CN110474337A - 一种基于改进upqc检测方法的微电网电能质量提升控制策略 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电网技术领域,特别是一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,适用于微电网电能质量的提升改善工作,可精确的检测出微电网中的多种电能质量问题并通过控制得到极佳的治理效果。本发明是由电能质量治理装置UPQC通过PCC点连接在微电网与外部配电网之间,将微电网自身的储能VSI电压源逆变器与串联单元结合构成UPQC结构接入PCC点;UPQC左侧通过变压器、变流器和控制电路与电网交流母线连接,右侧通过变流器和控制电路与微电网侧相连。通过改进的自适应预测法的畸变指令电流检测方法对微电网中的谐波电流进行检测,通过Park变换电压检测法对指令电压检测,通过控制策略改善微电网的电能质量。
Description
技术领域
本发明涉及电网技术领域,特别是一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,适用于微电网电能质量的提升改善工作,可以精确的检测出微电网中的多种电能质量问题并通过控制得到极佳的治理效果。
背景技术
随着我国电网的快速发展,大量可再生分布式电源通过微电网的形式接入电网中,这些微源通过逆变器控制其输出的有功及无功,由于逆变器的调制效应、越来越多非线性负荷、单相负荷的存在及分布式发电单元出力具有间歇性和波动性的特点,如果不能对其进行实时精确控制,微电网中电压质量将会降低,无法满足对电能质量有着较高要求客户的需要。
发明内容
本发明针对以上技术中存在的问题,提供了一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略。其目的是为了能够快速精确的检测出微电网中的电能质量的问题,在保证检测波形准确性的前提下快速的对这些电能质量问题进行改善治理,有效提高微电网的电能质量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,电能质量治理装置UPQC通过PCC点连接在微电网与外部配电网之间,将微电网自身的储能VSI电压源逆变器与串联单元结合构成UPQC结构接入PCC点;UPQC左侧通过变压器、变流器和控制电路与电网交流母线连接,右侧通过变流器和控制电路与微电网侧相连。
所述电能质量治理装置UPQC包括:并联电流补偿单元、串联电压补偿单元和直流储能单元,串联补偿单元与并联补偿单元的结构都是由逆变器以及控制电路构成,直流储能单元由蓄电池和电容器构成。
所述电能质量治理装置UPQC的等效电路中:is并联变流器根据指令信号输出的补偿电流,当受到非线性负载影响,电源电流中出现谐波、无功不足或者三相不平衡时,电能质量治理装置UPQC并联单元将对电网电流进行补偿,即:
ic=(iLf+iLh)-is (1)
式(1)中:ic表示补偿电流,iLf表示谐波电流,iLh表示基波电流,is表示PCC点电流;
电流检测电路从负载电流中检测出谐波电流ius,驱动并联变流器产生与iuf大小相等、相位相反的补偿电流。
所述电能质量治理装置UPQC的等效电路中:补偿电压uc与谐波电压源串联,补偿电流与谐波电流源并联;根据指令信号,串、并联变流器输出补偿电压uc和补偿电流ic,当电网中电压谐波ush增加,电能质量治理装置UPQC的串联单元对PCC处电压进行补偿,使得负载侧电压uL在标准范围;当有非线性负载影响,电流检测电路从负载电流中检测出谐波电流ius,驱动并联变流器产生与iuf大小相等、相位相反的补偿电流,对负载侧的电流进行补偿。
所述电能质量治理装置UPQC的等效电路由串联单元和储能单元构成一个动态电压恢复器DVR,并联单元和储能单元构成一个储能VSI;电压补偿单元串联在左侧电源处,电流补偿单元并联在右侧负载处;电能质量治理装置UPQC工作时,电压补偿单元补偿电网中的电压,并联补偿单元补偿负载侧谐波电流和无功电流,同时吸收电网中的有功维持直流储能电压的稳定;串联变流器输出经滤波与串联隔离变压器后,串入电网电压,用于补偿电源电压的暂降、骤升、不平衡,保持关键负荷上的负载电压的幅值不变和正弦特性;并联变流器输出经滤波输出电流,解决负载侧无功补偿、电流谐波的问题,补偿负载电流以实现电网电流的正弦特性。
所述串联补偿单元与并联补偿单元的检测流程包括:将畸变电流通过分次谐波检测,得到当前时刻的分次谐波电流,用该谐波电流减去前一时刻的预测电流得出当前预测误差,再送入LMS算法求和迭代,预测出下一时刻需要输出的分次补偿指令电流;
设分次谐波检测为m次谐波电流检测,根据其原理,可知:
上式(2)、(3)中:表示正序电压相位,m表示谐波电流次数。
含有任意谐波分量的微网三相电流有:
上式(4)中:i1a、i1b、i1c表示微网a、b、c三相电流;表示正序、负序和零序电压的初始相位;表示正序、负序和零序电流;
C32、Cm1矩阵变换和C32、Cm2矩阵变换知:
上式(5)中:表示正序分量变换后的直流量;表示负序分量变换后的直流量;
与m次正序、负序分量相对应的:
上式(6)中:表示经低通滤波器后正序分量相对应的直流量;表示经低通滤波器后负序分量相对应的直流量;
再通过C23、Cm1矩阵变换和C23、Cm2矩阵变换得到原三相电流中的m次正序和负序谐波分量。
所述串联补偿单元与并联补偿单元的检测采用分次补偿方法,只对几个典型的谐波分量进行补偿;在三相不对称的情况下,任意三相谐波电流通过C32、Cm1和C32、Cm2矩阵变换,原三相电流中的m次正、负序分量变换为直流量,其余分量为交流量,通过低通滤波器可提取相对应的直流量,再通过C23、Cm1和C23、Cm2矩阵变换得到原三相电流中的m次正、负序谐波分量。
本发明的优点及有益效果是:
本发明是一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,可以通过改进的自适应预测法的畸变指令电流检测方法对微电网中的谐波电流进行检测,通过Park变换电压检测法对指令电压进行检测,根据检测到存在的电能质量问题,通过控制策略改善微电网的电能质量。与其他传统的电能质量治理装置相比,UPQC是一种覆盖面更广、功能更全面的电能质量治理装置。本发明能够快速准确的对微电网中存在的多种电能质量问题进行有效治理,满足对电能质量要求高的用户的需要。
附图说明
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明,下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述,但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
图1是本发明中加入电能质量治理装置UPQC的微电网结构示意图;
图2是本发明中电能质量治理装置UPQC等效电路图;
图3是本发明中电能质量治理装置UPQC拓扑结构示意图;
图4是本发明中基于自适应预测的分次补偿指令电流检测原理图;
图5是本发明中m次谐波电流检测原理图。
具体实施方式
本发明是一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其中UPQC是电能质量治理装置,具体包括:并联电流补偿单元、串联电压补偿单元和直流储能单元,串联补偿单元与并联补偿单元的结构类似,都是由逆变器以及相应的控制电路构成,直流储能单元一般由蓄电池和电容器构成。
微电网是由一个由多种形式的微电源、负荷和储能装置所构成的一个自治系统,其内部电能质量问题有其自身的特殊性。内部电能质量问题除了有不同类型的负荷引起外,还与微电源、储能装置的运行特性和控制方法有关系。其电能质量问题主要有四个方面:电压波动和闪变、电流谐波和不平衡、频率稳定性差、暂态电压和电流冲击。外部配电网对微电网电能质量的影响主要是引起PCC处电压的跌落、骤升、三相不平衡和谐波,其中PCC为并网点。微网并网运行时,由外部配电网提供电压和频率支撑,微电网与外部配电网通过PCC点耦合,外部配电网电压出现问题会沿着PCC点渗透到微电网内部,影响微网母线电压质量和安全稳定运行。PCC点电压波动会引起PQ、下垂方式控制的微电源电压和功率震荡,严重时会引起继电装置动作,造成微电源脱网事故;配电网中大量的三相不对称负荷会不同程度的使PCC点电压处于三相不平衡状态,若不加治理会影响三相感应电机和三相电力电子变换器的正常工作。根据微电网自身的特性,微电网电能质量治理主要分为主动治理和被动治理两个方面。主动治理主要是抑制微网的谐波电流和间歇性电源功率波动引起的电压波动与闪变,提高微网孤岛运行的频率稳定性,减小微网运行方式切换带来的暂态电压、电流冲击,促进分布式电源或储能装置的利用率。被动治理就是在微网中加入专业的电能质量治理装置,如有源电力滤波器APF、静止无功发生器SVG、动态电压恢复器DVR。对于治理多种电能质量的治理,人们提出并制造出了统一电能质量治理装置UPQC并广泛应用与各类精密设备的保护。
如图1所示,图1为加入电能质量治理装置UPQC的微电网结构示意图,其中微电网所带负载包含了敏感负荷、非线性负荷以及不平衡负荷,这些负荷的存在及变流器PWM的调制效应导致微电网中的电能质量存在严重问题。通过在图1的微电网中加入电能质量治理装置UPQC对这些电能质量问题进行被动治理。
电能质量治理装置UPQC通过PCC点连接在微电网与外部配电网之间,将微电网自身的储能VSI电压源逆变器与串联单元结合构成UPQC结构接入PCC点。UPQC左侧通过变压器、变流器和控制电路与电网交流母线连接,右侧通过变流器和控制电路与微电网侧相连。
如图2所示,图2是本发明中所加入的电能质量治理装置UPQC的等效电路图,以其中某一相为例,其中is并联变流器根据指令信号输出的补偿电流。当受到非线性负载影响,电源电流中出现谐波、无功不足或者三相不平衡时,电能质量治理装置UPQC并联单元将对电网电流进行补偿,即:
ic=(iLf+iLh)-is (1)
式(1)中:ic表示补偿电流,iLf表示谐波电流,iLh表示基波电流,is表示PCC点电流。
电流检测电路从负载电流中检测出谐波电流ius,驱动并联变流器产生与iuf大小相等、相位相反的补偿电流。
如图2所示,该等效电路图补偿电压uc与谐波电压源串联,补偿电流与谐波电流源并联。根据指令信号,串、并联变流器输出补偿电压uc和补偿电流ic,当电网中电压谐波ush增加,电能质量治理装置UPQC的串联单元对PCC处电压进行补偿,使得负载侧电压uL在标准范围。当有非线性负载影响,电流检测电路从负载电流中检测出谐波电流ius,驱动并联变流器产生与iuf大小相等、相位相反的补偿电流,对负载侧的电流进行补偿,满足客户的需求。
如图3所示,图3是本发明中电能质量治理装置UPQC拓扑结构示意图。电能质量治理装置UPQC一般安装在低压配电网中,其结构如图3所示,由串联单元、并联单元和直流侧储能单元三部分组成,串、并联单元共用同一个储能单元,串联单元和储能单元相当于构成一个动态电压恢复器DVR,用于补偿外部配电网引起的电压问题,并联单元和储能单元构成一个储能VSI,用于治理微电网内部的电能质量问题。电能质量治理装置UPQC中电压补偿单元串联在左侧电源处,电流补偿单元并联在右侧负载处。电能质量治理装置UPQC工作时,电压补偿单元补偿电网中的电压问题,并联补偿单元补偿负载侧谐波电流和无功电流,同时吸收电网中的有功维持直流储能电压的稳定。该结构的优点是并联单元补偿负载谐波电流,串联补偿单元工作时不会受谐波影响。
串联变流器输出经滤波与串联隔离变压器后,串入电网电压,用于补偿电源电压的暂降、骤升、不平衡等问题,以保持关键负荷上的负载电压的幅值不变和正弦特性;并联变流器输出经滤波输出电流,用于解决负载侧无功补偿、电流谐波等问题,补偿负载电流以实现电网电流的正弦特性。
同时,检测环节是电能质量问题治理的关键,检测结果的准确性直接决定了电能质量治理装置UPQC的治理效果。近年来,自适应预测法由于计算简单,有很强的自适应能力,得到了广泛的研究。利用自适应预测法,提前预测畸变指令电流,提高检测的实时性,防止高次谐波放大,可以实现无差拍控制,其原理图如图4所示,图4是本发明中基于自适应预测的分次补偿指令电流检测原理图。
将畸变电流通过分次谐波检测,得到当前时刻的分次谐波电流,用该谐波电流减去前一时刻的预测电流得出当前预测误差,再送入LMS算法求和迭代,预测出下一时刻需要输出的分次补偿指令电流。
对于检测环节,本发明提出了一种新的m次谐波电流检测方法,能够在负载不对称且含有任意谐波分量的情况下,有效提取出分次补偿的指令电流。基于改进的ip-iq检测法上的分次补偿谐波电流检测法,其检测原理如图5所示,图5是本发明中m次谐波电流检测原理图,可知:
上式(2)、(3)中:表示正序电压相位,m表示谐波电流次数。
含有任意谐波分量的微网三相电流有:
上式(4)中:i1a、i1b、i1c表示微网a、b、c三相电流;表示正序、负序和零序电压的初始相位;表示正序、负序和零序电流。
由原理图5中C32、Cm1矩阵变换和C32、Cm2矩阵变换知,
上式(5)中:表示正序分量变换后的直流量;表示负序分量变换后的直流量;
与m次正序、负序分量相对应的:
上式(6)中:表示经低通滤波器后正序分量相对应的直流量;表示经低通滤波器后负序分量相对应的直流量。
再通过C23、Cm1矩阵变换和C23、Cm2矩阵变换即可得到原三相电流中的m次正序和负序谐波分量。改进后的基于自适应预测法的畸变指令电流检测方法,通过对C矩阵的改进,能够适用于微电网负载含有任意谐波分量的分次补偿畸变指令电流检测。
该检测采用分次补偿方法,只对几个典型的谐波分量进行补偿。在三相不对称的情况下,任意三相谐波电流通过C32、Cm1和C32、Cm2矩阵变换,原三相电流中的m次正、负序分量变换为直流量,其余分量为交流量,通过低通滤波器可提取相对应的直流量,然后通过C23、Cm1和C23、Cm2矩阵变换得到原三相电流中的m次正、负序谐波分量。
本发明通过在微电网负荷侧加入电能质量治理装置UPQC,对微电网中存在的电能质量问题进行有效治理。首先对微电网中存在的多种电能质量问题进行研究分析,通过对他们的研究,对不同的电能质量问题进行治理。其次,研究了电能质量治理装置UPQC的结构,分析了其工作方式,并建立了电能质量治理装置UPQC串联、并联及储能部分模型。最后,通过提出了一种新的m次谐波电流检测方法,能够在负载不对称且含有任意谐波分量的情况下,有效提取出分次补偿的指令电流,改善微电网中的电能质量。
Claims (7)
1.一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:电能质量治理装置UPQC通过PCC点连接在微电网与外部配电网之间,将微电网自身的储能VSI电压源逆变器与串联单元结合构成UPQC结构接入PCC点;UPQC左侧通过变压器、变流器和控制电路与电网交流母线连接,右侧通过变流器和控制电路与微电网侧相连。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:所述电能质量治理装置UPQC包括:并联电流补偿单元、串联电压补偿单元和直流储能单元,串联补偿单元与并联补偿单元的结构都是由逆变器以及控制电路构成,直流储能单元由蓄电池和电容器构成。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:所述电能质量治理装置UPQC的等效电路中:is并联变流器根据指令信号输出的补偿电流,当受到非线性负载影响,电源电流中出现谐波、无功不足或者三相不平衡时,电能质量治理装置UPQC并联单元将对电网电流进行补偿,即:
ic=(iLf+iLh)-is (1)
式(1)中:ic表示补偿电流,iLf表示谐波电流,iLh表示基波电流,is表示PCC点电流;
电流检测电路从负载电流中检测出谐波电流ius,驱动并联变流器产生与iuf大小相等、相位相反的补偿电流。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:所述电能质量治理装置UPQC的等效电路中:补偿电压uc与谐波电压源串联,补偿电流与谐波电流源并联;根据指令信号,串、并联变流器输出补偿电压uc和补偿电流ic,当电网中电压谐波ush增加,电能质量治理装置UPQC的串联单元对PCC处电压进行补偿,使得负载侧电压uL在标准范围;当有非线性负载影响,电流检测电路从负载电流中检测出谐波电流ius,驱动并联变流器产生与iuf大小相等、相位相反的补偿电流,对负载侧的电流进行补偿。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:所述电能质量治理装置UPQC的等效电路由串联单元和储能单元构成一个动态电压恢复器DVR,并联单元和储能单元构成一个储能VSI;电压补偿单元串联在左侧电源处,电流补偿单元并联在右侧负载处;电能质量治理装置UPQC工作时,电压补偿单元补偿电网中的电压,并联补偿单元补偿负载侧谐波电流和无功电流,同时吸收电网中的有功维持直流储能电压的稳定;
串联变流器输出经滤波与串联隔离变压器后,串入电网电压,用于补偿电源电压的暂降、骤升、不平衡,保持关键负荷上的负载电压的幅值不变和正弦特性;并联变流器输出经滤波输出电流,解决负载侧无功补偿、电流谐波的问题,补偿负载电流以实现电网电流的正弦特性。
6.根据权利要求2所述的一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:所述串联补偿单元与并联补偿单元的检测流程包括:
将畸变电流通过分次谐波检测,得到当前时刻的分次谐波电流,用该谐波电流减去前一时刻的预测电流得出当前预测误差,再送入LMS算法求和迭代,预测出下一时刻需要输出的分次补偿指令电流;
设分次谐波检测为m次谐波电流检测,根据其原理,可知:
上式(2)、(3)中:表示正序电压相位,m表示谐波电流次数。
含有任意谐波分量的微网三相电流有:
上式(4)中:i1a、i1b、i1c表示微网a、b、c三相电流;表示正序、负序和零序电压的初始相位;表示正序、负序和零序电流;
C32、Cm1矩阵变换和C32、Cm2矩阵变换知:
上式(5)中:表示正序分量变换后的直流量;表示负序分量变换后的直流量;
与m次正序、负序分量相对应的:
上式(6)中:表示经低通滤波器后正序分量相对应的直流量;表示经低通滤波器后负序分量相对应的直流量;
再通过C23、Cm1矩阵变换和C23、Cm2矩阵变换得到原三相电流中的m次正序和负序谐波分量。
7.根据权利要求2所述的一种基于改进UPQC检测方法的微电网电能质量提升控制策略,其特征是:所述串联补偿单元与并联补偿单元的检测采用分次补偿方法,只对几个典型的谐波分量进行补偿;在三相不对称的情况下,任意三相谐波电流通过C32、Cm1和C32、Cm2矩阵变换,原三相电流中的m次正、负序分量变换为直流量,其余分量为交流量,通过低通滤波器可提取相对应的直流量,再通过C23、Cm1和C23、Cm2矩阵变换得到原三相电流中的m次正、负序谐波分量。
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