CN110266009A - 一种交流微电网高次谐波有源稳定装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种交流微电网高次谐波有源稳定装置和方法,所述方法包括:根据采集的母线电压信号,得到母线电压谐波分量和母线电压高次谐波角频率;根据母线电压高次谐波角频率和母线电压谐波分量,得到阻尼电流指令;根据设定的储能电容电压参考值,对采集到的储能电容电压进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令;根据有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,并根据输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;根据调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。本发明能够抑制交流微电网中易出现的1kHz~10kHz高次谐波,从而提高交流微电网系统稳定性。

Description

一种交流微电网高次谐波有源稳定装置和方法
技术领域
本发明属于微电网电能质量控制领域,更具体地,涉及一种交流微电网高次谐波有源稳定装置和方法。
背景技术
微电网作为传统大电网的重要补充,在可再生能源发电、海岛等边远地区供电、提高供电可靠性等方面具有重要的意义,近年来我国出现了大量微电网示范工程。随着微电网研究的深入,微电网中的电能质量问题也得到了越来越多人的关注。
交流微电网中含有大量分布式电源,而分布式电源通过并网变换器连接至同一交流母线,并通过交流母线接入电网。并网变换器使用高频开关器件和脉宽调制的方式,会产生大量的高次谐波;并且由于并网变换器中广泛使用的LCL滤波器自身存在谐振峰,也有可能威胁系统的稳定性;更为重要的是,多个并网变换器连接到电网的同一公共连接点时,变换器与变换器之间、变换器与电网之间存在的谐波交互作用可能引发谐振,使系统出现过电压、过电流现象,威胁系统的安全稳定运行。
目前,解决交流微电网系统稳定性问题的方法分两类:第一类方法从并网变换器的控制着手,通过改变并网变换器控制系统的参数,从根源上避免变换器与变换器之间、变换器与电网之间存在的谐波交互作用,减少谐振发生的可能性,但是这种方法需要先分析出整个微电网系统是否稳定以及稳定条件,一旦系统的规模较大,系统的稳定性问题将变得相当复杂,而且随着系统规模的改变,相应的稳定条件也将随之改变,因此该方法并不适用于大型交流微电网;第二类方法从微电网系统的外部着手,通过在交流母线上并联有源电能质量调节装置,实时检测微电网系统中谐振的发生,一旦系统不稳定,控制有源电能质量调节装置向系统中注入相应的阻尼电流,抑制系统中的谐振,但是传统的有源电能质量调节装置开关频率一般在10kHz左右,而交流微电网系统的谐振问题通常在1kHz至10kHz区间内,传统的装置无法解决。
发明内容
针对现有技术的缺陷,本发明的目的在于提供一种交流微电网高次谐波有源稳定装置和方法,旨在解决现有交流微电网系统中由于存在1kHz至10kHz的谐振,而造成系统稳定性较低的问题。
为实现上述目的,本发明一方面提供了一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,所述稳定装置与交流微电网的交流母线连接;
所述稳定装置包括:储能电容、三相H桥逆变电路、LCL滤波器、采样模块、高次谐波频率检测模块、谐振控制器、电压外环控制模块、电流内环控制模块、驱动信号输出模块;所述三相H桥逆变电路中的开关管采用100kHz的开关频率;
所述采样模块,用于采集交流微电网的母线电压信号、LCL滤波器输出电流信号及储能电容电压信号;
所述高次谐波频率检测模块,用于对采集的母线电压信号进行递归离散傅里叶变换,得到母线电压谐波分量,并根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率;
所述谐振控制器,用于根据所述母线电压高次谐波角频率和所述母线电压谐波分量,得到阻尼电流指令;
所述电压外环控制模块,用于根据设定的储能电容电压参考值,对采集到的储能电容电压进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令;
所述电流内环控制模块,根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,并根据所述输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;
所述驱动信号输出模块,根据所述调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。
进一步地,所述高次谐波频率检测模块通过以下微分方程表示,
其中,vac,h为高次谐波频率检测模块的输入,即交流母线电压的谐波分量;ωr为高次谐波角频率的估计值;x′为检测出的高次谐波信号;x′与x″分别为x对时间的一阶导数和二阶导数;e为输入信号与检测出的高次谐波信号之间的误差信号;k、λ为常系数。
进一步地,所述谐振控制器的传递函数为
其中,Rd表示参考阻尼电阻,ωr表示高次谐波角频率,ωc表示谐振控制器带宽。
进一步地,所述根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,具体为,所述有功电流指令减去所述阻尼电流指令,得到输出电流指令。
进一步地,所述三相H桥逆变电路中的开关管采用碳化硅或氮化镓材料。
本发明另一方面提供了一种交流微电网高次谐波有源稳定方法,包括:
(1)采集交流微电网的母线电压信号、LCL滤波器输出电流信号及储能电容电压信号;
(2)对采集的母线电压信号进行递归离散傅里叶变换,得到母线电压谐波分量,并根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率;
(3)根据所述母线电压高次谐波角频率和所述母线电压谐波分量,得到阻尼电流指令;
(4)根据设定的储能电容电压参考值,对采集到的储能电容电压进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令;
(5)根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,并根据所述输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;
(6)根据所述调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。
进一步地,步骤(2)中所述根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率,具体为:根据所述母线电压谐波分量,通过微分方程:
得到母线电压高次谐波角频率;
其中,vac,h为高次谐波频率检测模块的输入,即交流母线电压的谐波分量;ωr为高次谐波角频率的估计值;x′为检测出的高次谐波信号;x′与x″分别为x对时间的一阶导数和二阶导数;e为输入信号与检测出的高次谐波信号之间的误差信号;k、λ为常系数。
进一步地,步骤(3)中所述根据所述母线电压高次谐波角频率和所述母线电压谐波分量,获得阻尼电流指令的传递函数为
其中,Rd表示参考阻尼电阻,ωr表示高次谐波角频率,ωc表示谐振控制器带宽。
进一步地,步骤(5)中所述根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,具体为,所述有功电流指令减去所述阻尼电流指令,得到输出电流指令。
通过本发明所构思的以上技术方案,与现有技术相比,能够取得以下有益效果:
(1)本发明的高次谐波有源稳定装置,采用100kHz的开关频率,控制带宽远高于传统的电力电子装置,可以用于输出1kHz至10kHz的阻尼电流,从而抑制交流微电网中易出现的1kHz~10kHz的高次谐波;开关管采用碳化硅、氮化镓等宽禁带半导体材料,开关损耗明显降低,装置的体积和重量明显减小,使用起来更加便利、灵活。
(2)本发明采用基于自适应陷波滤波器的高次谐波频率检测模块,可以快速实时地检测、跟踪交流微电网中的高次谐波频率,较好地解决了交流母线上高次谐波多变、复杂的问题。
(3)本发明采用谐振控制器获取阻尼电流指令,对复杂的交流微电网系统中的高次谐波也可以起到良好的阻尼作用。
附图说明
图1表示本发明的高次谐波有源稳定装置在交流微电网中的安装位置示意图;
图2表示本发明的高次谐波有源稳定装置结构示意图;
图3表示本发明的高次谐波有源稳定装置主电路结构示意图;
图4表示适用于dq坐标系下的有源稳定装置控制结构图;
图5表示基于自适应陷波滤波器的高次谐波频率检测模块的控制框图;
图6表示交流微电网高次谐波有源稳定方法的实现流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
如图1所示,交流微电网中大量的分布式电源DG1-DGn通过并网变换器连接至交流母线,交流母线与电网vs通过电力传输线路相连,本发明的交流有源稳定装置也连接在交流母线上,用于维持微电网系统的稳定。
如图2所示,本发明实施例提供的一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,包括:储能电容Cm、三相H桥逆变电路、LCL滤波器、采样模块、高次谐波频率检测模块、谐振控制器、电压外环控制模块、电流内环控制模块、驱动信号输出模块;交流有源稳定装置的主电路结构如图3所示,主电路结构包括依次连接的储能电容Cm、三相H桥逆变电路和LCL滤波器;本发明中,三相H桥逆变电路中的开关管采用100kHz的开关频率;
采样模块,用于采集交流微电网的母线电压信号、LCL滤波器输出电流信号及储能电容电压信号;高次谐波频率检测模块,用于对采集的母线电压信号进行递归离散傅里叶变换,得到母线电压谐波分量,并根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率;谐振控制器,用于根据母线电压高次谐波角频率和母线电压谐波分量,得到阻尼电流指令;电压外环控制模块,用于根据设定的储能电容电压参考值,对采集到的储能电容电压进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令;电流内环控制模块,用于将有功电流指令减去阻尼电流指令,得到输出电流指令,并根据输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;驱动信号输出模块,根据调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。
本发明的高次谐波频率检测模块通过以下微分方程表示,
其中,vac,h为高次谐波频率检测模块的输入,即交流母线电压的谐波分量;ωr为高次谐波角频率的估计值;x′为检测出的高次谐波信号;x′与x″分别为x对时间的一阶导数和二阶导数;e为输入信号与检测出的高次谐波信号之间的误差信号;k、λ为常系数。
本发明的谐振控制器的传递函数为,
其中,Rd表示参考阻尼电阻,ωr表示高次谐波角频率,ωc表示谐振控制器带宽。
本发明中的三相H桥逆变电路中的开关管采用碳化硅或氮化镓材料。
参考图4,本发明实施例另一方面提供了一种交流微电网高次谐波有源稳定方法,包括:
(1)采集交流微电网的母线电压信号Vac、LCL滤波器输出电流信号iL及储能电容电压信号vm
(2)对采集的母线电压信号Vac进行递归离散傅里叶变换,得到母线电压谐波分量Vac,h,并根据母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率ωr
具体地,根据母线电压谐波分量,通过微分方程:
得到母线电压高次谐波角频率;
其中,vac,h为高次谐波频率检测模块的输入,即交流母线电压的谐波分量;ωr为高次谐波角频率的估计值;x′为检测出的高次谐波信号;x′与x″分别为x对时间的一阶导数和二阶导数;e为输入信号与检测出的高次谐波信号之间的误差信号;k、λ为常系数;
高次谐波频率检测模块的控制框图如图5所示,误差信号e相对于输入信号vac,h的传递函数如下:
可以得到对应的相位为:
其中,ω表示高次谐波角频率的实际值。
输入信号的正交信号q相对于输入信号vac,h的传递函数如下:
可以得到对应的相位为:
当高次谐波角频率实际值ω低于高次谐波角频率估计值ωr时,误差信号e和正交信号q相位相同,估计值的求导ωr′小于0,估计值ωr将趋近于实际值ω;当高次谐波角频率实际值ω高于高次谐波角频率估计值ωr时,误差信号e和正交信号q相位相反,估计值的求导ωr′大于0,估计值ωr将趋近于实际值ω。最终高次谐波角频率估计值ωr将与高次谐波角频率实际值ω相匹配,即实现对输入信号频率的检测。
(3)根据母线电压高次谐波角频率ωr和母线电压谐波分量Vac,h,得到阻尼电流指令
具体地,获得阻尼电流指令的传递函数为
其中,Rd表示参考阻尼电阻,ωr表示高次谐波角频率,ωc表示谐振控制器带宽。
(4)根据设定的储能电容电压参考值V*,对采集到的储能电容电压vm进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令
(5)根据有功电流指令和阻尼电流指令得到输出电流指令并根据输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流iL进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;
具体地,有功电流指令减去阻尼电流指令得到输出电流指令
(6)根据调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。
具体地,将调制信号与100kHz的高频载波信号进行比较,根据空间矢量脉冲宽度调制原理产生PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断,从而使有源稳定装置向交流母线注入与输出电流指令波形相同的输出电流。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,其特征在于,所述稳定装置与交流微电网的交流母线连接;
所述稳定装置包括:储能电容、三相H桥逆变电路、LCL滤波器、采样模块、高次谐波频率检测模块、谐振控制器、电压外环控制模块、电流内环控制模块、驱动信号输出模块;所述三相H桥逆变电路中的开关管采用100kHz的开关频率;
所述采样模块,用于采集交流微电网的母线电压信号、LCL滤波器输出电流信号及储能电容电压信号;
所述高次谐波频率检测模块,用于对采集的母线电压信号进行递归离散傅里叶变换,得到母线电压谐波分量,并根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率;
所述谐振控制器,用于根据所述母线电压高次谐波角频率和所述母线电压谐波分量,得到阻尼电流指令;
所述电压外环控制模块,用于根据设定的储能电容电压参考值,对采集到的储能电容电压进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令;
所述电流内环控制模块,根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,并根据所述输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;
所述驱动信号输出模块,根据所述调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。
2.根据权利要求1所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,其特征在于,所述高次谐波频率检测模块通过以下微分方程表示,
其中,vac,h为高次谐波频率检测模块的输入,即交流母线电压的谐波分量;ωr为高次谐波角频率的估计值;x′为检测出的高次谐波信号;x′与x″分别为x对时间的一阶导数和二阶导数;e为输入信号与检测出的高次谐波信号之间的误差信号;k、λ为常系数。
3.根据权利要求1或2所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,其特征在于,所述谐振控制器的传递函数为
其中,Rd表示参考阻尼电阻,ωr表示高次谐波角频率,ωc表示谐振控制器带宽。
4.根据权利要求1所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,其特征在于,所述根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,具体为,所述有功电流指令减去所述阻尼电流指令,得到输出电流指令。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定装置,其特征在于,所述三相H桥逆变电路中的开关管采用碳化硅或氮化镓材料。
6.一种交流微电网高次谐波有源稳定方法,其特征在于,包括:
(1)采集交流微电网的母线电压信号、LCL滤波器输出电流信号及储能电容电压信号;
(2)对采集的母线电压信号进行递归离散傅里叶变换,得到母线电压谐波分量,并根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率;
(3)根据所述母线电压高次谐波角频率和所述母线电压谐波分量,得到阻尼电流指令;
(4)根据设定的储能电容电压参考值,对采集到的储能电容电压进行电压闭环反馈调节,得到有功电流指令;
(5)根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,并根据所述输出电流指令对采集到的LCL滤波器输出电流进行电流闭环反馈调节,输出调制电压信号;
(6)根据所述调制电压信号获得PWM开关信号,控制三相H桥逆变电路中开关管的通断。
7.根据权利要求6所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定方法,其特征在于,步骤(2)中所述根据所述母线电压谐波分量,得到母线电压高次谐波角频率,具体为:根据所述母线电压谐波分量,通过微分方程:
得到母线电压高次谐波角频率;
其中,vac,h为高次谐波频率检测模块的输入,即交流母线电压的谐波分量;ωr为高次谐波角频率的估计值;x′为检测出的高次谐波信号;x′与x″分别为x对时间的一阶导数和二阶导数;e为输入信号与检测出的高次谐波信号之间的误差信号;k、λ为常系数。
8.根据权利要求6或7所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定方法,其特征在于,步骤(3)中所述根据所述母线电压高次谐波角频率和所述母线电压谐波分量,获得阻尼电流指令的传递函数为
其中,Rd表示参考阻尼电阻,ωr表示高次谐波角频率,ωc表示谐振控制器带宽。
9.根据权利要求6所述的一种交流微电网高次谐波有源稳定方法,其特征在于,步骤(5)中所述根据所述有功电流指令和阻尼电流指令,得到输出电流指令,具体为,所述有功电流指令减去所述阻尼电流指令,得到输出电流指令。
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