CN110289619A - 基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法，根据补偿容量最优化模型，确定谐波电流、无功电流和不平衡电流的补偿系数；提出了一种抗干扰谐振控制器，将分频控制器的精准跟踪性能及单自由度控制器的抗干扰性能优势互补，进而增强了PCS在分布式电源复杂并网环境下的适应能力；在此基础上，通过最小化曲线拟合算法确定放电电流与储能侧电压的线性关系，实现自适应控制。本发明专利将电能质量综合评估方案，抗干扰谐振控制器及最小化曲线拟合算法相结合在一起，能够有效的提高分布式电源并网运行状态下的电能质量。

Description

基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法

技术领域

本发明涉及并网微电网电能质量控制，具体涉及一种基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法。

背景技术

可再生能源来代替传统的化石能源来进行发电已成为能源利用的主要发展方向，同时在分布式可再生能源的利用中，微电网技术占有很重要地位。提高新能源的发电渗透率并使其安全有效接入电网是形成和发展微电网技术的核心目标。微电网技术不仅可以实现重要负荷安全运行对电能质量要求，必要时，还可积极地提供功率上的支持。因此，微电网电能质量控制是保证以上这些目标实现的关键技术之一，积极对推进相关技术，有助于其更好地服务于微电网及配电网并促进系统的高效集成。

与传统发电电网相比，微电网更有利于节约能源，但其对注入风、光等分布式发电输出的随机性和间歇性更为敏感，从而导致其安全性和稳定性较差。储能变流器(PowerConversion System，PCS)输出的电能质量主要受其电流控制策略的影响，按照并网电流的基本目标，在满足输出电流能够准确跟踪参考输入的前提下，应尽可能的减少瞬态跟踪时间，实现精确和快速的控制要求。由于微电网本身具有很多局限性，比如能容纳的电量少，惯性不强等，同时加入下垂控制等控制策略的应用，及其负荷非线性、不平衡突变等情况，造成微电网电流谐波、三相电压不平衡、电压跌落及频率漂移波动等电能质量问题相对于大电网更为突出。目前的控制策略尚未能在电能质量降低的情况下使变流器仍能够有效维持并网输出并具有良好的性能。

发明内容

发明目的：本发明目的是提供一种基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法，解决微电网电流谐波、三相电压不平衡、电压跌落及频率漂移波动的问题。

技术方案：本发明公开的一种基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法，包括：

(1)根据补偿容量最小化的要求，构建关于谐波电流、无功电流和三相不平衡电流的自适应补偿模型，求取谐波电流、无功电流和不平衡电流的补偿系数λ₁、λ₂、λ₃；

(2)根据补偿系数得到放电电流I_{err_abc}，I_{err_abc}＝λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im，i_h、i_q、i_im分别为谐波电流、无功电流和三相不平衡电流的有效值；

(3)将放电电流的s域信号I_{err_abc}(s)作为抗干扰谐振控制器的输入，得到抗干扰谐振控制输出量U_PVPI，抗干扰谐振控制器包括分频谐振控制器、动态响应性能控制器和抗干扰性能控制器；

(4)将抗干扰谐振控制输出量U_PVPI作为控制对象模型Gp(s)的输入，并将其输出信号Y(s)通过脉宽调制技术产生PWM信号控制储能变流器PCS。

进一步地，步骤(1)中，自适应控制模型的目标函数为：

minS_soc＝min{u_e(λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im)}，其中S_soc为投入储能变流器PCS补偿容量，u_e为储能侧电压，通过以下步骤确定补偿系数λ₁、λ₂、λ₃：

(11)定义评估参数，包括：

谐波、无功和三相不平衡电能质量问题的权重，分别为η₁、η₂、η₃，满足η₁+η₂+η₃＝1；电能指标综合值为I，I＝η₁μ_h+η₂μ_q+η₃μ_im；并网电能质量综合评价达标值τ，τ＝η₁μ_hp+η₂μ_qp+η₃μ_imp；

其中，谐波评估值μ_h＝i_h/i_f，无功评估值μ_q＝i_q/i_f，不平衡评估值 i_f为基波电流的有效值，i_h为谐波电流的有效值，i_q为无功电流的有效值，μ_{im_n}、μ_{im_z}分别为负序与零序不平衡评估值；i_n、i_z则为负序与零序电流分量；μ_hp、μ_qp、μ_imp分别为满足电能质量要求的谐波、无功和三相不平衡值；其中，μ_h0、μ_q0、μ_im0为未进行电能质量补偿时的评估值；

(12)将电能指标综合值I与并网电能质量综合评价达标值τ进行比较：若I≤τ，则储能变流器PCS无需对电能进行治理，直接根据目标函数得到PCS最优容量配置；否则：

(13)构造最优化求解函数Y_opt求解补偿系数：

l为最优化求解算子，

定义最优化求解算子方法：得到补偿系数λ₁、λ₂、λ₃；

(14)判断补偿系数λ_n,(n＝1,2,3)是否大于1：若存在补偿系数λ_n,>1，则令λ_n,＝1，计算补偿系数计算电能指标综合值I，返回步骤(12)；否则：

(15)判断补偿系数之和λ₁+λ₂+λ₃是否小于等于1：若λ₁+λ₂+λ₃≤1，则计算补偿系数计算电能指标综合值I，返回步骤(12)；否则，重新定义η₁、η₂、η₃，返回步骤(13)。

进一步地，放电电流I_{err_abc}与储能侧电压u_e存在线型关系，即I_{err_abc}＝au_e+b，可采用最小化曲线拟合算法求得系数a、b，从而根据u_e实现I_{err_abc}的自适应。

进一步地，步骤(3)中，分频谐振控制器由多个控制模块并联而成，控制模块的传递函数为：其中，τ_p、τ_i分别为比例系数和积分系数，τ_po为比例控制项。

进一步地，动态响应性能控制器的传递函数为R(s)＝αk_p+βk_pT_d，抗干扰性能控制器的传递函数为

进一步地，放电电流的s域信号I_{err_abc}(s)到输出Y(s)的传递函数为：

有益效果：与现有技术相比，本申请公开的基于并网电能质量综合评估的多功能储能变流器补偿控制技术，在不改变储能变流器(PCS)运行状态的前提下，利用并联谐振控制器快速并精确的选择性补偿谐波、无功及不平衡电流，实现对负荷电流补偿分量的输出控制；通过构建模型，求解得到多目标电能质量治理的最优补偿系数，在实现了分布式电网并网电能质量多目标治理策略的同时，还能优化多功能PCS投入的补偿容量；另外，利用最小化曲线拟合算法确立其充放电特性曲线，优化了多目标补偿电流生成时的放电目标值和电能质量稳定期时的充电目标值，同时对分频控制器做针对性的改进，使其基本满足系统对响应性能、抗干扰性能的要求。

附图说明

图1为微电网变流器的结构示意图；

图2为PCS最优容量配置及补偿系数的确定流程图；

图3为抗干扰谐振控制器原理框图；

图4为分频谐振控制原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步描述：

本申请公开的一种基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法，通过以下步骤来实现：

(1)根据补偿容量最小化的要求，构建关于谐波电流、无功电流和三相不平衡电流的自适应补偿模型，求取谐波电流、无功电流和不平衡电流的补偿系数λ₁、λ₂、λ₃。

微电网变流器结构如图1所示，图中L_s为直流电感；u_dc为直流电压；i_o为直流电流；u_x、i_x(x＝a,b,c)为电网电压、电流；u_e为储能侧电压。PCS最优容量配置及补偿系数的确定流程图如图2所示。

(11)定义评估参数：谐波评估值、无功评估值、不平衡评估值分别为：

μ_q＝i_q/i_f (1)

μ_h＝i_n/i_f (2)

其中，i_h为谐波电流的有效值，i_q为无功电流的有效值，i_f为基波电流的有效值，μ_{im_n}、μ_{im_z}分别为负序与零序不平衡评估值；i_n、i_z则为负序与零序电流分量。

根据谐波、无功和不平衡问题，计算并网电能质量综合评估各项治理目标所需要的补偿系数为λ₁～λ₃，可得补偿后的各项电能质量值为：

公式(4)中，μ_h、μ_q、μ_im分别为谐波、无功、三相不平衡电能质量评估值；μ_h0、μ_q0、μ_im0为未进行电能质量补偿时的评估值，可测量计算获得。

为了满足并网电能质量综合评估条件，谐波、无功、三相不平衡的治理目标选择不同的补偿系数λ₁～λ₃。以经济效率最佳，补偿容量最小为目标，则投入PCS补偿容量S_soc为：

S_soc＝u_e(λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im) (5)

其中，u_e为储能侧电压。

设补偿后的电能质量综合值为I，即：

I＝η₁μ_h+η₂μ_q+η₃μ_im (6)

η₁、η₂、η₃分别为谐波、无功和三相不平衡电能质量问题的权重。

设定τ为并网电能质量综合评价达标值，即

τ＝η₁μ_hp+η₂μ_qp+η₃μ_imp (7)

μ_hp、μ_qp、μ_imp则分别为满足电能质量要求的谐波，无功和三相不平衡值。

公式(6)(7)中，根据并网电能质量权重定义η_i＝[η₁,η₂,η₃]，η₁,η₂,η₃需要满足η₁+η₂+η₃＝1。例如，可将初始权重值设置为η_i0＝[η₁₀,η₂₀,η₃₀]＝[0.4,0.4,0.2]。

(12)将电能指标综合值I与并网电能质量综合评价达标值τ进行比较：若I≤τ，则储能变流器PCS无需对电能进行治理，直接根据目标函数得到PCS最优容量配置；否则按照下述方法确定补偿系数λ₁、λ₂、λ₃：

(13)根据式(5)、(6)，构造最优化求解函数：

式中：l为最优化求解算子，l满足：

其中，

定义最优化求解算子方法，即

根据式(4)对λ₁～λ₃的定义，可知0≤λ_n≤1(n＝1,2,3)，由式(9)和式(10)，可得到：

(14)由式(11)求得λ_n(n＝1,2,3)，判断补偿系数λ_n,是否大于1：若存在补偿系数λ_n,>1，则令λ_n,＝1，即：在需要单独补偿的情况下，若当λ₁≥1，设置λ₁＝1，对谐波进行完全补偿，正常情况下补偿后谐波含量应该为零；若当λ₂≥1，设置λ₂＝1，对无功进行完全补偿，正常情况下补偿后无功应该为零；若当λ₃≥1，设置λ₃＝1，对三相不平衡分量进行完全补偿。计算补偿系数计算电能指标综合值I，返回步骤(12)；否则：

(15)判断补偿系数之和λ₁+λ₂+λ₃是否小于等于1：若λ₁+λ₂+λ₃≤1，则计算补偿系数计算电能指标综合值I，返回步骤(12)；否则，重新定义η₁、η₂、η₃，返回步骤(13)。

若同时对谐波、无功和三相不平衡进行补偿，则在满足偿标准为λ₁+λ₂+λ₃≤1和约束条件I_{err_abc}＝au_e+b的前提下，使得S_soc＝u_e(λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im)为最小值，即PCS最小容量S_{soc_min}，得到最优的补偿系数λ₁、λ₂和λ₃。

微电网运行环境复杂，并网系统较为复杂，且对并网电能质量多目标(谐波、无功和不平衡)治理工作受其容量的制约，其在充放电过程中，储能充放电电流值I_{err_abc}的确立与储能侧电压u_e存在一定的近似线性关系，因此为了实现充放电电流目标值的自适应调整，本申请提出约束条件I_{err_abc}＝au_e+b，根据其特性通过最小化曲线拟合算法，对其进行优化控制，确立其线性曲线。

利用最小化曲线拟合算法可以快速的推算中适用于系统实时状态的输出值，对于本专利并网电能质量多目标治理系统而言，即多目标补偿电流生成时的放电目标值和电能质量稳定期时的充电目标值。在实验验证之后，可以得到两组具有线性数据x_i和y_i，i∈(1,n)。本文中储能装置充电过程中，y_i为充电电流，x_i为储能装置电压，放电过程中，I_{err_abc}为放电电流y_i，x_i为直流母线电压u_e。

最小化曲线拟合算法的关键在于其系数a和b的推导，以公式(12)为例进行推导计算：

y＝ax+b (12)

其中y为输出，x为输入，a和b为其系数。通过公式(13)对a和b偏导：

对二元函数取其极值可得：

根据式(14)和式(15)可得：

在上述理论推导的基础上，根据实验测试所获取的数据，可以求得其参数a和b，进而确定线型方程I_{err_abc}＝au_e+b，据u_e实现I_{err_abc}的自适应；同时根据该约束条件，实现对最优补偿系数λ₁、λ₂和λ₃的确定。

(2)根据补偿系数得到放电电流I_{err_abc}，

I_{err_abc}＝λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im (18)

i_h、i_q、i_im分别为谐波电流、无功电流和三相不平衡电流的有效值。

(3)将放电电流的s域信号I_{err_abc}(s)作为抗干扰谐振控制器的输入，得到抗干扰谐振控制输出量U_PVPI，抗干扰谐振控制器包括分频谐振控制器、动态响应性能控制器和抗干扰性能控制器。

分频控制采用复矢量(CPI)控制方式，即将矢量比例积分(VPI)控制通过公式f_abc＝f_dqe^-jωt进行等效变换，即矢量比例积分(VPI)控制的传递函数：

复矢量比例积分(CPI)控制的传递函数：

其中，τ_p、τ_i分别为比例系数和积分系数，ω_o为基波角频率；将VPI与CPI对比，可知式(20)中VPI控制比例项τ_p与jω_oτ_p/s项之间存在耦合关系，致使难以实现系统的单独响应控制，为改善其响应能力，在CPI控制基础上并联比例控制项τ_po，并联后传递函数表达式如下：

如图4所示，分频谐振控制器由多个控制模块并联而成，其中下标1表示基波对应的谐振控制器，同理，下标n表示n次谐波对应的谐振控制器。可通过并联特定模块实现对特定次谐波的补偿。

如图3所示，动态响应性能控制器的传递函数为：

R(s)＝αk_p+βk_pT_d (22)

抗干扰性能控制器的传递函数为：

动态响应性能控制器、抗干扰性能控制器与分频谐振控制器并联，共同组成抗干扰谐振控制器。

I_{err_abc}(s)为输入信号，G_p(s)为控制对象模型，Y(s)为输出，本系统为PCS并网电能质量多目标治理系统，k_p为比例增益，T₁为积分时间，T_d为微分时间，α和β为抗干扰控制器系统，即控制目标值的响应参数。

由图3可知，输入信号I(s)到输出Y(s)的传递函数为：

相应地，干扰信号D(s)到Y(s)的传递函数为：

根据传递函数(24)、(25)和图3中的R(s)和F(s)，若要调整系统的抗干扰性能和动态响应性能，只需调整其对应系数，k_p，T₁，T_d；若要调整系统的控制目标响应性能，则需调整其对应的系数α和β。由此可知，所提出抗干扰谐振控制器的抗干扰性能和设定目标动态响应性能可独立调节，同时达到最优。

(4)将抗干扰谐振控制输出量U_PVPI作为控制对象模型Gp(s)的输入，并将其输出信号Y(s)通过脉宽调制技术产生PWM信号控制储能变流器PCS。从而提高分布式电源并网运行状态下的电能质量。

Claims (6)

1.一种基于并网电能质量综合评估的储能变流器补偿控制方法，其特征在于，包括：

(1)根据补偿容量最小化的要求，构建关于谐波电流、无功电流和三相不平衡电流的自适应补偿模型，求取谐波电流、无功电流和不平衡电流的补偿系数λ₁、λ₂、λ₃；

(2)根据所述补偿系数得到放电电流I_{err_abc}，I_{err_abc}＝λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im，i_h、i_q、i_im分别为谐波电流、无功电流和三相不平衡电流的有效值；

(3)将放电电流的s域信号I_{err_abc}(s)作为抗干扰谐振控制器的输入，得到抗干扰谐振控制输出量U_PVPI，所述抗干扰谐振控制器包括分频谐振控制器、动态响应性能控制器和抗干扰性能控制器；

(4)将抗干扰谐振控制输出量U_PVPI作为控制对象模型Gp(s)的输入，并将其输出信号Y(s)通过脉宽调制技术产生PWM信号控制储能变流器PCS。

2.根据权利要求1所述的储能变流器补偿控制方法，其特征在于，步骤(1)中，所述自适应控制模型的目标函数为：

min S_soc＝min{u_e(λ₁i_h+λ₂i_q+λ₃i_im)}，其中S_soc为投入储能变流器PCS补偿容量，u_e为储能侧电压，通过以下步骤确定补偿系数λ₁、λ₂、λ₃：

(11)定义评估参数，包括：

谐波、无功和三相不平衡电能质量问题的权重，分别为η₁、η₂、η₃，满足η₁+η₂+η₃＝1；电能指标综合值为I，I＝η₁μ_h+η₂μ_q+η₃μ_im；并网电能质量综合评价达标值τ，τ＝η₁μ_hp+η₂μ_qp+η₃μ_imp；

其中，谐波评估值μ_h＝i_h/i_f，无功评估值μ_q＝i_q/i_f，不平衡评估值 i_f为基波电流的有效值，i_h为谐波电流的有效值，i_q为无功电流的有效值，μ_{im_n}、μ_{im_z}分别为负序与零序不平衡评估值；i_n、i_z则为负序与零序电流分量；μ_hp、μ_qp、μ_imp分别为满足电能质量要求的谐波、无功和三相不平衡值；其中，μ_h0、μ_q0、μ_im0为未进行电能质量补偿时的评估值；

(12)将电能指标综合值I与并网电能质量综合评价达标值τ进行比较：若I≤τ，则储能变流器PCS无需对电能进行治理，直接根据目标函数得到PCS最优容量配置；否则：

(13)构造最优化求解函数Y_opt求解补偿系数：

l为最优化求解算子，

定义最优化求解算子方法：得到补偿系数λ₁、λ₂、λ₃；

(14)判断补偿系数λ_n,(n＝1,2,3)是否大于1：若存在补偿系数λ_n,>1，则令λ_n,＝1，计算补偿系数计算电能指标综合值I，返回步骤(12)；否则：

(15)判断补偿系数之和λ₁+λ₂+λ₃是否小于等于1：若λ₁+λ₂+λ₃≤1，则计算补偿系数计算电能指标综合值I，返回步骤(12)；否则，重新定义η₁、η₂、η₃，返回步骤(13)。

3.根据权利要求2所述的储能变流器补偿控制方法，其特征在于，所述放电电流I_{err_abc}与储能侧电压u_e存在线型关系，即I_{err_abc}＝au_e+b，可采用最小化曲线拟合算法求得系数a、b,从而根据u_e实现I_{err_abc}的自适应。

4.根据权利要求1所述的储能变流器补偿控制方法，其特征在于，步骤(3)中，所述分频谐振控制器由多个控制模块并联而成，所述控制模块的传递函数为：其中，τ_p、τ_i分别为比例系数和积分系数，τ_po为比例控制项。

5.根据权利要求4所述的储能变流器补偿控制方法，其特征在于，所述动态响应性能控制器的传递函数为R(s)＝αk_p+βk_pT_d，所述抗干扰性能控制器的传递函数为

6.根据权利要求5所述的储能变流器补偿控制方法，其特征在于，所述放电电流的s域信号I_{err_abc}(s)到输出Y(s)的传递函数为：