CN110571796B - 孤岛运行级联h桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，通过对各逆变器公共输出电流进行锁相，将电流倍频后作为基准信号进行同步并载波移相；再利用低带宽通信实现分层谐波治理，使各个逆变器协同治理谐波，提高公共连接点电能质量。该方法可以在没有通信线的条件下实现各串联功率模块同步和载波移相，同时分层实现公共连接点谐波治理。

Description

孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法

技术领域

本发明涉及一种孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，具体是以分散方式进行串联功率模块之间的载波移相，同时使用分层的谐波治理实现公共连接点电能质量管理。

背景技术

可再生能源大规模接入微电网，促进了孤岛运行条件下微电网的发展。过去的研究中，可以实现精确功率分配的孤岛运行的微电网由多个逆变器模块串联构成，每个逆变器模块都需要配备单独的LC滤波器，且逆变器需要采用高开关频率的开关器件，成本较高；需要进行双闭环控制，控制较复杂。为了实现低开关频率开关器件的应用，人们更多采用级联H桥结构，然而级联H桥结构只能采用集中控制进行载波移相，成本较高，可靠性较低，在应用于相距较远的多个可再生能源功率模块中有很多弊病。

为了克服这些困难，急需提出一种只需要分散控制、将级联H桥接入微电网的结构以及一种高可靠性的谐波治理方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，本方法以电流为同步信号，以分散方式进行串联功率模块之间的载波移相，同时使用分层的谐波治理实现公共连接点电能质量管理。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，应用于以IGBT组成的H桥单元为主功率逆变电路为非线性负载提供稳定持续供电的微电网系统，包括以下步骤：

(1)公共连接点处的中央控制器对馈线阻抗电压偏差进行估计，并通过低带宽通信下发到各功率模块本地控制器，本地控制器对公共连接点的电压进行补偿，通过对公共连接点电压电流的测量计算出功率因数，并通过低带宽通信下发到各功率模块本地控制器；

(2)中央控制器采样公共连接点电压，以电流为同步信号通过低带宽通信向本地控制器传递公共连接点电压谐波信息；

(3)本地控制器以电流为同步信号，通过倍频实现载波移相；

(4)本地控制器采样电流信号，与由中央控制器通过低带宽通信下发的公共连接点电压谐波信息解调制得到公共连接点谐波电压，进行谐波电压补偿，采样得到的电流用于虚拟阻抗控制；

(5)本地控制器通过中央控制器下发的功率因数信息，进行反下垂控制实现精确地功率控制。

(6)本地控制器将公共连接点基频参考电压与谐波电压补偿和虚拟阻抗控制综合，生成本地参考电压，通过载波移相输出开关信号。

进一步的，步骤(1)包括以下步骤：

(101)中央控制器利用电压和电流传感器对公共连接点电压和电流进行采样，根据已知的馈线阻抗参数，对馈线阻抗电压偏差进行估计：

其中ΔE_f是估计的馈线阻抗电压偏差，

是公共连接点额定电压幅值，P_load和Q_load分别是根据公共连接点电压和电流计算得到的有功功率和无功功率，L_f和R_f分别是馈线阻抗与滤波器阻抗合并成的等效电感和等效电阻，ω^*是额定角频率；

(102)中央控制器根据采样得到的公共连接点的电压和电流计算公共连接点功率因数：

PF_load＝arctan(Q_load/P_load) (1-2)

其中PF_load是公共连接点功率因数，并通过低带宽通信传送到功率模块本地控制器。

进一步的，步骤(2)包括如下步骤：

(201)中央控制器根据采样得到的公共连接点电压V_PCC,通过滑动DFT提取谐波信息：

其中G_SDFT,h(s)是滑动DFT的传递函数，h是谐波的阶数，

和

是V_pcc电压在h阶的谐波电压幅值和相角，h＝3,5,7,9是3次，5次，7次，9次谐波。

(202)中央控制器根据采样得到的公共连接点电流提取相角：

∑M_{i_f}·∠θ_{i_f}＝∑G_SDFT,f(s)·I₁ (1-4)

其中G_SDFT,f(s)是基频滑动DFT的传递函数.M_{i_f}和θ_{i_f}是公共连接点电流I₁基频成分的幅值和相角；

(203)以电流为同步信号通过低带宽通信向本地控制器传递公共连接点电压谐波信息，包括谐波幅值

和相角差Δθ_h

其中

和Δθ_h在提出微电网的稳定运行过程中是常数，因此可通过低带宽通信传递。

进一步的，步骤(3)包括如下步骤：

(301)本地控制器根据控制器设置参考载波计数值：

TBPRD_ref＝(Counter36°-Counter18°)/2 (1-6)

其中Counter 36°和Counter 18°是电流对应相角为36°和18°的控制器计数值；

(302)根据控制策略确定的相位校正时间判断是否校正相位；

(303)当需要进行相位校正，等待载波1计数值为0的时刻，否则继续生成载波；

(304)当载波1计数值为0，查询电流滑动DFT测得的相位计数值，否则继续等待；

(305)查询得到计数值后根据载波移相的规律计算功率模块m的参考载波计数值。

进一步的，步骤(4)包括如下步骤：

(401)本地控制器采样电流信号，与由中央控制器通过低带宽通信下发的公共连接点电压谐波信息解调制得到公共连接点谐波电压，进行谐波电压补偿：

∑M_{i_f}·∠θ_{i_f}＝∑G_SDFT,f(s)·I₁ (1-7)

其中k_v,h是公共连接点电压在h阶谐波成分V_pcc,h的补偿增益，

是为补偿公共连接点谐波电压而生成的逆变电路参考输出谐波电压。

(402)采样得到的电流用于虚拟阻抗控制,生成虚拟阻抗参考电压：

其中R_v,h谐波频率上的虚拟电阻值.I_1,h是公共连接点电流的谐波成分。

进一步的，步骤(5)包括如下步骤：

(501)本地控制器接收中央控制器通过低带宽通信下发的功率因数信息，计算公共连接点基频参考电压频率：

其中D_PF为反下垂因数，PF_pcc是串联功率模块的功率因数,由公共连接点基频参考电压

和公共连接点电流I₁计算得到；通过对频率积分得到公共连接点基频参考电压相角：

其中s为微分项。

(502)本地控制器接收中央控制器通过低带宽通信下发的馈线阻抗电压偏差ΔE_f，生成基频参考电压幅值：

(503)本地控制器根据生成的基频参考电压相角和基频参考电压幅值生成基频参考电

压：

进一步的，步骤(6)包括如下步骤：

(601)将公共连接点基频参考电压与谐波电压补偿和虚拟阻抗控制综合，生成本地参考电压：

其中

为生成的参考电压，

是基频参考电压,

是虚拟阻抗参考电压，

是参考输出谐波电压。

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.针对孤岛运行级联H桥微网结构，本发明的电能质量治理方法，具有简单实用的特点，只需要采集功率模块本地电流信号即可，避免了传统方法中电压传感器的使用，大大降低了成本。

2.本发明的电能质量治理方法不需要功率模块间的通信，适用场合更加多样，无论是位置较远的功率模块还是位置较近的功率模块，都能为电能质量治理提供支撑。

3.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。

4.以直接PWM控制代替了传统闭环控制，降低了控制系统复杂度及计算量。

5.本发明的通过低带宽通信分层治理谐波的方法，分别通过低频谐波电压补偿，中频虚拟阻抗补偿，高频段载波移相提高了系统在各个频段的电能质量，提升了系统运行效率。

附图说明

图1为本发明孤岛运行的微电网结构示意图。

图2为本发明的功率模块串联微电网分层谐波控制流程图。

图3为实验波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。

如图1、图2所示的一种孤岛运行的级联H桥微网结构，由三个功率模块串联和一个滤波电路组成，每个功率模块包括直流电源、直流交流转换电路和电流采样电路。滤波电路由滤波电感及滤波电容组成，滤波电感的输入端与功率模块串联电路其中一端相接，滤波电感的输出端与滤波电容的输入端相接，并接入公共连接点的一端，滤波电容的输出端接入公共连接点的另一端。

一种针对上述的基于孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法。

第一步：利用电压和电流传感器对公共连接点电压和电流进行采样，根据已知的馈线阻抗参数，对馈线阻抗压降进行估计：

其中ΔE_f是估计的馈线阻抗电压偏差，其中

是公共连接点额定电压幅值，P_load和Q_load分别是根据公共连接点电压计算得到的有功功率和无功功率，L_f和R_f分别是馈线阻抗与滤波器阻抗合并成的等效电感和等效电阻，ω^*是额定角频率。

第二步：中央控制器根据采样得到的公共连接点的电压和电流计算公共连接点功率因数：

PF_load＝arctan(Q_load/P_load) (2)

其中PF_load是公共连接点功率因数，并通过低带宽通信传送到功率模块本地控制器。

第三步：中央控制器根据采样得到的公共连接点电压V_PCC,通过滑动DFT提取谐波信息：

其中G_SDFT,h(s)是滑动DFT的传递函数，h是谐波的阶数，

和

是V_pcc电压在h阶的谐波电压幅值和相角，h＝3,5,7,9是3次，5次，7次，9次谐波。

采样公共连接点电流并提取相角：

∑M_{i_f}·∠θ_{i_f}＝∑G_SDFT,f(s)·I₁ (4)

其中G_SDFT,f(s)是基频滑动DFT的传递函数.M_{i_f}和θ_{i_f}是公共连接点电流I₁基频成分的幅值和相角.

以电流为同步信号通过低带宽通信向本地控制器传递公共连接点电压谐波信息，包括谐波幅值

和相角差Δθ_h

其中

和Δθ_h在提出微电网的稳定运行过程中是常数，因此可通过低带宽通信传递。

第四步：首先本地控制器根据控制器设置参考载波计数值：

TBPRD_ref＝(Counter36°-Counter18°)/2 (6)

其中Counter 36°和Counter 18°是电流对应相角为36°和18°的控制器计数值。

之后根据控制策略确定的相位校正时间判断是否校正相位；当需要进行相位校正，等待载波1计数值为0的时刻，否则继续生成载波；当载波1计数值为0，查询电流滑动DFT测得的相位计数值，否则继续等待；查询完成后根据载波移相的规律计算功率模块m的参考载波计数值，否则继续查询。

每个功率模块通过该程序分散地形成载波。

第五步：本地控制器采样电流信号，与由中央控制器通过低带宽通信下发的公共连接点电压谐波信息解调制得到公共连接点谐波电压，进行谐波电压补偿：

∑M_{i_f}·∠θ_{i_f}＝∑G_SDFT,f(s)·I₁ (7)

其中k_v,h是公共连接点电压在h阶谐波成分V_pcc,h的补偿增益，

是为补偿公共连接点谐波电压而生成的逆变电路参考输出谐波电压。

采样得到的电流用于虚拟阻抗控制，生成虚拟阻抗参考电压：

其中R_v,h谐波频率上的虚拟电阻值.I_1,h是公共连接点电流的谐波成分。

第六步：本地控制器接收中央控制器通过低带宽通信下发的功率因数信息，计算公共连

接点基频参考电压频率：

其中D_PF为反下垂因数，PF_pcc是串联功率模块的功率因数,由公共连接点基频参考电压

和公共连接点电流I₁计算得到；通过对频率积分得到公共连接点基频参考电压相角：

其中s为微分项。

本地控制器接收中央控制器通过低带宽通信下发的馈线阻抗电压偏差ΔE_f，生成基频参考电压幅值：

本地控制器根据生成的基频参考电压相角和基频参考电压幅值生成基频参考电压：

将公共连接点基频参考电压与谐波电压补偿和虚拟阻抗控制综合，生成本地参考电压：

其中

为生成的参考电压，

是基频参考电压,

是虚拟阻抗参考电压，

是参考输出谐波电压。

本地控制器根据本地参考电压，通过载波移相的调制方式输出开关信号。

综上，本方法实现在没有高频通讯线的条件下，输出公共连接点电压电能质量得到有效治理，各串联逆变器达到同步，且逆变器获得分层的谐波治理效果以及精确功率分配。

如图3所示的实验波形，以三个阶段展示电能质量治理效果，第一阶段无控制，第二阶段采用本发明的分散的载波移相，第三阶段在本发明的分散载波移相控制基础上使用了分层谐波治理，由实验数据可知通过分散的载波移相以及分层谐波治理，实现了电能质量有效提高，同时降低了系统成本。

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 (7)

1.孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，应用于以IGBT组成的H桥单元为主功率逆变电路为非线性负载提供稳定持续供电的微电网系统，其特征在于，包括以下步骤：

(1)公共连接点处的中央控制器对馈线阻抗电压偏差进行估计，并通过低带宽通信下发到各功率模块本地控制器，本地控制器对公共连接点的电压进行补偿，通过对公共连接点电压电流的测量计算出功率因数，并通过低带宽通信下发到各功率模块本地控制器；

(2)中央控制器采样公共连接点电压，以电流为同步信号通过低带宽通信向本地控制器传递公共连接点电压谐波信息；

(3)本地控制器以电流为同步信号，通过倍频实现载波移相；

(4)本地控制器采样电流信号，与由中央控制器通过低带宽通信下发的公共连接点电压谐波信息解调制得到公共连接点谐波电压，进行谐波电压补偿，采样得到的电流用于虚拟阻抗控制；

(5)本地控制器通过中央控制器下发的功率因数信息，进行反下垂控制实现精确地功率控制；

(6)本地控制器将公共连接点基频参考电压与谐波电压补偿和虚拟阻抗控制综合，生成本地参考电压，通过载波移相输出开关信号。

2.根据权利要求1所述孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，其特征在于，步骤(1)包括以下步骤：

(101)中央控制器利用电压和电流传感器对公共连接点电压和电流进行采样，根据已知的馈线阻抗参数，对馈线阻抗电压偏差进行估计：

其中ΔE_f是估计的馈线阻抗电压偏差，

是公共连接点额定电压幅值，P_load和Q_load分别是根据公共连接点电压和电流计算得到的有功功率和无功功率，L_f和R_f分别是馈线阻抗与滤波器阻抗合并成的等效电感和等效电阻，ω^*是额定角频率；

(102)中央控制器根据采样得到的公共连接点的电压和电流计算公共连接点功率因数：

PF_load＝arctan(Q_load/P_load) (1-2)

其中PF_load是公共连接点功率因数，并通过低带宽通信传送到功率模块本地控制器。

3.根据权利要求1所述孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，其特征在于，步骤(2)包括如下步骤：

(201)中央控制器根据采样得到的公共连接点电压V_PCC,通过滑动DFT提取谐波信息：

其中G_SDFT,h(s)是滑动DFT的传递函数，h是谐波的阶数，

和

是V_pcc电压在h阶的谐波电压幅值和相角，h＝3,5,7,9是3次，5次，7次，9次谐波；

(202)中央控制器根据采样得到的公共连接点电流提取相角：

∑M_{i_f}·∠θ_{i_f}＝∑G_SDFT,f(s)·I₁ (1-4)

其中G_SDFT,f(s)是基频滑动DFT的传递函数；M_{i_f}和θ_{i_f}是公共连接点电流I₁基频成分的幅值和相角；

(203)以电流为同步信号通过低带宽通信向本地控制器传递公共连接点电压谐波信息，包括谐波幅值

和相角差Δθ_h

其中

和Δθ_h在提出微电网的稳定运行过程中是常数，因此可通过低带宽通信传递。

4.根据权利要求1所述孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，其特征在于，步骤(3)包括如下步骤：

(301)本地控制器根据控制器设置参考载波计数值：

TBPRD_ref＝(Counter36°-Counter18°)/2 (1-6)

其中Counter36°和Counter18°是电流对应相角为36°和18°的控制器计数值；

(302)根据控制策略确定的相位校正时间判断是否校正相位；

(303)当需要进行相位校正，等待载波1计数值为0的时刻，否则继续生成载波；

(304)当载波1计数值为0，查询电流滑动DFT测得的相位计数值，否则继续等待；

(305)查询得到计数值后根据载波移相的规律计算功率模块m的参考载波计数值。

5.根据权利要求1所述孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，其特征在于，步骤(4)包括如下步骤：

(401)本地控制器采样电流信号，与由中央控制器通过低带宽通信下发的公共连接点电压谐波信息解调制得到公共连接点谐波电压，进行谐波电压补偿：

∑M_{i_f}·∠θ_{i_f}＝∑G_SDFT,f(s)·I₁ (1-7)

其中k_v,h是公共连接点电压在h阶谐波成分V_pcc,h的补偿增益，

是为补偿公共连接点谐波电压而生成的逆变电路参考输出谐波电压；G_SDFT,f(s)是基频滑动DFT的传递函数，M_{i_f}和θ_{i_f}是公共连接点电流I₁基频成分的幅值和相角，

为谐波幅值，Δθ_h为相角差；

(402)采样得到的电流用于虚拟阻抗控制,生成虚拟阻抗参考电压：

其中R_v,h谐波频率上的虚拟电阻值；I_1,h是公共连接点电流的谐波成分。

6.根据权利要求1所述孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，其特征在于，步骤(5)包括如下步骤：

(501)本地控制器接收中央控制器通过低带宽通信下发的功率因数信息，计算公共连接点基频参考电压频率

其中D_PF为反下垂因数，PF_pcc是串联功率模块的功率因数,由公共连接点基频参考电压

和公共连接点电流I₁计算得到；ω^*是额定角频率，PF_load是公共连接点功率因数，通过对频率积分得到公共连接点基频参考电压相角：

其中s为微分项；

(502)本地控制器接收中央控制器通过低带宽通信下发的馈线阻抗电压偏差ΔE_f，

是公共连接点额定电压幅值，生成基频参考电压幅值：

(503)本地控制器根据生成的基频参考电压相角和基频参考电压幅值生成基频参考电压：

7.根据权利要求1所述孤岛运行级联H桥微网结构分散交错及分层谐波治理方法，其特征在于，步骤(6)包括如下步骤：

(601)将公共连接点基频参考电压与谐波电压补偿和虚拟阻抗控制综合，生成本地参考电压：

其中

为生成的参考电压，

是基频参考电压,

是虚拟阻抗参考电压，

是参考输出谐波电压。

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