CN111641231A - 基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及交流微电网，具体是一种基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法。交流微电网由多台并联三相并网逆变器、LCL滤波器及直流电能输出元件构成。所提控制方法可实现减轻逆变器间的交互影响程度并提升并网逆变器的输出并网电能质量。目的实现过程主要包括首先根据系统的传递函数矩阵推导出系统的相对增益矩阵，根据矩阵中的元素大小和相关规律指导参数的选取和调节，硬件包括三相并网逆变器和LCL滤波器；控制环节包括下垂控制、电压电流双闭环控制以及有源阻尼控制。通过由相对增益矩阵所获得的系统运行的相关规律对控制参数进行调节和硬件参数的选取可有效提升逆变器输出的并网电能质量。

Description

基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法
技术领域
本发明涉及交流微电网领域，是一种基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法。
背景技术
近年来，为解决环境污染以及非可再生资源不断消耗所造成的能源危机问题，由太阳能、风能、潮汐能等新型可再生能源构成的分布式电源渗透率不断提高。并网逆变器起着连接分布式电源与电网的作用，因此对并网逆变器的相关研究显得尤为重要。
为了满足电网的容量需求，逆变器常常采用冗余配置即构成所谓的多逆变器并网系统。逆变器通过公共连接点(point of common coupling,PCC)与电网连接并与电网产生复杂的交互作用，许多学者们已经展开了相关的研究。现有的研究多注重于逆变器与电网之间的耦合，很少关注逆变器间的耦合，然而实际中不仅并联逆变器与电网间存在相互耦合影响，并网的逆变器间同样也存在着复杂的交互影响，影响到微电网系统的并网电能质量。现有文献大多针对并联逆变器间的耦合程度进行定性分析，缺乏对逆变器间交互影响程度的定量表征。且分析的目标多集中在控制结构简单、建模相对容易的单相并网逆变器。
所以针对实际运行当中数量居多且控制结构复杂的三相并网逆变器，亟需一种可以定量分析逆变器间交互影响程度的方法。探究随着系统运行方式、控制参数和硬件参数改变时逆变器间交互影响程度的变化规律，为实际系统如何提高并网电能质量提供理论指导。
发明内容
本发明为了解决交流微电网中因多并联三相并网逆变器间存在的交互影响而引起的输出并网电能质量降低的问题，针对现有技术的缺陷，设计了一种基于相对增益矩阵的交流微电网多并联三相并网逆变器间交互影响分析及输出并网电能质量提升方法。
本方法是采用如下技术方案实现的：基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法，三相并网逆变器的交流侧经滤波器接入交流微电网，直流侧经直流电容接入直流微电网，三相并网逆变器的交流侧还包括用于采集交流测电压的交流电压采集模块、采集交流测电流的交流电流采集模块、采集滤波器电容电流的电流采集模块；交流电压采集模块输出端与功率计算模块、交流电压坐标变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端与功率计算模块、交流电流坐标变换模块的输入端连接，功率计算模块的输出端与下垂控制模块的输入端连接，下垂控制模块的输出端与交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输入端连接，交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输出端与电压电流双闭环控制模块的输入端连接，电流采集模块与交流电流坐标变换模块的输入端相连，电压电流双闭环控制模块的输出端与有源阻尼控制模块输入端相连，交流电流坐标变换模块还与有源阻尼控制模块输入端相连，有源阻尼控制模块输出端与电压电流双闭环控制模块的输出端相连后与反坐标变换模块的输入端相连，反坐标变换模块输出端与PWM驱动模块的输入端连接，PWM驱动模块的输出端与三相三桥臂变流器的反馈端连接；
交流电压采集模块采集到交流侧电压Uabc并输入功率计算模块、交流电压坐标变换模块，交流电流采集模块采集到交流侧电流Iabc并输入到功率计算模块、交流电流坐标变换模块；
功率计算模块由输入的交流侧电压Uabc和交流侧电流Iabc经功率计算输出系统的有功P和无功Q到下垂控制模块；
下垂控制模块将输入的有功P和无功Q分别经过有功下垂特性和无功下垂特性求出频率值f和电压参考值Uref；再将频率值f进行积分控制，得到相角δi输出至交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块，而由电压参考值Uref和相角δi取得三相电压参考值Uabcref，Uabcref经过参考电压坐标变换模块输出αβ0坐标系下的电压参考值Uαβ0ref至电压电流双闭环控制模块；
交流电流坐标变换模块由输入的交流侧电流Iabc、相角δi经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电流Iαβ0到电压电流双闭环控制模块；
交流电压坐标变换模块由输入的交流侧电压Uabc、相角δi经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电压Uαβ0到电压电流双闭环控制模块；
电容电流经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电流ICfαβ0到有源阻尼控制模块，经过有源阻尼控制得到相应的输出电压值UCfαβ0；
电压电流双闭环控制模块先将输入的电压参考值Uαβ0ref和实际电压值Uαβ0做差，后经过电压控制得到电流参考值Iαβ0ref，再将电流参考值Iαβ0ref和电流实际值Iαβ0做差，后经过电流控制环节与有源阻尼控制模块的输出端相连后求得调制电压信号Uαβ0ref2，经反坐标变换模块转换得到abc轴坐标系下调制电压信号uabc并输入到PWM驱动模块，PWM驱动模块输出驱动信号输入到三相并网逆变器IGBT控制端，最后依据相对增益矩阵确定电压电流双闭环控制模块中的控制参数，如比例增益和谐振增益等，并确定系统中的硬件参数，如滤波器的数值，实现输出具有较高电能质量的并网电流。
上述的基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法，相对增益矩阵的获得过程为：首先要获得包含控制策略以及滤波器结构的单台三相并网逆变器的传递函数模型，后推导出多个并网逆变器在频域下的传递函数矩阵，后根据相应的矩阵运算法则得到整个系统的相对增益矩阵，由相对增益矩阵进行逆变器间交互影响程度的定量分析。相对增益作为多变量间耦合程度的一种表征，其矩阵中的元素数值的大小代表逆变器间的交互影响程度，改变系统运行方式、控制参数及硬件参数即可改变矩阵中元素，依据相关判断准则即可削弱逆变器间交互影响程度从而提升输出并网电能质量。
上述的基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法，三相并网逆变器的交流侧滤波器为LCL型滤波器，LCL型滤波器包括滤波电容、滤波电感及寄生电阻。
本发明有益效果是：
1.本发明采用的相对增益矩阵方法，可以定量的表征多三相并网逆变器间的交互影响程度，从而可以得出随着系统运行方式、控制参数及硬件参数改变时逆变器间交互影响程度的变化规律。
2.本发明中三相并网逆变器采用基于下垂控制的电压电流双闭环控制，并附加有源阻尼控制，且采用αβ两轴控制取代传统的dq两轴控制，针对多并联三相并网逆变器间的交互影响问题，给出基于相对增益矩阵的电能质量提升方法，可有效指导系统在不同运行方式下确定合适的控制参数及硬件参数从而获得具有较高电能质量的并网输出电流。
附图说明
图1是本发明所涉及相对增益矩阵中相对增益的定义图，对于一个多变量输入多变量输出的闭环控制系统，令某一通道在所有控制uj—yi均为开环时的放大系数与在除该通道外其它控制均为开环时的放大系数之比为λij，称为相对增益，可以看出相对增益λij是系统中其它控制回路对某一控制回路影响程度的一种表征。
图2是本发明对多三相逆变器并网系统相对增益矩阵计算公式图，式中
Figure BDA0002566191920000041
为两个矩阵对应的元素相乘，即矩阵的Hadamard乘积，G(jω)为多三相逆变器并网系统传递函数矩阵G(s)的频域值。
图3是多三相逆变器并网系统的运行结构示意图。
具体实施方式
基于相对增益矩阵的多并联三相并网逆变器间交互影响分析及电能质量提升方法，相对增益可用来表征多变量间的耦合程度，其定义如图1所示，对于一个n输入m输出闭环控制系统，相对增益提供了一种判断不同控制回路之间交互影响程度的一个度量，系统中所有的任意两个回路之间的相对增益共同构成了一个n×m的相对增益矩阵RRGA，根据该矩阵中提供的定量信息便可以明确的判断多输入多输出系统不同控制回路之间的交互影响，RRGA的相关计算公式如图2所示。为了得到多三相逆变器并网系统的相对增益矩阵，首先要获得包含控制策略以及滤波器结构的单台三相并网逆变器的传递函数模型，后推导出多个并网逆变器在频域下的传递函数矩阵，后根据相应的矩阵运算法则得到整个系统的相对增益矩阵进行逆变器间交互影响程度的定量分析，由矩阵中元素可以得到随着系统运行方式、控制参数和硬件参数改变时逆变器间交互影响程度的变化规律，依据相关规律便可以指导相关参数的设计从而改善逆变器输出的并网电能质量。
多三相逆变器并网系统的运行结构示意图如图3所示，包括三相三桥臂变换器，三相三桥臂变换器的交流侧经LCL型滤波器(包括滤波电感、滤波电容和寄生电阻)接入交流微电网，直流侧经直流电容接入直流微电网。还包括用于采集交流测电压的交流电压采集模块、采集交流测电流的交流电流采集模块、采集滤波器电容电流的电流采集模块；交流电压采集模块输出端与功率计算模块、交流电压坐标变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端与功率计算模块、交流电流坐标变换模块的输入端连接，功率计算模块的输出端与下垂控制模块的输入端连接，下垂控制模块的输出端与交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输入端连接，交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输出端与电压电流双闭环控制模块的输入端连接，电流采集模块与交流电流坐标变换模块的输入端相连，交流电流坐标变换模块还与有源阻尼控制模块输入端相连，有源阻尼控制模块输出端与电压电流双闭环控制模块的输出端相连后与反坐标变换模块的输入端相连，反坐标变换模块输出端与PWM驱动模块的输入端连接，PWM驱动模块的输出端与三相三桥臂变流器的反馈端连接。
根据由相对增益矩阵得到的系统运行规律，进行相关硬件参数及控制参数的调节，从而获得具有较高电能质量的逆变器输出并网电流。
上述的逆变器间交互影响分析及输出并网电能质量提升方法方法，包括以下步骤：
硬件模块的控制步骤为交流电压采集模块采集到交流侧电压Uabc并输入功率计算模块、交流电压坐标变换模块，交流电流采集模块采集到交流测电流Iabc并输入到功率计算模块、交流电流坐标变换模块。
功率计算模块由输入的交流侧电压Uabc和交流测电流Iabc经功率计算输出系统的有功P和无功Q到下垂控制模块。
下垂控制模块将输入的有功P和无功Q分别经过有功下垂特性和无功下垂特性求出频率值f和电压参考值Uref。再将频率值f进行积分控制，得到相角δi输出至电压坐标变换器模块、电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块，而由电压参考值Uref和相角δi取得三相电压参考值Uabcref，经过参考电压坐标变换输出αβ0坐标系下的电压参考值Uαβ0ref至双闭环控制模块。
交流电流坐标变换模块由输入的交流测电流经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电流Iαβ0到双闭环控制模块。
交流电压坐标变换模块由输入的交流测电压经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电压Uαβ0到双闭环控制模块。
电容电流经交流电流坐标变换模块输出αβ0轴坐标系下电流ICfαβ0到有源阻尼控制模块，经过有源阻尼控制得到相应的输出电压值UCfαβ0；
电压电流双闭环控制模块先将输入的电压参考值Uαβ0ref和实际电压值Uαβ0做差，后经过电压控制得到电流参考值Iαβ0ref，再将电流参考值Iαβ0ref和电流实际值Iαβ0做差，后经过电流控制环节与有源阻尼控制模块的输出端相连后求得调制电压信号Uαβ0ref2，经反坐标变换模块转换得到abc轴坐标系下调制电压信号uabc并输入到PWM驱动模块，PWM驱动模块输出驱动信号输入到三相并网逆变器IGBT控制端，最后依据相对增益矩阵确定电压电流双闭环控制模块中的控制参数，并确定系统中的硬件参数，实现输出具有较高电能质量的并网电流。

Claims (3)

1.基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法，其特征在于：三相并网逆变器的交流侧经滤波器接入交流微电网，直流侧经直流电容接入直流微电网，三相并网逆变器的交流侧还包括用于采集交流测电压的交流电压采集模块、采集交流测电流的交流电流采集模块、采集滤波器电容电流的电流采集模块；交流电压采集模块输出端与功率计算模块、交流电压坐标变换模块的输入端连接，交流电流采集模块的输出端与功率计算模块、交流电流坐标变换模块的输入端连接，功率计算模块的输出端与下垂控制模块的输入端连接，下垂控制模块的输出端与交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输入端连接，交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块的输出端与电压电流双闭环控制模块的输入端连接，电流采集模块与交流电流坐标变换模块的输入端相连，交流电流坐标变换模块还与有源阻尼控制模块输入端相连，有源阻尼控制模块输出端与电压电流双闭环控制模块的输出端相连后与反坐标变换模块的输入端相连，反坐标变换模块输出端与PWM驱动模块的输入端连接，PWM驱动模块的输出端与三相三桥臂变流器的反馈端连接；
交流电压采集模块采集到交流侧电压Uabc并输入功率计算模块、交流电压坐标变换模块，交流电流采集模块采集到交流侧电流Iabc并输入到功率计算模块、交流电流坐标变换模块；
功率计算模块由输入的交流侧电压Uabc和交流侧电流Iabc经功率计算输出系统的有功P和无功Q到下垂控制模块；
下垂控制模块将输入的有功P和无功Q分别经过有功下垂特性和无功下垂特性求出频率值f和电压参考值Uref；再将频率值f进行积分控制，得到相角δi输出至交流电压坐标变换模块、交流电流坐标变换模块和参考电压坐标变换模块，而由电压参考值Uref和相角δi取得三相电压参考值Uabcref，Uabcref经过参考电压坐标变换模块输出αβ0坐标系下的电压参考值Uαβ0ref至电压电流双闭环控制模块；
交流电流坐标变换模块由输入的交流侧电流Iabc、相角δi经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电流Iαβ0到电压电流双闭环控制模块；
交流电压坐标变换模块由输入的交流侧电压Uabc、相角δi经坐标变换输出αβ0轴坐标系下电压Uαβ0到电压电流双闭环控制模块；
电容电流经交流电流坐标变换模块输出αβ0轴坐标系下电流ICfαβ0到有源阻尼控制模块，经过有源阻尼控制得到相应的输出电压值UCfαβ0；
电压电流双闭环控制模块先将输入的电压参考值Uαβ0ref和实际电压值Uαβ0做差，后经过电压控制得到电流参考值Iαβ0ref，再将电流参考值Iαβ0ref和电流实际值Iαβ0做差，后经过电流控制环节与有源阻尼控制模块的输出端相连后求得调制电压信号Uαβ0ref2，经反坐标变换模块转换得到abc轴坐标系下调制电压信号uabc并输入到PWM驱动模块，PWM驱动模块输出驱动信号输入到三相并网逆变器IGBT控制端，最后依据相对增益矩阵确定电压电流双闭环控制模块中的控制参数，并确定系统中的硬件参数，实现输出具有较高电能质量的并网电流。
2.根据权利要求1所述的基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法，其特征在于：相对增益矩阵的获得过程为：首先要获得包含控制策略以及滤波器结构的单台三相并网逆变器的传递函数模型，后推导出多个并网逆变器在频域下的传递函数矩阵，后根据相应的矩阵运算法则得到整个系统的相对增益矩阵，由相对增益矩阵进行逆变器间交互影响程度的定量分析。
3.根据权利要求2所述的基于相对增益矩阵的交流微电网输出并网电能质量提升方法，其特征在于：三相并网逆变器的交流侧滤波器为LCL型滤波器，LCL型滤波器包括滤波电容、滤波电感及寄生电阻。
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