制技术领域，特别涉及一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法。

背景技术

微电网是由分布式电源、储能、能量转换装置、监控和保护装置、负荷等汇集而成的一个可以独立运行的小型发用电系统。它具备自我控制和自我能量管理的能力，是发挥分布式电源效能的主要方式，具有巨大的社会与经济意义。随着微电网负荷类型的日益复杂化，以及敏感性负荷的增多，微电网的电能质量面临严峻的考验。尤其在由多个微电网互联组成的微网群中，微电网局部非线性负荷的接入，使微网群公共耦合点处电压和电流发生畸变，对微电网造成严重影响，严重时会造成系统的崩溃。针对微网群中谐波补偿方法展开深入研究对维持微网群的稳定运行具有重要意义。

现有技术的文献记载中：

文献Islanded-mode control of electronically coupled distributed-resource units under unbalanced and nonlinear load conditions(M.B.Delghaviand A.Yazdani.Islanded-mode control of electronically coupled distributed-resource units under unbalanced and nonlinear load conditions[J].IEEETransactions on Power Delivery,vol.26,no.2,pp.661–673,Apr.2011.)基于重复控制的思想，提出一种无差拍控制与重复控制相结合的复合控制方法，该控制策略可以实现对系统电压不平衡和负载电流畸变的控制。

文献Interactive distributed generation interface for flexible micro-grid operation 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,vol.3,no.2,pp.295-305,Apr.2012.)提出对基波电流和各阶次谐波电流进行单独控制的策略，其中基波电流采用比例积分控制，各阶次谐波电流采用比例谐振控制，以抑制产生的谐波。

文献A Unified Voltage Harmonic Control Strategy for CoordinatedCompensation With VCM and CCM Converters(X.Zhao,L.X.Meng,C.Xie,J.M.Guerreroand X.H.Wu.A Unified Voltage Harmonic Control Strategy for CoordinatedCompensation With VCM and CCM Converters[J].IEEE Transactions on PowerElectronics,vol.33,no.8,pp.7132–7147,Aug.2018.)针对电压控制模式逆变器和电流控制模式逆变器同时运行的场景，提出一种联合电压谐波补偿策略。该策略在实现谐波电流在逆变器之间精确分配的同时有效地降低电压谐波含量。

上述文献控制方法只补偿了分布式电源端的谐波，其并没有考虑对公共耦合点处的谐波补偿效果。

发明内容

针对以上不足，本发明提出一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，该方法是一种分层控制的方法，二级控制通过向初级控制发送补偿信号以调节主电源的输出电压，从而达到对微网群公共耦合点处电压谐波的补偿。本发明在应对非线性负载时，能够有效抑制微网群公共耦合点的电压谐波含量，提高电压电能质量。

本发明采取的技术方案为：

一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，包括以下步骤：

步骤1：设计初级控制中重复控制的内模M(s)，内模重复控制的传递函数为：

其中，τ_d表示输入信号的周期，s为复频域算子，表示延时环节，W(s)为低通滤波器的传递函数。

步骤2：构建内模控制的补偿环节，根据H_∞控制标准问题，使输入到输出的闭环传递函数的H_∞范数极小。系统输入、输出分别为w＝[v_g2 i_ref a]^T、z＝[z_e z_u z_t]^T，含有鲁棒控制器的闭环系统状态空间模型表示为：

其中，v_g2为电网电压，i_ref为参考电流，a为内模延时环节的输入；

z_e为内模延时环节的输出，z_u为控制输出，z_t为系统鲁棒性能的系统输出量；

u'为控制输出信号，y为量测输出信号，G为广义传递函数矩阵，K为待设计的鲁棒控制器。

步骤3：设计初级控制中准比例谐振控制器，准比例谐振控制器的传递函数为：

其中，s为复频域算子，ω₁为基波角频率，K_P为比例参数，K_R为谐振参数，为影响系统带宽的参数。

步骤4：设计二级控制器中多比例谐振控制器的传递函数，其传递函数为：

其中，C(s)是保证闭环电压控制系统鲁棒性的超前补偿器。G₁(s)与G_h(s)分别为一次谐波和h次谐波的补偿函数。

步骤5：设计二级控制器中超前补偿器的传递函数和谐波补偿函数，

二级控制器中超前补偿器，其传递函数为：

其中，g_c为超前补偿器的增益，z为零点频率，p为极点频率，s为复频域算子。

二级控制器中谐波补偿函数，其传递函数为：

其中，a_h、b_h为常系数，g_h为增益常数，ω_o为系统的标称频率，ω_c为一个小的正数，用于限制开环系统在ω_o处的增益。

所述步骤2中，内模重复控制的补偿环节中的传递函数矩阵G，传递函数矩阵G求解如下：

针对广义被控系统选择状态变量x＝[i_f2 i_g2 v_c2]^T，同时w＝[v_g2 i_ref a]^T，输出y＝i_ref-i_g2，可得到如下状态方程：

其中，i_f2为电感电流，i_g2为电网电流，v_c2为滤波电容电压；v_g2为电网电压，i_ref为参考电流，a为内模延时环节的输出；为状态变量的一阶微分形式，A₁为系统矩阵，B₁₁、B₁₂为输入矩阵；R_f2、R_d2、L_f2、L_g2和C_f2为储能主电路中的电阻、电感和电容的值。

设加权函数W_e、W_u、W_t如下：

等式的数学描述为：W_e＝C_e(sI-A_e)^-1B_e+D_e，W_u＝C_u(sI-A_u)^-1B_u+D_u，W_t＝C_t(sI-A_t)^-1B_t+D_t。其中，W_e为跟踪偏差加权函数，W_u控制输出的加权函数，W_t系统鲁棒性能的加权函数；A_e，B_e，C_e，D_e分别为跟踪偏差加权下的系统参数，输入参数，输出参数和前馈参数；A_u，B_u，C_u，D_u分别为控制输出加权下的系统参数，输入参数，输出参数和前馈参数；A_t，B_t，C_t，D_t分别为系统鲁棒性能加权下的系统参数，输入参数，输出参数和前馈参数；s为复频域算子，I单位矩阵。

可以得到在已知输入：w＝[v_g2 i_ref a]^T、u'及输出z＝[z_e z_u z_t]^T和y的条件下，广义被控对象：

C_e1＝[0 -1 0]，D_e1′＝[0 1 1]，D_e2′＝0，C_u1′＝[0 0 0]，D_u1′＝[0 0 0]，D_u2′＝1，C_t1′＝[0 1 0]，D_t1′＝[0 0 0]，D_t2′＝0，C₂＝[0 -1 0]，D₂₁＝[0 1 0]，D₂₂＝0。

其中，_u'为控制输出信号；v_g2为电网电压，i_ref为参考电流，a为内模延时环节的输出；z_e为误差输出，z_u为控制输出，z_t为系统鲁棒性能的系统输出量；y为量测输出信号；G为广义传递函数矩阵。

A₁为系统矩阵；B_e为跟踪偏差加权下的输入参数，B_u为控制输出加权下的输入参数，B_t为系统鲁棒性能加权下的输入参数；B₁₁与B₁₂为广义被控对象下的输入矩阵；

C_e为跟踪偏差加权下的输出参数，C_u为控制输出加权下输出参数，C_t为系统鲁棒性能加权下的输出参数，C_e1′为输出跟踪偏差的输出参数，C_u1′为输出为控制信号的输出参数，C_t1′为输出为鲁棒性能的输出参数；

D_e为跟踪偏差加权下的前馈参数，D_u为控制输出加权下的前馈参数，D_t为系统鲁棒性能加权下的前馈参数，D₂₁与D₂₂为广义被控对象下的前馈参数，D_e1′与D_e2′为广义被控对象下输出为跟踪偏差的前馈参数，D_u1′与D_u2′为广义被控对象下输出为控制信号的前馈参数，D_t1′与D_t2′为广义被控对象下输出为鲁棒性能的前馈参数。

本发明一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，优点在于：

1：通过二级控制向初级控制发送补偿信号以调节主电源的输出电压，从而对微网群的电压谐波进行补偿。

2：初级控制采用基于准比例谐振和重复控制的复合控制方法，其作用于微网群的主电源，能有效减少电网电压、频率波动产生的影响，具备较好的动态与稳态跟踪性能。

3：二级控制由一个谐振频率可调的多比例谐振控制器和谐波阻抗控制器组成。它通过向主电源逆变器注入谐波补偿信号以调节公共耦合点处谐波含量。

4：该方法能够有效抑制微网群的电压谐波含量，提高电压电能质量。

附图说明

图1是多微网结构图。

图2是微网群谐波补偿方法控制结框图。

图3是本发明系统初级控制的传递函数框图。

图4(a)是微网群系统中接入非线性负载时，公共耦合点的三相电压实验波形图；

图4(b)是微网群系统中接入非线性负载时，公共耦合点的三相电流实验波形图；

图4(c)是微网群系统中接入非线性负载时，公共耦合点的谐波畸变率。

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为微网群结构图。微网群由4个微电网组成，其中微电网1为三相电网，微电网2、微电网3和微电网4为单相微电网，且通过断路器与微电网1相连，整个多微网通过断路器L1与大电网相连。当L1断开时，微网群切换为孤岛运行模式，由微电网1中的储能装置为其余三个微电网提供电压和频率支撑。

图2是微网群谐波补偿方法控制结构框图。图2中可见控制方法的详细步骤：

首先采集微网群公共耦合点处h次的谐波电压与给定h次的谐波电压参考值的差值作为二级控制的输入信号。通过调节微网群主电源的谐波阻抗，以对谐波进行补偿。当谐波阻抗控制器启动时，比例积分(PI)控制器将参数调整到一个理想的值，以便跟踪参考信号；当谐波阻抗器未启动时，将分布式单元的谐波阻抗保持在最小值，即ω_c＝1.5。然后将信号输入到多比例谐振控制器，对谐波进行补偿，使闭环系统在谐波作用下的稳态误差为零。最后将生成的信号传输到初级控制。初级控制基于准比例谐振和重复控制，作用于微网群各分布式单元电源，使其不仅具有较好的动态特性，而且还具有较强的谐波抑制能力。

其中，系统参数如下：

容量30KVA，380V(LL)，50Hz，滤波电感L_f1＝1.3mH，电阻R_f1＝0.1mH，滤波电容C_f1＝50μF，开关频率f_sw1＝10kHz。接入非线性负载R＝4Ω，L＝10mH。

超前补偿器中：g_c＝1，z＝67，p＝11700，因此：

低通滤波器W(s)取值为：

图3是本发明初级控制的传递函数框图。其中G_QPR(s)为准比例谐振控制器；M(s)为重复控制内模；K(s)为基于改进加权函数设计方法求得的鲁棒补偿器，P(s)为系统被控对象传递函数，D(s)为扰动通道传递函数。

鲁棒控制器K(s)表达式为：

准比例谐振控制器G_QPR(s)中：K_P＝1，K_R＝200，ω₁＝314rad/s。因此：

该初级控制方法由重复控制和准比例谐振控制两部分组成。重复控制作用于微网群的主电源，能有效减少电网电压、频率波动产生的影响，具备较好的动态与稳态跟踪性能。准比例谐振控制能够在指定的频率下得到无穷大的增益，极大的消除静态跟踪误差。采用两种控制方法可以使微网群电压不仅具有较好的动态特性，而且还具有较强的稳态特性和谐波抑制能力。

图4(a)、图4(b)、图4(c)是微网群系统中接入非线性负载时的实验波形图。图4(a)为公共耦合点的三相电压，图4(b)为公共耦合点的三相电流，图4(c)为公共耦合点的谐波畸变率。从图4(c)中我们可以看到，在0.35s时刻，当系统接入非线性负载时，A相电压的总畸变率为3.49％。上述测试结果表明，本发明所提出的二级控制方法使系统在应对突加非线性负载时具备较强的谐波抑制能力，能使输出电压具有较高的电能质量。

Claims (4)

1.一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：设计初级控制中重复控制的内模M(s)，内模重复控制的传递函数为：

其中，τ_d表示输入信号的周期，s为复频域算子，表示延时环节，W(s)为低通滤波器的传递函数；

步骤2：构建内模控制的补偿环节，根据H_∞控制标准问题，使输入到输出的闭环传递函数的H_∞范数极小；系统输入、输出分别为w＝[v_g2 i_ref a]^T、z＝[z_e z_u z_t]^T，含有鲁棒控制器的闭环系统状态空间模型表示为：

其中，v_g2为电网电压，i_ref为参考电流，a为内模延时环节的输入；

z_e为内模延时环节的输出，z_u为控制输出，z_t为系统鲁棒性能的系统输出量；

u'为控制输出信号，y为量测输出信号，G为广义传递函数矩阵，K为待设计的鲁棒控制器；

步骤3：设计初级控制中准比例谐振控制器，准比例谐振控制器的传递函数为：

其中，s为复频域算子，ω₁为基波角频率，K_P为比例参数，K_R为谐振参数，为影响系统带宽的参数；

步骤4：设计二级控制器中多比例谐振控制器的传递函数，其传递函数为：

其中，C(s)是保证闭环电压控制系统鲁棒性的超前补偿器；G₁(s)与G_h(s)分别为一次谐波和h次谐波的补偿函数；

步骤5：设计二级控制器中超前补偿器的传递函数和谐波补偿函数，

二级控制器中超前补偿器，其传递函数为：

其中，g_c为超前补偿器的增益，z为零点频率，p为极点频率，s为复频域算子；

二级控制器中谐波补偿函数，其传递函数为：

其中，a_h、b_h为常系数，g_h为增益常数，ω_o为系统的标称频率，ω_c为一个小的正数，用于限制开环系统在ω_o处的增益。

2.根据权利要求1所述一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，其特征在于：

所述步骤2中，内模重复控制的补偿环节中的传递函数矩阵G，传递函数矩阵G求解如下：

针对广义被控系统选择状态变量x＝[i_f2 i_g2 v_c2]^T，同时w＝[v_g2 i_ref a]^T，输出y＝i_ref-i_g2，可得到如下状态方程：

其中，i_f2为电感电流，i_g2为电网电流，v_c2为滤波电容电压；v_g2为电网电压，i_ref为参考电流，a为内模延时环节的输入i_g2为电网电流；为状态变量的一阶微分形式，A₁为系统矩阵，B₁₁、B₁₂为输入矩阵；R_f2、R_d2、L_f2、L_g2和C_f2为储能主电路中的电阻、电感和电容的值；

设加权函数W_e、W_u、W_t如下：

等式的数学描述为：W_e＝C_e(sI-A_e)^-1B_e+D_e，W_u＝C_u(sI-A_u)^-1B_u+D_u，W_t＝C_t(sI-A_t)^-1B_t+D_t；

其中，W_e为跟踪偏差加权函数，W_u控制输出的加权函数，W_t系统鲁棒性能的加权函数；A_e，B_e，C_e，D_e分别为跟踪偏差加权下的系统参数，输入参数，输出参数和前馈参数；A_u，B_u，C_u，D_u分别为控制输出加权下的系统参数，输入参数，输出参数和前馈参数；A_t，B_t，C_t，D_t分别为系统鲁棒性能加权下的系统参数，输入参数，输出参数和前馈参数；s为复频域算子，I单位矩阵；

可以得到在已知输入w＝[v_g2 i_ref a]^T、u'及输出z＝[z_e z_u z_t]^T和y的条件下，广义被控对象：

C_e1＝[0 -1 0]，D_e1′＝[0 1 1]，D_e2′＝0，C_u1′＝[0 0 0]，D_u1′＝[0 0 0]，D_u2′＝1，C_t1′＝[0 1 0]，D_t1′＝[0 0 0]，D_t2′＝0，C₂＝[0 -1 0]，D₂₁＝[0 1 0]，D₂₂＝0；

其中，u'为控制输出信号；v_g2为电网电压，i_ref为参考电流，a为内模延时环节的输出；z_e为误差输出，z_u为控制输出，z_t为系统鲁棒性能的系统输出量；y为量测输出信号；G为广义传递函数矩阵；

A₁为系统矩阵；B_e为跟踪偏差加权下的输入参数，B_u为控制输出加权下的输入参数，B_t为系统鲁棒性能加权下的输入参数；B₁₁与B₁₂为广义被控对象下的输入矩阵；

C_e为跟踪偏差加权下的输出参数，C_u为控制输出加权下输出参数，C_t为系统鲁棒性能加权下的输出参数，C_e1′为输出跟踪偏差的输出参数，C_u1′为输出为控制信号的输出参数，C_t1′为输出为鲁棒性能的输出参数；

D_e为跟踪偏差加权下的前馈参数，D_u为控制输出加权下的前馈参数，D_t为系统鲁棒性能加权下的前馈参数，D₂₁与D₂₂为广义被控对象下的前馈参数，D_e1′与D_e2′为广义被控对象下输出为跟踪偏差的前馈参数，D_u1′与D_u2′为广义被控对象下输出为控制信号的前馈参数，D_t1′与D_t2′为广义被控对象下输出为鲁棒性能的前馈参数。

3.一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，其特征在于：

首先采集微网群公共耦合点处h次的谐波电压与给定h次的谐波电压参考值的差值作为二级控制的输入信号，通过调节微网群主电源的谐波阻抗，以对谐波进行补偿；

当谐波阻抗控制器启动时，比例积分控制器将参数调整到一个理想的值，以便跟踪参考信号；当谐波阻抗器未启动时，将分布式单元的谐波阻抗保持在最小值，即ω_c＝1.5；

然后将信号输入到多比例谐振控制器，对谐波进行补偿，使闭环系统在谐波作用下的稳态误差为零；

最后将生成的信号传输到初级控制，初级控制基于准比例谐振和重复控制，作用于微网群各分布式单元电源。

4.一种基于二级控制的微网群谐波补偿方法，其特征在于：初级控制由重复控制和准比例谐振控制两部分组成，重复控制作用于微网群的主电源，能有效减少电网电压、频率波动产生的影响；准比例谐振控制能够在指定的频率下得到无穷大的增益。