CN111697582A - 一种交流微电网系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种交流微电网系统，包括交流微电网和统一电能质量调节器，交流微电网包括光伏发电系统，统一电能质量调节器包括串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器,串联侧有源滤波器与并联侧有源滤波器之间通过直流母线连接；串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器中的一个接入交流微电网的系统侧，另一个接入交流微电网的负载侧；光伏发电系统的输出端与统一电能质量调节器的直流母线连接。本发明提供的技术方案，利用微电网本身的组成部分为统一电能质量调节器供能，不需要外接能源，充分利用了微电网的资源，并能构成闭环控制，对微电网的补偿效果更好。

Description

一种交流微电网系统

技术领域

本发明属于交流微电网谐波抑制技术领域，具体涉及一种交流微电网系统。

背景技术

随着环境保护和能源枯竭双重压力的逐渐增大，清洁可再生能源受到广泛关注。微电网是由分布式能源、储能装置、能量转换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发电系统，可以工作在并网模式和孤岛模式两种状态下，能够充分发挥分布式发电的优势，对缓解环境保护和能源枯竭问题具有重要的现实意义。但是微电网中含有大量的电力电子装置，再加之局部负荷中也可能含有非线性、不平衡以及无功特性，这都极大地恶化了微电网的电能质量，进而直接影响到微电网的稳定与经济运行。

UPQC，即统一电能质量调节器，集电压补偿装置、电流补偿装置和储能装置于一体，统一实现多重电能质量调节功能，可同时改善多种电能质量问题。并且，通过UPQC对微电网系统电能质量问题进行全面综合治理及提高供电可靠性，已成为该领域的研究热点。但是现有技术中的统一电能质量调节器在治理电能质量问题中存在功率波动问题，无法达到电网要求，且在无功补偿等电能质量问题上无法达到预期效果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种交流微电网系统，用于解决现有技术中统一电能质量调节器在进行电能质量问题治理时由于存在功率波动而造成电能质量治理效果差的问题。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种交流微电网系统，包括交流微电网和统一电能质量调节器，交流微电网包括光伏发电系统，统一电能质量调节器包括串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器,串联侧有源滤波器与并联侧有源滤波器之间通过直流母线连接；串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器中的一个接入交流微电网的系统侧，另一个接入交流微电网的负载侧；光伏发电系统的输出端与统一电能质量调节器的直流母线连接。

本发明所提供的技术方案，采用交流微电网的光伏发电系统为统一电能质量调节器提供有功电能，是利用微电网本身的组成部分来为统一电能质量调节器供能，不需要外接能源，充分利用了微电网的资源，能够构成闭环控制，对微电网的补偿效果更好。并通过串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器进行谐波治理，能够进一步提高对电网电能质量问题治理的效果。

进一步的串联侧有源滤波器连接交流微电网的系统侧，并联侧有源滤波器连接交流微电网的负载侧。

将串联侧有源滤波器连接在交流微电网的系统侧，并联侧有源滤波器连接在交流微电网的负载侧，能够在交流微电网的系统侧进行电压补偿，在负载侧进行电流补偿，使统一电能质量调节器对电网电能治理的效果更好。

进一步的，统一电能质量调节器包括控制系统，控制系统包括处理器和存储器，处理器用于执行如下步骤：

检测交流微电网处于并联侧有源滤波器一侧的三相电流，对其进行滤波处理，得到电流高次谐波，并根据电流高次谐波计算电流补偿量；然后以电流补偿量为目标值，并联侧有源滤波器注入交流微电网的电流为反馈值，采用模糊PI控制方法控制并联侧有源滤波器；

检测交流微电网处于串联侧有源滤波器一侧的三相电压，对其进行滤波处理，得到电压高次谐波，并根据电压高次谐波计算电压补偿量；然后以电压补偿量为目标值，串联侧有源滤波器注入交流微电网的电压为反馈值，采用模糊PI控制方法控制串联侧有源滤波器；

模糊PI控制方法，是根据目标值与对应反馈值之间的差值以及该差值的导数进行模糊推理，确定PI控制器的参数，并产生PWM信号驱动相应的有源滤波器。

采用模糊PI控制方法，对并联侧有源滤波器和串联侧有源滤波器的控制更加准确。

进一步的，获取电流高次谐波分量时，首先采用低通滤波器得到各相电流的基波分量，然后将各相电流与其基波分量作差，得到各相电流高次谐波分量。

将三相线路中的电流与其对应的基波分量作差，得到的三相线路的电流高次谐波更完整。

进一步的，获取电压高次谐波分量时，首先采用低通滤波器得到各相电压的基波分量，然后将各相电压与其基波分量作差，得到各相电压高次谐波分量。

将三相线路中的电压与其对应的基波分量作差，得到的三相线路的电压高次谐波更完整。

进一步的，串联侧有源滤波器的模糊PI控制和并联侧有源滤波器的模糊PI控制的公式为：

其中，K_p为比例系数；K_i为积分系数，

分别为控制器K_p、K_i参数初始值，ΔK_p、ΔK_i为模糊推理的输出值，U(K)为PI控制器的输出值，e(K)为误差，K为第K步，i为累积量，在1到K之间取值。

进一步的，统一电能质量调节器的直流母线还连接有用于储能和平抑交流微电网功率波动的超级电容器。

设置超级电容器，能够平抑微电网的功率波动。

进一步的，光伏发电系统采用最大功率跟踪控制方法。

采用最大功率跟踪控制光伏发电站，能够保证光伏发电站的工作效率。

附图说明

图1为本发明实施例中交流微电网的拓扑结构图；

图2为本发明实施例中对串联侧有源滤波器进行模糊PI控制的逻辑图；

图3为本发明实施例中带有非线性负载的三相电力系统的系统侧的信号波形图；

图3a为本发明实施例中带有非线性负载的三相电力系统的系统侧电压波形FFT的谐波含量分析图；

图3b为本发明实施例中带有非线性负载的三相电力系统的系统侧电流波形FFT的谐波含量分析图；

图4为本发明实施例中电能治理后三相电力系统的系统侧的信号波形图；

图4a为本发明实施例中电能治理后三相电力系统的系统侧电压波形FFT的谐波含量分析图；

图4b为本发明实施例中电能治理后三相电力系统的系统侧电流波形FFT的谐波含量分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本实施例提供一种交流微电网系统，其拓扑结构如图1所示，包括交流微电网和统一电能质量调节器(UPQC)，交流微电网包括光伏发电系统，光伏发电系统内设置有光伏阵列。

统一电能质量调节器包括串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器,串联侧有源滤波器与并联侧有源滤波器之间通过直流母线连接；串联侧有源滤波器连接交流微电网的系统侧，并联侧有源滤波器连接交流微电网的负载侧，光伏发电系统的输出端与统一电能质量调节器的直流母线连接。

交流微电网的系统侧被控制为电压源，通过串联侧有源滤波器对其电压进行谐波治理；交流微电网的负载侧被控制为电流源，通过并联侧有源滤波器对其电流进行谐波治理，并调节统一电能质量调节器的直流母线电压。

交流微电网中光伏发电系统的输出端与统一电能质量调节器的直流母线连接，用于提供有功电能；为了保证光伏发电站的工作效率，本实施例中光伏发电站采用最大功率跟踪控制。

在本实施例所提供的交流微电网系统中，统一电能质量调节器的直流侧还并联设置有超级电容器，超级电容器用于储能和平抑微电网的功率波动。

为了实现交流微电网的谐波抑制，统一电能质量调节器还包括有耦合变压器，平波电感和平波电阻。平波电感和平波电阻与普通电感和电阻一样，只是因为其作用为平抑波动，故而命名为平波电感和平波电阻。

本实施例提供交流微电网系统，其中的统一电能质量调节器包括控制系统，控制系统包括处理器和存储器，控制器用于执行对并联侧有源滤波器和串联侧有源滤波器进行控制以抑制微电网谐波。

控制器对于并联侧有源滤波器的控制方法为：

(1)检测三相三线制线路中各相电流和各相电压，并将检测到的电流和电压分别转换到相应的正交α-β坐标系中；

设检测到的三相三线制电路中各相的电压分别为e_a、e_b和e_c，各相的电流分别为i_a、i_b和i_c，则各相电压和电流转换到正交α-β坐标系时所采用的公式为：

其中e_α为各相电压在正交α-β坐标系中α轴的电压值，e_β为各相电压在正交α-β坐标系中β轴的电压值，i_α为三相三线制电路各相电压在正交α-β坐标系中α轴的电流值，i_β为三相三线制电路各相电压在正交α-β坐标系中β轴的电流值。

(2)将在正交α-β坐标系中的电压值和电流值进行合成，得到旋转电压矢量

和旋转电流矢量

(3)在对并联侧有源滤波器进行控制时，无需检测三相电网电压，故刻意在交流微电网电压发生畸变时准确地测出高次谐波电流。获取所需的谐波分量，具体为：

在正交α-β坐标系下将旋转电流矢量

分解为i_p分量和i_q分量，其中i_p分量为有功电流分量，与旋转电压矢量

同方向；i_q分量为无功电流分量，与旋转电压矢量

垂直且落后

的角度为90°，因此可得：

其中，

为坐标变换后旋转矢量

落后于旋转矢量

的角度。

设有功功率为p，无功功率为q，则：

p＝ei_p，

q＝ei_q，

通过变形，可得：

p＝e_αi_α+e_βi_β，

q＝e_αi_β-e_βi_α，

当各相中的电压为正弦且对称时，有：

式中，ω是角频率，E_m为相电压最大值。

考虑到三相三线制电路中的电流存在非正弦的情况，所以将三相三线制电路中的三相电流进行傅里叶分解后代入上式，得到：

I_km是k次谐波相电流的最大值；ω是角频率；θ_k是经傅里叶分解后，k次谐波电流和谐波电压的夹角。

式中当k＝1，7，13……时取负号，当k＝5，11，17……时取正号。对于三相三线制电路，不含k＝3，6，9……次分量。

当k＝1时，i_p、i_q成分反映了i_a、i_b、i_c中的基波分量，定义为i_p1、i_q1。当k≠1时，i_p、i_q成分对应了其中的谐波分量，定义为i_ph、i_qh。从而i_p、i_q的表达式可写为：

其中

由上式可知三相电流i_a、i_b、i_c经变换后，对应于基波分量的i_p1、i_q1变为直流分量，对应于高次谐波分量的为i_ph、i_qh经变换后为6m次的谐波分量之和。

k的取值为(k＝6m±1,m＝1,2,3...)，变换后为6m次的谐波之和。

所以只需采用低通滤波器从变换后的电流i_p、i_q中滤除其中的直流基波分量，最后从三相电流中减去直流基波分量便得到三相电流中的高次谐波分量。其中，低通滤波器采用检测精度较高的Butterworth滤波器。

(4)采用自整定模糊PI控制方法控制并联侧有源滤波器，根据谐波分量计算出补偿量并发出补偿控制信号。

根据得到的电流高次谐波计算出相应的电流补偿量，然后以电流补偿量为电流目标值(即设定值)，并联侧有源滤波器注入交流微电网的电流为电流反馈值，根据电流目标值与电流反馈值之间的差值及该差值的导数，进行模糊推理，确定PI控制器的参数，并产生PWM信号驱动并联侧有源滤波器。

本实施例中在采用的自整定模糊PI控制方法时，首先根据设定值和反馈值计算出差值e和差值的导数ec，再对其进行模糊化后根据知识库进行决策逻辑，然后去模糊化，输出处理结果。

本实施例中对并联侧有源滤波器进行模糊PI控制时，采用自整定模糊PI控制，经过模糊推理和PI控制器的处理后输出PWM波，该PWM波为驱动并联侧有源滤波器的驱动信号。图2中设定值为得到三相电流中的高次谐波分量所计算出的电流补偿量，反馈值为输出的三相电流。

模糊PI控制器所采用的公式如下式所示：

其中，K_p为比例系数；K_i为积分系数，

分别为控制器K_p、K_i参数初始值，ΔK_p、ΔK_i为模糊推理的输出值，U(K)为PI控制器的输出值，e(K)为误差，K为第K步，i为累积量，在1到K之间取值。

在自整定模糊PI控制方法中，K_p和K_i的控制规则如表1所示。

表1

上述自整定模糊PI控制方法为并联侧有源滤波器的控制方法，但是还需根据主电路参数设计高通滤波器和平波阻抗。本实施例中采用二阶高通滤波器用来吸收有源滤波器工作中产生的开关频率附近的高次谐波，滤除电网侧和负载侧的三相电流或电压的高次谐波，在电网侧和负载侧各存在一个；再根据主电路参数计算平波阻抗(本实施例中即平波电抗)。

平波电抗L的取值要确保并联侧有源电力滤波器输出的补偿电流对补偿指令电流由较强的跟踪控制能力。而当并联侧有源电力滤波器正常工作时，输出的补偿电流以锯齿波的形状跟随在指令电流电流两侧变化。以a相补偿电流为例，忽略线路电阻，有

式中，i_ca是并联侧有源电力滤波器提供的a相补偿电流；u_sa是交流微电网输入的a相电压；u_dc是直流侧电压；K(n)是开关函数，取值为1/3或2/3；

是并联侧有源滤波器输出补偿电流的变化率，若其大于或等于负载电流的变化率，则补偿电流可实时跟踪负载电流的变化。

因此平波电抗的最大取值和最小取值的计算公式如下所示。

1)最大取值的计算

假设a相源电压为：

u_sa＝U_m sinωt，

则由上式得：

因此平波电抗的最大值为：

式中，i_ca ^*为补偿指令电流；U_m为交流微电网输出的a相电压最大值；ω是角频率。当补偿电流只补偿谐波时，|i_ca ^*|_max＝2.3i_ca ^*，当补偿谐波以及无功电流时，|i_ca ^*|_max＝1.7i_ca ^*。

2)最小取值的计算

若电抗器取值偏小，则会使补偿电流的纹波过大，进而会影响补偿效果。假设并联有源滤波器的实际输出电流和指令电流间的最大偏差值为Δi_cmax，则有

式中，f_c是PWM脉冲的频率。

进而得到平波电抗的最小取值：

但是在实际计算中，会结合实际情况在平波电抗的最大和最小值之间进行参数的选取和调整，平波电阻的选取则是在平波电抗确定后阻抗角不要过大的原则下调整和选取阻值。

在滤除谐波电流时，主要补偿的谐波分量为3、5、7、11等奇次谐波，设开关频率f_c为6.4kHz，二阶高通滤波器等效为RC滤波器，截止频率f₀为：

滤波电容C的计算公式为：

电阻R的计算公式为：

电感L的计算公式为：

L＝mR²C，

其中，ω₁为交流微电网电压的基波角频率，U₁为无畸变电网电压值，n_i为高通滤波器滤除的电流的次数，

为滤除高次谐波的无功电流，m为滤波器调谐曲线的形状系数。

本实施例中，串联侧有源滤波器连接交流微电网的系统侧，并联侧有源滤波器连接交流微电网的负载侧；作为其他实施方式，也可将串联侧有源滤波器连接交流微电网的负载侧，并联侧有源滤波器连接交流微电网的系统侧。

控制器对于串联侧有源滤波器的控制方法为：

(1)检测三相三线制线路中各相电压和各相电流，并将检测到的电压和电流分别转换到相应的正交α-β坐标系中；

设检测到的三相三线制电路中各相的电压分别为e_a、e_b和e_c，各相的电流分别为i_a、i_b和i_c，则各相电压和电流转换到正交α-β坐标系时所采用的公式为：

其中e_α为各相电压在正交α-β坐标系中α轴的电压值，e_β为各相电压在正交α-β坐标系中β轴的电压值，i_α为三相三线制电路各相电压在正交α-β坐标系中α轴的电流值，i_β为三相三线制电路各相电压在正交α-β坐标系中β轴的电流值。

(2)将在正交α-β坐标系中的电压值和电流值进行合成，得到旋转电压矢量

和旋转电流矢量

(3)本实施例中检测各相电压时，检测交流微电网处于串联侧有源滤波器一侧的各相电压，获取所需的谐波分量，具体为：

在正交α-β坐标系下将旋转电压矢量

分解为u_p分量和u_q分量，其中u_p分量为有功电压分量，与旋转电压矢量

同方向；u_q分量为无功电压分量，与旋转电压矢量

垂直且落后

的角度为90°。

设有功功率为p，无功功率为q，则：

p＝ei_p，

q＝ei_q，

通过变形，可得：

p＝e_αi_α+e_βi_β，

q＝e_αi_β-e_βi_α，

考虑到三相三线制电路中的电压存在非正弦的情况，所以将三相三线制电路中的电压进行傅里叶分解后代入上式，得到：

U_km是k次谐波相电压的最大值；ω是角频率；θ_k是经傅里叶分解后，k次谐波电流和谐波电压的夹角。

式中当k＝1，7，13……时取负号，当k＝5，11，17……时取正号。对于三相三线制电路，不含k＝3，6，9……次分量。

当k＝1时，u_p、u_q成分反映了u_a、u_b、u_c中的基波分量，定义为u_p1、u_q1。当k≠1时，u_p、u_q成分对应了其中的谐波分量，定义为u_ph、u_qh。从而u_p、u_q的表达式可写为：

其中：

由上式可知三相电压e_a、e_b、e_c经变换后，对应于基波分量的u_p1、u_q1变为直流分量，对应于高次谐波分量的为u_ph、u_qh经变换后为6m次的谐波分量之和。所以只需采用低通滤波器从变换后的电压u_p、u_q中滤除其中的直流基波分量，最后从三相电压中减去基波分量便得到三相电压中的高次谐波分量。其中，低通滤波器采用检测精度较高的Butterworth滤波器。

(4)采用自整定模糊PI控制方法控制串联侧有源滤波器，根据谐波分量计算出补偿量并发出补偿控制信号。自整定模糊PI控制方法与上述对并联侧有源滤波器进行控制时所采用的自整定模糊PI控制方法相同，这里不多做说明。

下面对上述谐波抑制方法进行验证。

搭建三相三线制电力系统，并设计主电路参数，主电路参数为：光伏阵列的电路参数值为110kW，直流母线的电压设定值为300V，超级电容的额定电压为48V，容量为100F，耦合变压器的变比为1:1，平波电阻的阻值为5Ω，平波电感的电感值为6e-3H，高通滤波器设计参数中的电阻的阻值为2Ω，电容的电容值为22e-6F，电感的电感值为178e-6H，此模型在simulink中运用电气模块搭建，即搭建的三相三线制电力系统中的三相电网电压用三个星形连接的交流理想电压模块来表示，谐波源用三相整流桥加阻感性负载模拟。

利用三相电压型PWM变流器搭建串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器模型，并将串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器背对背连接。在simulink中，利用三相流脉冲的IGBT晶闸管来模拟PWM变流器。

采用上述谐波抑制方法进行谐波抑制。

经过仿真测试，带有非线性负载的三相电力系统的系统侧的信号波形如图3所示，其中电压、电流波形FFT的谐波含量分析图分别如图3a和图3b所示；经过上述谐波抑制方法进行电能治理后，三相电力系统的系统侧的信号波形如图4所示，电压和电流波形FFT的谐波含量分析图分别如图4a和图4b所示。通过对比可看出，本实施例所提供的技术方案，在电能质量问题治理过程中能够平抑电网的功率波动，所以能够提高对电网电能质量问题治理的效果。

Claims (8)

1.一种交流微电网系统，其特征在于，包括交流微电网和统一电能质量调节器，所述交流微电网包括光伏发电系统，所述统一电能质量调节器包括串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器,串联侧有源滤波器与并联侧有源滤波器之间通过直流母线连接；串联侧有源滤波器和并联侧有源滤波器中的一个接入所述交流微电网的系统侧，另一个接入交流微电网的负载侧；所述光伏发电系统的输出端与统一电能质量调节器的直流母线连接。

2.根据权利要求1所述的交流微电网系统，其特征在于，所述串联侧有源滤波器连接所述交流微电网的系统侧，所述并联侧有源滤波器连接所述交流微电网的负载侧。

3.根据权利要求1或2所述的交流微电网系统，其特征在于，所述统一电能质量调节器包括控制系统，控制系统包括处理器和存储器，所述处理器用于执行如下步骤：

检测交流微电网处于并联侧有源滤波器一侧的三相电流，对其进行滤波处理，得到电流高次谐波，并根据电流高次谐波计算电流补偿量；然后以电流补偿量为目标值，并联侧有源滤波器注入交流微电网的电流为反馈值，采用模糊PI控制方法控制并联侧有源滤波器；

检测交流微电网处于串联侧有源滤波器一侧的三相电压，对其进行滤波处理，得到电压高次谐波，并根据电压高次谐波计算电压补偿量；然后以电压补偿量为目标值，串联侧有源滤波器注入交流微电网的电压为反馈值，采用模糊PI控制方法控制串联侧有源滤波器；

所述模糊PI控制方法，是根据目标值与对应反馈值之间的差值以及该差值的导数进行模糊推理，确定PI控制器的参数，并产生PWM信号驱动相应的有源滤波器。

4.根据权利要求3所述的交流微电网系统，其特征在于，获取电流高次谐波分量时，首先采用低通滤波器得到各相电流的基波分量，然后将各相电流与其基波分量作差，得到各相电流高次谐波分量。

5.根据权利要求3所述的交流微电网系统，其特征在于，获取电压高次谐波分量时，首先采用低通滤波器得到各相电压的基波分量，然后将各相电压与其基波分量作差，得到各相电压高次谐波分量。

6.根据权利要求3所述的交流微电网系统，其特征在于，串联侧有源滤波器的模糊PI控制和并联侧有源滤波器的模糊PI控制的公式为：

其中，K_p为比例系数；K_i为积分系数，

分别为控制器K_p、K_i参数初始值，ΔK_p、ΔK_i为模糊推理的输出值，U(K)为PI控制器的输出值，e(K)为误差，K为第K步，i为累积量，在1到K之间取值。

7.根据权利要求1所述的交流微电网系统，其特征在于，所述统一电能质量调节器的直流母线还连接有用于储能和平抑交流微电网功率波动的超级电容器。

8.根据权利要求1所述的交流微电网系统，其特征在于，所述光伏发电系统采用最大功率跟踪控制方法。

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