CN110429651A - 一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，该方法无需任何额外的硬件参与，无需复杂的控制器，通过分工协作的方式同时为低压和高压总线提供电能质量增强服务，解决了级联H桥单元功能单一，利用率低的难题。即使在涉及不同额定电压的复杂非线性负载时，所提出的方法也可以有效地减少谐波。

Description

一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法

技术领域

本发明涉及并网运行微电网领域，具体为一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，以双H桥模块分工协作的运行方式为低压高压总线提供更好的电能质量。

背景技术

随着配电系统的不断发展，分布式低压直流电源在现代配电系统中得到了更加广泛地应用。然而，在之前的应用中，低压直流电源通常集成在具有多个功率转换级的交流配电系统中。这显然造成了更高的成本和额外的功率损耗。另一方面，级联H桥转换器已被广泛应用于将光伏阵列或电池组集成到高压电网的过程中，并且级联H桥转换器只需要单个功率转换级。级联H桥特别适用于光伏并网系统，独立储能单元或光伏阵列通过无源或有源电路连接到每个H桥子模块的直流端口，交流端口通过串联滤波电感连接到电网。级联H桥目前主要应用于中高压和大功率电机频率控制，电能质量综合管理等领域。

为了提高配电系统的电能质量，保证供电和输电设备的安全运行，有效抑制电网谐波。一方面，可以从谐波源中采取消除谐波的措施，以减少谐波的产生。另一方面，无源滤波器和有源滤波器应安装在电力系统中。有源滤波器的一个重要特征是补偿电网电流中的谐波。为了补偿电网电流中的谐波，已经有许多增强的电流控制方法被提出。目前，傅里叶变换方法和瞬时无功功率理论被广泛应用于谐波检测。傅里叶变换计算简单，可以提取波形中的不同谐波，但傅立叶变换方法运算时间慢，动态响应差，不能满足谐波检测的实时性能。为了减少控制器的运行负担并提高动态性能，采用谐振控制器提取负载谐波电流。过去的文献主要使用一个无差拍控制器用于补偿整个频段的谐波。

然而，应该注意，这种控制方法并不灵活，因为在这种控制方法中H桥转换器中的所有电池具有相同的控制目标。但在实际应用场合，多个H桥单元经常需要承担不同的任务，输出的有功、无功功率也不相同。

为了克服这些困难，急需提出一种只需要单级功率变换、更加灵活可靠的级联H桥转换器综合电能质量管理控制方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，除了向主电网提供电力外，它还能发挥级联H桥单元的灵活性，通过分工协作的方式为低压和高压总线提供辅助电能质量增强服务的强大能力。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，包括以下步骤：

(1)控制器采样电网电压、公共耦合节点处负载电流、逆变器侧输出电流、下层H桥单元输出电容电压和电感电流，并通过锁相环得到电网电压相角；

(2)上层H桥单元控制器通过锁相环得到的电网电压相角，与参考输出有功功率和无功功率结合，得到参考输出基波电流，同时提取公共耦合节点处负载电流的谐波成分，参考输出基波电流与负载电流的谐波成分相加作为参考输出电流；参考输出电流与采样得到的逆变器侧输出电流通过电流电压双闭环控制器，同时增加电网电压前馈控制，得到最终控制信号，经过调制后输出门级开关信号作为上层H桥单元的门极开关信号；

(3)下层H桥单元通过锁相环得到的电网电压相角，与电网电压幅值参考值生成参考输出电容电压，与采样得到的输出电容电压通过电压电流双闭环控制器，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号，经过调制后输出门级开关信号作为下层H桥单元的门极开关信号。

进一步的，步骤(2)具体包括以下步骤：

c)提取公共耦合节点处负载电流的谐波成分，参考输出基波电流与负载电流的谐波成分相加作为参考输出电流：

I_1h,ref＝G_h(s)·I_Load (1-1)

I_1,ref＝I_1f,ref+I_1h,ref (1-3)

其中I_Load和I_1h,ref分别是公共耦合节点处负载电流和负载电流的谐波成分；G_h(s)是谐波提取传递函数，k_i，h是谐波提取准谐振控制在谐波次数为h的增益，ω_c是准谐振控制的带宽角频率，ω₀是基波角频率，h为谐波次数，I_1f,ref和I_1,ref分别是参考输出基波电流和参考输出电流；

d)参考输出电流与采样得到的逆变器侧输出电流通过电流电压双闭环控制器，同时增加电网电压前馈控制，得到最终控制信号：

V_out1＝(I_1,ref-I₁)·G₁(s)+(V_grid-V_c) (1-4)

其中I₁是采样得到的逆变器侧输出电流，G₁(s)是上层H桥单元控制器电流环的传递函数，V_grid是采样得到的电网电压，V_c是采样得到的输出电容电压，k_p1是上层H桥单元控制器电流外环比例增益，k_i1，h是上层H桥单元控制器电流外环准谐振控制在谐波次数为的增益。

进一步的，步骤(3)包括如下步骤：

a)参考输出电容电压与采样得到的输出电容电压通过电压电流双闭环控制器，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号，首先是电压外环：

I_2,ref＝G₃(s)·(V_ref-V_c) (1-6)

其中G₃(s)是下层H桥单元控制器电压外环的传递函数，V_ref是参考输出电容电压，I_2,ref是电压外环的输出，也就是下层H桥单元输出参考电流，k_p2是下层H桥单元控制器电压外环比例增益，k_i2，h是下层H桥单元控制器电压外环准谐振控制在谐波次数为h的增益。

b)下层H桥单元输出参考电流与采样得到的下层H桥单元输出电感电流进行电流内环控制，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号：

V_out2＝G₄(s)·(I_2,ref-I₂)+V_c (1-8)

G₄(s)＝k_Inner (1-9)

其中G₄(s)是电流内环的传递函数，I₂是采样得到的下层H桥单元输出电感电流，V_c是采样得到的输出电容电压，k_inner是下层H桥单元控制器电流内环增益。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.针对并网运行级联H桥微网结构，本发明的控制方法，具有简单实用的特点，无需任何额外的硬件参与，发挥H桥单元的灵活性，在涉及不同额定电压的复杂非线性负载时，所提出的方法也可以有效地减少谐波。

2.本发明不需要传统的集中控制器与本地控制器之间的高带宽通信线来实现载波移相，提高了逆变器运行的可靠性，降低了系统成本。

3.采用双闭环控制代替了传统直接PWM控制，提高了控制精度，实现了谐波的准确追踪。

4.本发明通过协同控制治理谐波的方法，多台逆变器分别执行基频电压追踪，谐波补偿等功能，提升了系统利用率。

附图说明

图1为本发明控制器的示意图。

图2a和图2b为实验波形对比图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法如下图1所示。

第一步：控制器采样电网电压、公共耦合节点处负载电流、逆变器侧输出电流、下层H桥单元输出电容电压和电感电流，并通过锁相环得到电网电压相角；

第二步：上层H桥单元控制器通过锁相环得到的电网电压相角，与参考输出有功功率和无功功率结合，得到参考输出基波电流，同时提取公共耦合节点处负载电流的谐波成分，参考输出基波电流与负载电流的谐波成分相加作为参考输出电流：

I_1h,ref＝G_h(s)·I_Load (1)

I_1,ref＝I_1f,ref+I_1h,ref (3)

其中I_Load和I_1h,ref分别是公共耦合节点处负载电流和负载电流的谐波成分；G_h(s)是谐波提取传递函数，k_i，h是谐波提取准谐振控制在谐波次数为h的增益，此处均设为20，ω_c是准谐振控制的带宽角频率，此处设为2rad/s，ω₀是基波角频率，h为谐波次数，在本谐波提取控制器中，为实现更精确的谐波采集，h最高次设为13次，I_1f,ref和I_1,ref分别是参考输出基波电流和参考输出电流；

参考输出电流与采样得到的逆变器输出电流通过电流电压双闭环控制器，同时增加电网电压前馈控制，得到最终控制信号：

V_out1＝(I_1,ref-I₁)·G₁(s)+(V_grid-V_c) (4)

其中I₁是采样得到的逆变器输出电流，G₁(s)是上层H桥单元控制器电流环的传递函数，V_grid是采样得到的电网电压，V_c是采样得到的输出电容电压，k_p1是上层H桥单元控制器电流环比例增益，此处设为5V/A，k_i1，h是上层H桥单元控制器电流环准谐振控制在谐波次数为h的增益，此处均设为15，受逆变器开关频率限制，在本控制器，h最高次设为11次。

经过调制后输出门级开关信号作为上层H桥单元的门极开关信号；

第三步：下层H桥单元通过锁相环得到的电网电压相角，与电网电压幅值参考值生成参考输出电容电压，与采样得到的输出电容电压通过电压电流双闭环控制器，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号，首先是电压外环：

I_2,ref＝G₃(s)·(V_ref-V_c) (6)

其中G₃(s)是下层H桥单元控制器电压外环的传递函数，V_ref是参考输出电容电压，I_2,ref是电压外环的输出，也就是下层H桥单元输出参考电流，k_p2是下层H桥单元控制器电压外环比例增益，此处设为4A/V，k_i2，h是下层H桥单元控制器电压外环准谐振控制在谐波次数为h的增益，此处均设为15，为实现准确追踪，在本控制器，h最高次设为13次。

下层H桥单元输出参考电流与采样得到的下层H桥单元输出电感电流进行电流内环控制，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号：

V_out2＝G₄(s)·(I_2,ref-I₂)+V_c (8)

G₄(s)＝k_Inner (9)

其中G₄(s)是电流内环的传递函数，I₂是采样得到的下层H桥单元输出电感电流，V_c是采样得到的输出电容电压，k_inner是下层H桥单元控制器电流内环增益，此处设为15V/A。

经过调制后输出门级开关信号作为下层H桥单元的门极开关信号。

如图2a和图2b所示的实验波形，展示了采用传统控制方法与本发明所提出控制方法运行模式下，并网电流的波形以及下层H桥模块输出电容电压波形的对比图，验证了本发明控制方法的有效性。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)控制器采样电网电压、公共耦合节点处负载电流、逆变器侧输出电流、下层H桥单元输出电容电压和电感电流，并通过锁相环得到电网电压相角；

(2)上层H桥单元控制器通过锁相环得到的电网电压相角，与参考输出有功功率和无功功率结合，得到参考输出基波电流，同时提取公共耦合节点处负载电流的谐波成分，参考输出基波电流与负载电流的谐波成分相加作为参考输出电流；参考输出电流与采样得到的逆变器侧输出电流通过电流电压双闭环控制器，同时增加电网电压前馈控制，得到最终控制信号，经过调制后输出门级开关信号作为上层H桥单元的门极开关信号；

(3)下层H桥单元通过锁相环得到的电网电压相角，与电网电压幅值参考值生成参考输出电容电压，与采样得到的输出电容电压通过电压电流双闭环控制器，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号，经过调制后输出门级开关信号作为下层H桥单元的门极开关信号。

2.根据权利要求1所述基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，其特征在于，步骤(2)具体包括以下步骤：

a)提取公共耦合节点处负载电流的谐波成分，参考输出基波电流与负载电流的谐波成分相加作为参考输出电流：

I_1h，ref＝G_h(s)·I_Load (1-1)

I_1，ref＝I_1f，ref+I_1h，ref (1-3)

其中I_Load和I_1h，ref分别是公共耦合节点处负载电流和负载电流的谐波成分；G_h(s)是谐波提取传递函数，k_i，h是谐波提取准谐振控制在谐波次数为h的增益，ω_c是准谐振控制的带宽角频率，ω₀是基波角频率，s是微分项，h为从3开始的谐波次数，I_1f，ref和I_1，ref分别是参考输出基波电流和参考输出电流；

b)参考输出电流与采样得到的逆变器侧输出电流通过电流电压双闭环控制器，同时增加电网电压前馈控制，得到最终控制信号：

V_out1＝(I_1，ref-I₁)·G₁(s)+(V_grid-V_c) (1-4)

其中I₁是采样得到的逆变器侧输出电流，G₁(s)是上层H桥单元控制器电流外环的传递函数，V_grid是采样得到的电网电压，V_c是采样得到的输出电容电压，k_p1是上层H桥单元控制器电流外环比例增益，k_i1，h是上层H桥单元控制器电流外环准谐振控制在谐波次数为h的增益。

3.根据权利要求1所述基于多总线并网系统的灵活电能质量控制方法，其特征在于，步骤(3)包括如下步骤：

a)参考输出电容电压与采样得到的输出电容电压通过电压电流双闭环控制器，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号，首先是电压外环：

I_2，ref＝G₃(s)·(V_ref-V_c) (1-6)

其中G₃(s)是下层H桥单元控制器电压外环的传递函数，V_ref是参考输出电容电压，I_2，ref是电压外环的输出，也就是下层H桥单元输出参考电流，k_p2是下层H桥单元控制器电压外环比例增益，k_i2，h是下层H桥单元控制器电压外环准谐振控制在谐波次数为h的增益。

b)下层H桥单元输出参考电流与采样得到的下层H桥单元输出电感电流进行电流内环控制，同时增加电容电压前馈控制，得到最终控制信号：

V_out2＝G₄(s)·(I_2，ref-I₂)+V_c (1-8)

G₄(s)＝k_Inner (1-9)

其中G₄(s)是电流内环的传递函数，I₂是采样得到的下层H桥单元输出电感电流，V_c是采样得到的输出电容电压，k_inner是下层H桥单元控制器电流内环增益。