CN111864815B - 一种基于功率因数的微网无功调节控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于功率因数的微网无功调节控制方法及系统，本发明基于功率因数误差和功率因数符号进行PI控制，使得整个控制朝着正确的方向调节输出的无功电流，不会误调节；同时当目标功率因数发生改变时，更新前馈无功电流，使得无功电流的给定值快速到达目标值附近，响应速度更快，调节过程更加稳定和平滑。

Description

一种基于功率因数的微网无功调节控制方法及系统

技术领域

本发明涉及一种基于功率因数的微网无功调节控制方法及系统，属于微电网无功调节控制领域。

背景技术

近年来，随着光伏建设成本的下降，分布式光伏取得了快速高效的发展，而对于工商业用电大户，具有用电量需求高且屋顶闲置场地大，因此特别适合投入建设分布式光伏。同时考虑电价的峰谷差，配置相应容量的储能系统，这样就构建成了一个和大电网连接的微网系统，通过微网控制器的协调控制可以进一步优化企业用电成本。

微电网的建设使得整个用电模式发生了较大的改变，由原来单一的用电模式，变为用电和供电模式共存，且由于新能源光伏发电的不确定性，会导致整个微网在用电与供电之间来回切换。而供电公司又特别重视对大的工业用户功率因数的管控，若其功率因数过低会面临罚款处罚，因此需对无功功率进行补偿，常规一般采用电容器组投切或定无功功率的模式对无功功率控制，但是在微网系统中，系统功率流向变化较大，定无功功率控制并不能确保系统实时高功率因数运行，同时随着微网的发展，后续微网中的无功补偿装置也将参与到大电网无功调度当中。

目前，无功补偿装置一般采用基于功率因数控制模式，可根据电网允许的功率因数下限，响应大电网的无功调度指令，同时确保微网的功率因数不会低于允许的下限值，具体如图1所示，由给定目标功率因数PF_{_Ref}与当前系统实际功率因数cos(θ)做差，作为PI控制的输入，PI控制的输出即为无功电流给定。该控制方式只能满足单一方向的控制，常规用电负荷侧功率因数恒为正值，不存在功率因数在正负之间跳变的情况，因此该控制方式对常规用电负荷侧补偿有效。而对于微网系统，由于系统可以工作在用电模式也可工作在供电模式，因此其功率因数既有正也有负，同时也存在正负跳变的情况，采用该控制方式存在误调节、响应速度慢的问题。

发明内容

本发明提供了一种基于功率因数的微网无功调节控制方法及系统，解决了传统控制方式存在误调节、响应速度慢的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，包括，

根据PCC点采样的三相电压和三相电流，获取有功电流分量和无功电流分量；

根据有功电流分量和无功电流分量，计算功率因数；

根据计算获得的功率因数和给定的目标功率因数，计算功率因数误差和功率因数误差符号；

将功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制；

响应于实时监测的目标功率因数改变，根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算当前前馈无功电流，将当前前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值；

响应于实时监测的目标功率因数不变，则前馈无功电流保持不变，将前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值。。

根据PCC点采样的三相电压和三相电流，计算有功电流分量和无功电流分量，具体过程为，

对三相电压进行锁相环控制，实时跟踪三相电压相角；

采用三相电压相角对三相电流进行dq旋转坐标变换，获得d轴电流和q轴电流；

对d轴电流和q轴电流进行滤波，获得有功电流分量和无功电流分量。

计算功率因数的公式为，

其中，cos(θ)为功率因数，i_{d_PCC}、i_{q_PCC}分别为有功电流分量和无功电流分量，sign(·)为符号判定函数，响应于i_{q_PCC}小于预设的电流滞环宽度最小值，sign(i_{q_PCC})由+1变-1，响应于i_{q_PCC}大于预设的电流滞环宽度最大值，sign(i_{q_PCC})由-1变+1。

计算功率因数误差的公式为：PF_{_Ref}-cos(θ)；计算功率因数误差符号的公式为：sign(PF_{_Ref}cos(θ))；其中，sign(·)为符号判定函数，cos(θ)为功率因数，PF_{_Ref}为目标功率因数。

根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算基于目标功率因数控制的前馈无功电流，具体过程为，

根据有功电流分量、无功电流分量和目标功率因数，计算无功电流的增量需求；

利用变比系数对增量需求进行无功调节装置侧折算；

将折算后的增量需求与当前无功电流给定值相加，得到基于目标功率因数控制的前馈无功电流。

计算无功电流的增量需求公式为，

ΔI＝abs(i_{d_PCC})×tan(acos(PF_{_Ref}))-i_{q_PCC}

其中，ΔI为无功电流的增量需求，i_{d_PCC}、i_{q_PCC}分别为有功电流分量和无功电流分量，PF_{_Ref}为目标功率因数。

响应于无功调节装置配置在低压侧，变比系数等于微网与大电网连接变压器高压侧与低压侧的额定变比；响应于无功调节装置配置在高压侧，变比系数为1。

一种基于功率因数的微网无功调节控制系统，包括，

电流分量获取模块：根据PCC点采样的三相电压和三相电流，获取有功电流分量和无功电流分量；

功率因数计算模块：根据有功电流分量和无功电流分量，计算功率因数；

误差计算模块：根据计算获得的功率因数和给定的目标功率因数，计算功率因数误差和功率因数误差符号；

PI控制模块：将功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制；

无功电流给定值第一确定模块：根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算当前前馈无功电流，将当前前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值；

无功电流给定值第二确定模块：响应于实时监测的目标功率因数不变，则前馈无功电流保持不变，将前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行基于功率因数的微网无功调节控制方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行基于功率因数的微网无功调节控制方法的指令。

本发明所达到的有益效果：本发明基于功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制，使得整个控制朝着正确的方向调节输出的无功电流，不会误动；同时当目标功率因数发生改变时，重新计算前馈无功电流，使得无功电流的给定值快速到达目标值附近，响应速度更快，调节过程更加稳定和平滑。

附图说明

图1为现有基于功率因数的控制框图；

图2为本发明方法的控制框图；

图3为功率因数计算的实现框图；

图4为基于无功电流滞环的功率因数示意图；

图5为无功调节装置配置在低压侧示意图；

图6为无功调节装置配置在高压侧示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，包括以下步骤：

步骤1，计算功率因数；即根据PCC点采样的三相电压和三相电流，获取有功电流分量和无功电流分量，根据有功电流分量和无功电流分量，计算功率因数。

如图3所示，计算有功电流分量和无功电流分量，具体过程为：

11)对三相电压进行锁相环控制，实时跟踪三相电压相角；

12)采用三相电压相角对三相电流进行dq旋转坐标变换，获得d轴电流和q轴电流；

13)对d轴电流和q轴电流进行滤波，滤除谐波，获得有功电流分量和无功电流分量。

计算功率因数的公式：，

其中，cos(θ)为功率因数，i_{d_PCC}、i_{q_PCC}分别为有功电流分量和无功电流分量，sign(·)为符号判定函数。

上式中，利用无功电流分量确定功率因数正负符号，同时为了避免求得的功率因数正负跳变，对功率因数的符号判定函数sign(i_{q_PCC})预设电流滞环宽度[-i_{q_H}，i_{q_H}]，当i_{q_PCC}＜-i_{q_H}时，即i_{q_PCC}小于预设的电流滞环宽度最小值，符号判定函数sign(i_{q_PCC})由+1变-1；当i_{q_PCC}＞i_{q_H}时，即i_{q_PCC}大于预设的电流滞环宽度最大值，符号判定函数sign(i_{q_PCC})由-1变+1，其功率因数cos(θ)与无功电流分量i_{q_PCC}的对应滞环示意如图4所示，采用该处理方式可以避免功率因数正负的反复切换问题。

步骤2，根据计算获得的功率因数和给定的目标功率因数PF_{_Ref}，计算功率因数误差PF_{_Ref}-cos(θ)和功率因数误差符号sign(PF_{_Ref}cos(θ))。

步骤3，将功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制。

步骤4，响应于实时监测的目标功率因数改变，根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算基于目标功率因数控制的当前前馈无功电流，将当前前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，根据装置的最大无功电流调节能力，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值。

计算基于目标功率因数控制的当前前馈无功电流，具体过程如下：

51)根据有功电流分量、无功电流分量和目标功率因数，计算无功电流的增量需求；

计算无功电流的增量需求公式为：

ΔI＝abs(i_{d_PCC})×tan(acos(PF_{_Ref}))-i_{q_PCC}

其中，ΔI为无功电流的增量需求。

52)利用变比系数对增量需求进行无功调节装置侧折算，即ΔIk_PCC；其中，k_PCC为变比系数。

目前常见的无功调节装置连接结构有以下两种：

如图5所示为微电网与大电网连接方式及无功调节装置配置(即无功补偿装置)压侧示意图，由主要包括微电网与大电网之间的连接断路器、降压变压器，微网主要由多组光伏发电接入单元、储能变换单元、本地用电负荷、无功补偿装置及系统微网协调控制器构成。此种结构时，变比系数等于微网与大电网连接变压器高压侧与低压侧的额定变比。

如图6所示为微电网与大电网连接方式及无功调节装置配置在高压侧示意图，其拓扑结构和图5本一致，其区别在于将无功补偿装置配置安装在微网接入的高压侧，这种配置方案对于微网系统直接参与大电网的无功调度转换效率更高。此种结构时，变比系数为1。

53)将折算后的增量需求与当前无功电流给定值相加，即ΔIk_PCC+i_{q_ref}，得到基于目标功率因数控制的前馈无功电流；其中i_{q_ref}为当前无功电流给定值。

步骤5，响应于实时监测的目标功率因数不变，即PF_{_Ref}＝PF_{_Ref}(z^-1)，则前馈无功电流保持不变，根据装置的最大无功电流调节能力，将前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加限幅处理得到最终的无功电流给定值；其中，PF_{_Ref}(z^-1)表示上一时刻的目标功率因数。

上述方法通过实时对比目标功率因数和实际功率因数的符号，采用同号不变，异号取反的方法对功率因数误差值进行处理，即基于功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制，使得整个控制朝着正确的方向调节输出的无功电流，不会误动；同时当目标功率因数发生改变时，通过数学公式快速计算前馈无功电流的增量，并与前一时刻的无功电流给定值相加重新计算前馈无功电流，使得无功电流的给定值快速到达目标值附近，响应速度更快，调节过程更加稳定和平滑。

一种基于功率因数的微网无功调节控制系统，包括，

电流分量获取模块：根据PCC点采样的三相电压和三相电流，获取有功电流分量和无功电流分量；

功率因数计算模块：根据有功电流分量和无功电流分量，计算功率因数；

误差计算模块：根据计算获得的功率因数和给定的目标功率因数，计算功率因数误差和功率因数误差符号；

PI控制模块：将功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制；

无功电流给定值第一确定模块：根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算当前前馈无功电流，将当前前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值；

无功电流给定值第二确定模块：响应于实时监测的目标功率因数不变，则前馈无功电流保持不变，将前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行基于功率因数的微网无功调节控制方法。

一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行基于功率因数的微网无功调节控制方法的指令。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：包括，

根据PCC点采样的三相电压和三相电流，获取有功电流分量和无功电流分量；

根据有功电流分量和无功电流分量，计算功率因数；

根据计算获得的功率因数和给定的目标功率因数，计算功率因数误差和功率因数误差符号；

将功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制；

响应于实时监测的目标功率因数改变，根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算当前前馈无功电流，将当前前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值；

响应于实时监测的目标功率因数不变，则前馈无功电流保持不变，将前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值。

2.根据权利要求1所述的一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：根据PCC点采样的三相电压和三相电流，计算有功电流分量和无功电流分量，具体过程为，

对三相电压进行锁相环控制，实时跟踪三相电压相角；

采用三相电压相角对三相电流进行dq旋转坐标变换，获得d轴电流和q轴电流；

对d轴电流和q轴电流进行滤波，获得有功电流分量和无功电流分量。

3.根据权利要求1所述的一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：计算功率因数的公式为，

其中，cos(θ)为功率因数，i_{d_PCC}、i_{q_PCC}分别为有功电流分量和无功电流分量，sign(·)为符号判定函数，响应于i_{q_PCC}小于预设的电流滞环宽度最小值，sign(i_{q_PCC})由+1变-1，响应于i_{q_PCC}大于预设的电流滞环宽度最大值，sign(i_{q_PCC})由-1变+1。

4.根据权利要求1所述的一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：计算功率因数误差的公式为：PF_{_Ref}-cos(θ)；计算功率因数误差符号的公式为：sign(PF_{_Ref}cos(θ))；其中，sign(·)为符号判定函数，cos(θ)为功率因数，PF_{_Ref}为目标功率因数。

5.根据权利要求1所述的一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算基于目标功率因数控制的前馈无功电流，具体过程为，

根据有功电流分量、无功电流分量和目标功率因数，计算无功电流的增量需求；

利用变比系数对增量需求进行无功调节装置侧折算；

将折算后的增量需求与当前无功电流给定值相加，得到基于目标功率因数控制的前馈无功电流。

6.根据权利要求5所述的一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：计算无功电流的增量需求公式为，

ΔI＝abs(i_{d_PCC})×tan(acos(PF_{_Ref}))-i_{q_PCC}

其中，ΔI为无功电流的增量需求，i_{d_PCC}、i_{q_PCC}分别为有功电流分量和无功电流分量，PF_{_Ref}为目标功率因数。

7.根据权利要求5所述的一种基于功率因数的微网无功调节控制方法，其特征在于：响应于无功调节装置配置在低压侧，变比系数等于微网与大电网连接变压器高压侧与低压侧的额定变比；响应于无功调节装置配置在高压侧，变比系数为1。

8.一种基于功率因数的微网无功调节控制系统，其特征在于：包括，

电流分量获取模块：根据PCC点采样的三相电压和三相电流，获取有功电流分量和无功电流分量；

功率因数计算模块：根据有功电流分量和无功电流分量，计算功率因数；

误差计算模块：根据计算获得的功率因数和给定的目标功率因数，计算功率因数误差和功率因数误差符号；

PI控制模块：将功率因数误差和功率因数误差符号进行PI控制；

无功电流给定值第一确定模块：根据有功电流分量、无功电流分量、目标功率因数和当前无功电流给定值，计算当前前馈无功电流，将当前前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值；

无功电流给定值第二确定模块：响应于实时监测的目标功率因数不变，则前馈无功电流保持不变，将前馈无功电流与PI控制的输出进行叠加，对叠加后的结果进行限幅处理得到最终的无功电流给定值。

9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法。

10.一种计算设备，其特征在于：包括，

一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。

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