CN112003324A - 一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法，通过陷波器与低通滤波器共同构成复合型滤波器，使用复合型滤波器对瞬时功率进行复合滤波处理，通过低通滤波环节滤除输出功率中的高次谐波，通过陷波器滤除功率中的二次或其他频次的特征谐波。本发明有效的调和了动态响应性能和功率脉动量抑制效果之间的矛盾；保证了在功率脉动量抑制效果优于传统低通滤波环节的同时，降低由传统低通滤波器带来的系统的等效惯量，并提升系统的动态响应性能。

Description

一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法

技术领域

本发明属于微电网或分布式发电系统的运行控制领域，尤其涉及一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法。

背景技术

近些年来，在能源紧缺和环境污染的时代挑战下，出于充分发挥已有传统能源并利用新能源的立足点，作为集中式发电的有效补充—分布式发电技术得到广泛的应用。为了解决具有随机性和间歇性的分布式发电系统对大电网的安全运行带来的问题，美国学者提出了由多个分布式电源、负荷等设备组成的微电网系统。通过将分布式发电系统以微电网的形式并入大电网运行，可以实现对大电网的补充与支撑。

针对不同的控制框架，微电网的控制策略也不尽相同。对于分布式电源或逆变器本身而言，可采用的控制策略有：V/F控制、PQ控制、下垂控制和VSG控制技术。其中下垂控制模拟了同步发电机的并网运行外特性，能够在无互连线的情况下实现有功功率和无功功率的精确分配，具有更为广泛的应用场景。但由于控制系统引入了功率环，系统的设计不仅要满足对动态和稳态性能的要求，还需要抑制输出功率中脉动量对控制系统的影响，以抑制瞬时功率通过闭环反馈造成输出电压、电流的畸变。

在实际应用中，当三相电网不对称或系统带有不平衡、非线性负载时，根据瞬时功率理论，逆变器此时输出的功率中含有脉动量。为避免功率脉动量通过闭环控制系统引起的逆变器输出电压、电流的畸变，必须通过滤波环节对功率中的脉动量进行抑制。由于功率脉动量的最低频率为二倍工频，一般将低通滤波器的截至频率限制在1/10的二倍工频以内。

由于传统低通滤波器截止频率的设计缺乏灵活性，导致采用下垂控制的系统的等效惯量固定且与低通滤波器的截止频率成反比。因此，系统的等效惯量较大。另外，传统低通滤波器存在低频极点，功率环的带宽将严重受到低通滤波器的限制。系统的动态响应速度和功率脉动量抑制之间存在不可调和的矛盾。要降低系统的等效惯量并提高系统的动态响应性能必须要对下垂控制的滤波环节进行改进。

发明内容

鉴于上述微电网运行控制策略的功率测量环节的缺点，本发明的目的在于设计一种更加灵活、可提高系统动态性能的复合型滤波器，在保证功率脉动量抑制效果的同时，降低系统的等效惯量，提供更优越的动态响应性能。为此，本发明提供一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法。

本发明的一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法，利用陷波器与低通滤波器共同构成复合型滤波器，以实现控制系统等效惯量的降低和系统的动态响应性能的改善，易于实现，可操作性强。具体步骤为：

步骤1：采集分布式发电系统逆变器的输出端电压、电流；

步骤2：基于瞬时功率理论对逆变器输出的瞬时功率进行计算；

步骤3：使用复合型滤波器对瞬时功率进行复合滤波处理，通过低通滤波环节滤除输出功率中的高次谐波，通过陷波器滤除功率中的二次或其他频次的特征谐波；

步骤4：通过功率环环节得到不含功率脉动量影响的调制波电压指令；

步骤5：通过双闭环环节及SPWM调制环节生成调制波，实现逆变器控制系统不受功率脉动量影响。

进一步的，根据系统中可能存在的不同频次特征谐波，陷波器可由多个特定频次的陷波器串联组成。

进一步的，在步骤3中复合滤波的传递函数为：

其中，ω_i为功率中需要滤除的特征次谐波角频率，ω_c为低通滤波器的截止频率，通过调节参数ξ设计陷波器的品质因数。

本发明与现有的技术相比的有益效果是：

本发明结合了陷波器和低通滤波器不同的滤波特性，通过构造复合滤波环节，增强了滤波环节的灵活性。在更好的实现抑制功率脉动量的同时，使得低通滤波器截止频率的选取不再受限于1/10的二倍工频。通过设计陷波器滤除较低频次的特征谐波，使得低通滤波器的截止频率可进行适当的放大，降低了系统的等效惯量，可有效的提升系统的动态响应性能。

附图说明

图1是采用本发明提出的基于复合型滤波器的下垂控制技术的分布式电源逆变器主电路及控制结构框图。

图2是基于复合型滤波器的改进下垂控制结构框图。

图3为传统滤波下垂控制和本发明的复合型滤波改进下垂控制功率环开环Bode图对比。

图4为采用本发明的复合型滤波时，滤波后的系统功率波形。

图5为采用传统低通滤波时，滤波后的系统功率波形。

图6为采用本发明的复合型滤波时，滤波后的系统功率的谐波分析。

图7为采用传统低通滤波时，滤波后的系统功率的谐波分析。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法，图1为采用下垂控制的分布式逆变器主电路及控制结构框图，主电路采用三相全桥逆变器拓扑结构。其中，L_f、C_f分别为滤波电感和滤波电容；U_dc为直流侧电压；L_line、R_line组成线路阻抗；PCC点代表大电网。i_Labc为滤波电感上的三相电流；u_oabc为滤波电容上的三相电压；i_oabc为逆变器的三相输出电流。其运行原理为：三相逆变器将直流侧电压信号转化为三相交流信号，通过LC滤波器进行滤波后得到接入电网的三相交流正弦信号。通过对逆变器的输出电压和电流采样后对逆变器输出的瞬时功率进行计算，得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q。将p、q送入含有复合型滤波环节的下垂控制环节，得到不含脉动量的d轴输出电压指令信号和相位指令信号。通过Park变换将滤波电感电流及电容电压由abc坐标系变换至dq坐标系下，在dq轴下实现电压电流双闭环控制。通过SPWM调制将调制波的指令信号转化为逆变器的开关信号，实现对三相逆变器的驱动，进而实现分布式电源逆变器对下垂输出的电压指令信号的跟踪。

对经过LC滤波器的分布式电源逆变器的输出电压u_oa、u_ob、u_oc、输出电流i_oa、i_ob、i_oc进行采样，通过Park变化后得到dq两相旋转坐标系下的电压u_od、u_oq及电流信号i_od、i_oq，进行瞬时功率计算。

其中，Park变换公式可表示为：

瞬时功率计算的公式为：

通过由低通滤波器和陷波器构成的复合型滤波器对瞬时功率进行滤波处理。具体的，本发明中基于复合型滤波器的改进下垂控制策略构成方法如图2所示。引入的复合型滤波算法为：

其中，ω_i为陷波器部分的中心频率，通过调整参数ξ对陷波器的品质因数进行调节。若同时需要对系统中的二倍、三倍等工频脉动量进行抑制，可以采用多个不同中心频率的陷波器串联形成复合型陷波器。具有合适的特定频次脉动量抑制的陷波器可以对功率中的特定频次脉动量进行抑制，使得低通滤波器的截止频率ω_c不再受限于1/10的二倍工频。

引入陷波器之后，低通滤波器主要对功率脉动中的高频分量进行抑制。由于ω_c与系统的等效惯量成反比，随着ω_c的增大，系统的等效惯量减小，可以有效地提升系统的动态响应性能。为系统的等效惯量的设计提供了可调空间。

传统滤波中采用的一阶低通滤波器中的低频极点处于1/10的二倍工频以内，对系统的带宽带来极大的影响，造成系统的动态响应速度变低。因此传统功率环节中的一阶低通滤波器的使用必须在系统的响应速度和瞬时功率脉动量的抑制之间做出权衡。

为抑制功率脉动量中存在的最低次特征谐波即二次谐波，可以设置陷波器的角频率ω_i为二倍工频，品质因数为0.707，设置低通滤波器部分的截止频率为100Hz。图3为功率环分别采用截至频率为31.4Hz的传统低通滤波器与上述复合型滤波器的开环Bode图。

此时，采用复合型滤波器时，系统功率环开环增益在100Hz处为-310dB,而传统一阶低通滤波时，系统功率环开环增益在100Hz处仅为-23dB。高频纹波在复合型滤波环节下衰减的更加迅速。通过对比可以得到，功率环采用复合滤波算法与仅采用低通滤波器时，复合型滤波器在纹波抑制处的衰减程度更高。相较于采用传统的低通滤波算法，复合型滤波具有更好的纹波抑制效果和动态响应速度。

仿真验证：

通过仿真对本发明提出的基于复合型滤波器的改进微网控制策略的有效性进行验证，仿真验证的结果及数据分析如下：

仿真的工况为：分布式电源逆变器的额定有功功率为7000W，额定无功功率为0Var。在0-1s内系统处于三相平衡状态，1-2s内，三相电网电压不平衡。

以有功功率为例，图4为采用本发明中复合型滤波器，经滤波处理后的有功功率波形。其中，复合型滤波器的低通环节截止频率为100Hz，陷波器对100Hz的纹波进行抑制；当系统出现三相电网电压不平衡时，系统的暂态过程为0.16s。图5为仅采用截止频率为31.4Hz的传统一阶低通滤波器时，经滤波处理后的有功功率波形。当系统出现三相电网电压不平衡时，经过0.32s系统恢复至稳态。

1-2s内，三相电网电压处于不平衡状态，通过谐波分析对采用传统低通滤波与复合型滤波器的功率脉动量抑制效果进行对比。如图6所示，由于陷波器的存在，功率中的二倍工频脉动量得到了很好的抑制，经滤波处理后的有功功率谐波含量仅为0.02％。而一阶低通滤波器并不能实现二倍工频脉动量的完全抑制，如图7所示，此时经滤波处理后的有功功率谐波含量为1.66％。

通过仿真对比，相对于仅采用传统一阶低通滤波器，复合型滤波器的恰当选取不仅可以更好的实现功率脉动量抑制的效果，而且增强了低通滤波器参数选取的灵活性，提高了控制系统的动态响应性能。

发明的结果：

本发明结合了陷波器和低通滤波器不同的滤波特性，通过构造复合型滤波环节，增强了滤波环节的灵活性。设计了一种更加灵活、可提高系统动态性能的复合型滤波器，在保证功率脉动量抑制效果的同时，可适当的放大低通滤波器的截止频率，解决了采用传统低通滤波器时，功率脉动量抑制效果与动态响应速度之间不可调和的矛盾。有利于降低系统的等效惯量，提供了更优越的动态响应性能。易于实现，可操作性强。

Claims (3)

1.一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法，其特征在于，利用陷波器与低通滤波器共同构成复合型滤波器，具体步骤为：

步骤1：采集分布式发电系统逆变器的输出端电压、电流；

步骤2：基于瞬时功率理论对逆变器输出的瞬时功率进行计算；

步骤3：使用复合型滤波器对瞬时功率进行复合滤波处理，通过低通滤波环节滤除输出功率中的高次谐波，通过陷波器滤除功率中的二次或其他频次的特征谐波；

步骤4：通过功率环节得到不含功率脉动量影响的调制波电压指令；

步骤5：通过双闭环环节及SPWM调制环节生成调制波，实现逆变器控制系统不受功率脉动量影响。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法，其特征在于，所述陷波器为单个陷波器或由多个特定频次的陷波器串联组成。

3.根据权利要求1所述的一种基于复合滤波算法的改进微电网控制方法，其特征在于，所述步骤3中复合滤波的传递函数为：

其中，ω_i为功率中需要滤除的特征次谐波角频率，ω_c为低通滤波器的截止频率，通过调节参数ξ设计陷波器的品质因数。

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