CN112821398A - 一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法。首先，根据微电网中微源逆变器电压输出模型，从分析孤岛运行状态下微电网中谐波产生原因及电压质量恶化机理出发研究谐波抑制方法。其次，根据谐波产生的原因和机理，本发明采用同步逆变器与分频抑制相结合的控制策略对谐波进行抑制，通过对同步发电机数学模型的分析得到同步逆变器各个系统参数与有功P和无功Q的关系，设计具有频率和电压控制、有功和无功调节的同步逆变器控制模块；根据系统自身的电压信息经过d‑q变换及低通滤波器后，提取系统电压不同频率的谐波分量，基于谐波分频抑制算法设计谐波分频抑制控制模块。

Description

一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法

技术领域

本发明适用于微电网谐波抑制，是一种基于同步逆变技术谐波抑制方法，属于逆变器控制技术领域。

背景技术

目前，微电网控制方式主要是通过控制逆变器对微电网中微源的网侧电压电流进行控制，与大多以同步发电机作为电源的传统电网中相比，微电网中的微源缺乏惯性和阻尼，考虑到大量分布式电源接入微电网，会在一定程度上对其产生了负面影响。并且，当微电网为孤岛运行时，由于没有外部电网的支撑，其内部的全控型电力电子逆变器及负荷侧的非线性负荷会导致微电网中出现大量谐波，对微电网的电压质量产生严重影响，无法满足对电能质量要求较高用户的需求。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法，能够对微电网中大量微源接入引起的缺乏阻尼与惯性问题、非线性负荷和大量全控型电力电子逆变器引起的电压谐波问题提出解决方法，为处于孤岛运行方式下的微电网提供阻尼与惯性，同时对微电网在电力系统中的公共连接点PCC处的电压谐波有明显的抑制效果，保持优质稳定的电能质量，保证微电网运行稳定，具有一定的工程应用价值。

本发明在同步逆变技术控制的基础上加入分频抑制控制策略来抑制微电网中的电压谐波，公开了一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法。本发明公开了一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法。首先，根据微电网中微源逆变器电压输出模型，从分析孤岛运行状态下微电网中谐波产生原因及电压质量恶化机理出发。其次，根据谐波产生的原因和机理，本发明采用同步逆变器与分频抑制相结合的控制策略对谐波进行抑制，通过对同步发电机数学模型的分析得到同步逆变器各个系统参数与有功P和无功Q的关系，设计具有频率和电压控制、有功和无功调节的同步逆变器控制模块；根据系统自身的电压信息经过d-q变换及低通滤波器后，提取系统电压不同频率的谐波分量，基于谐波分频抑制算法设计谐波分频抑制控制模块。最后，经过对具有同步逆变器控制模块和谐波分频抑制模块控制两者结合的控制策略对逆变器进行控制，经过建模仿真验证了该方法既能解决大量微源接入导致微电网运行不稳定的问题，也能解决了非线性负荷接入引起的谐波畸变问题。

一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制策略方法所包括的具体步骤为：

步骤1、在微电网孤岛运行模式下，采集微电网运行时公共耦合点(PCC点)处电压电流信息，通过低通滤波、功率计算得到同步逆变器控制模块以及分频抑制控制模块所需计算信息；

步骤2、分别将测量采集的电量信息以及所需计算信息送入具有电压控制环及频率控制环的同步逆变器控制模块、同时将测量以及计算的信息送入分频抑制控制模块；

步骤3、对电压型同步逆变器进行分析，了解同步逆变器的原理：

同步逆变器的原理同传统电网中的三相隐极式同步发电机的原理相似，根据被模拟的三相隐极式同步发电机的电路原理，在定子绕组中由基尔霍夫电流定律可知中线电流i_N为定子绕组中三相电流的向量和，i_st为定子绕组电流i_st＝[i_{st_a},i_{st_b},i_{st_c}]^T。

φ为磁通量，φ＝[φ_a,φ_b,φ_c]^T，定子磁链方程：

定子端电压为v_st，其电压方程：

励磁电动势为e，定子励磁电动势可表示为：

e＝M_f-mi_fωsinθ (3)

在式(1)～(3)中，L为自感；M为互感；流过可视为L_f-AR与R_f-AR组成的转子绕组的电流为i_f；M_f-m为幅值；i_st为定子绕组电流，R_s为定子绕组中的电阻。

假定极对数p＝1，转子运动方程为：

电磁转矩方程为：

其中，转动惯量为J，机械转矩为T_m，电磁转矩为T_e，阻尼系数为D_p。

由以上方程可以得到输出的有功功率P和无功功率Q：

其中：

步骤4、设计具有频率电压控制及有功无功调节的同步逆变器控制器：

根据步骤3同步逆变器原理及式(1)～式(7)，设计具有频率及电压控制、有功和无功调节的同步逆变器。该控制器分为两部分：有功-频率控制器和无功-电压控制器。

步骤4-1、设计有功-频率控制器：

频率是电力系统平稳运行的重要指标之一，逆变器通过改进控制算法来模拟同步发电机的阻尼与惯性。本发明设计的P-f控制器能够使逆变器模拟出同步电机的惯性及调频特性。系统P-f控制方程：

式中：k为修正系数，k值由逆变器输出功率的大小及国家标准确定；P_set为参考有功功率；D_{p_dr}为同步逆变器的P-f下垂系数，ΔT为转矩增量；Δω为速度增量；转动惯量为J；τ_m为时间常数。

步骤4-2、设计无功-电压控制器：

与系统频率一样，电压同样也是电力系统稳定运行的重要指标。电压与系统无功功率Q密切相关，电压的偏移会降低系统的运行效率，也可能影响系统的稳定性。参考同步发电机的控制方法，设计同步逆变器的Q-U控制器：

D_{q_dr}＝ΔQ/ΔU (9)

无功电压控制器经控制环节转换后得到虚拟转子磁链为M_f-mi_f，虚拟励磁电动势的幅值表示为：

E_m＝ωM_f-mi_f (10)

当系统频率保持稳定时，输出的Q值与U值恒定：

Q_o＝Q_set-D_{q_dr}(U-V) (11)

在式子(9)～(11)中：D_{q_dr}为Q-U下垂系数，为无功变化量ΔQ与变化量ΔU之比；Q_set为参考无功功率；Q_o为输出无功功率；

步骤4-3、通过对同步逆变器数学模型的分析可知同步逆变器有功P和无功Q与各个系统参数的关系，并以此设计同步逆变器控制模块。

步骤5、设计分频抑制控制模块：

根据步骤2，使用d-q变换及低通滤波器提取不同频率的谐波分量，由于微电网中存在的谐波频率主要为5次、7次，且系统频率为n＝6k－1(k＝1，2，…)时为负序电压形式，n＝6k+1(k＝1，2，…)时为正序电压形式。微电网中三相电压数学表示形式如式(12)所示：

式中：n为谐波次数；U_{n_m}为对应次数的最大幅值。

步骤5-1、抑制微电网中的5次谐波：

对于微电网系统中主要存在的5次，令式(13)n为5，可得：

由于5次谐波以负序形式表现，故首先对式(14)进行负序变换，可得：

根据对微电网谐波抑制方法分析，令U_{5_m}为0，可抑制微电网中的5次谐波分量。

步骤5-2、抑制微电网中的7次谐波：

同理，对于微电网中存在的7次谐波，令n为7，可得：

由于7次谐波以正序的形式表现，故对式(16)进行正序变换，可得：

同理，若令U_{7_m}为0，可抑制微电网中的7次谐波分量。

步骤5-3、根据孤岛运行状态下微电网中谐波产生原因及电压质量恶化机理分析可知，微电网中非线性负荷及逆变器调制效应所引起的微电网电压质量问题，通过在参考电压中增加相应的谐波含量分频对消的方法加以改善。并以此设计谐波分频抑制模块控制；

步骤6、从PCC点处测量微电网运行时的电压电流以及计算的功率信息经双环控制后生成逆变器控制信号e对逆变器进行控制，同步逆变器控制方法与分频抑制方法控制的处理得到电压信号u_rh相结合，计算得到输出电压信号u_ref，

步骤7、将u_ref作为PWM调制器的参考信号得到逆变器的调制信号输出给逆变器。最后达到的控制结果既解决微电网系统中缺少惯性的问题，同时也改善微电网PCC点处的电能质量问题。

优点及效果

本发明的优点与积极效果如下：

(1)控制策略可使逆变器模拟同步电机的物理特性，增加了微电网的惯性，可以稳定微电网的电压频率，也可有效地抑制微电网中的5次、7次谐波。当加入其他频次谐波抑制算法后，也能对微电网中的任意次谐波进行有效抑制。

(2)将同步逆变器控制方法与分频抑制方法控制的电压信号相结合，经控制环后生成逆变器控制信号对逆变器进行控制，可以有效地提高微电网的电能质量。这样，既能解决微电网系统中缺少惯性的问题，使系统容量有了更多的选择。

附图说明

图1是该发明的流程图。

图2是基于同步逆变器谐波分频抑制控制策略框图。

图3是隐极同步发电机结构示意图。

图4是具有频率电压控制及有功无功调节的同步逆变器控制框图。

图5微电网网侧逆变器输出电压模型。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

该发明具体流程如附图1所示，本发明提出一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法，该方法以同步逆变技术控制为基础，当微电网处于孤岛运行模式时，从PCC点处采集微电网运行时的电量信息，根据采集的电量信息计算各个控制模块所需的功率、谐波等信息，然后送入同步逆变控制模块以及谐波分频抑制控制模块进行控制。将同步逆变器控制方法处理得到的信号与分频抑制方法控制的电压信号相结合，经双环控制后生成逆变器控制信号对逆变器进行控制，解决微电网系统中缺少惯性的问题，有效地提高微电网的电能质量。

一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制策略方法包括的步骤为：

步骤1、如附图1所示，在微电网孤岛运行模式下，采集微电网运行时公共耦合点(PCC点)处电压电流信息，通过低通滤波、功率计算得到同步逆变器控制模块以及分频抑制控制模块所需计算信息；

步骤2、分别将测量采集的电量信息以及所需计算信息送入具有电压控制环及频率控制环的同步逆变器控制模块、同时将测量以及计算的信息送入分频抑制控制模块；

步骤3、对电压型同步逆变器进行分析，了解同步逆变器的原理：

同步逆变器的原理如附图3所示，同传统电网中的三相隐极式同步发电机的原理相似，根据被模拟的三相隐极式同步发电机的电路原理。

在定子绕组中由基尔霍夫电流定律可知中线电流i_N为定子绕组中三相电流的向量和，i_st为定子绕组电流i_st＝[i_{st_a},i_{st_b},i_{st_c}]^T。

φ为磁通量，φ＝[φ_a,φ_b,φ_c]^T，定子磁链方程：

定子端电压为v_st，其电压方程：

励磁电动势为e，定子励磁电动势可表示为：

e＝M_f-mi_fωsinθ (3)

在式(1)～(3)中，L为自感；M为互感；流过可视为L_f-AR与R_f-AR组成的转子绕组的电流为i_f；M_f-m为幅值；i_st为定子绕组电流，R_s为定子绕组中的电阻。

假定极对数p＝1，转子运动方程为：

电磁转矩方程为：

其中，转动惯量为J，机械和电磁转矩为T_m、T_e，阻尼系数为D_{p_dr}。

由以上方程可以得到输出的有功功率P和无功功率Q：

其中：

步骤4、设计具有频率电压控制及有功无功调节的同步逆变器控制器：

根据步骤3同步逆变器原理及式(1)～式(7)，设计具有频率及电压控制、有功和无功调节的同步逆变器。如附图4所示，该控制器分为上下两部分：上半部分为有功-频率控制器；下半部分为无功-电压控制器。

步骤4-1、设计有功-频率控制器：

逆变器通过改进控制算法来模拟同步发电机中的阻尼与惯性。本发明设计的P-f控制器能够使逆变器模拟出同步电机的惯性及调频特性。系统P-f控制方程：

式中：k为修正系数，k值由逆变器输出功率的大小及国家标准确定；P_set为参考有功功率；D_{p_dr}为同步逆变器的P-f下垂系数，ΔT为转矩增量；Δω为速度增量；转动惯量为J；τ_m为时间常数。

步骤4-2、设计无功-电压控制器：

与系统频率一样，电压同样也是电力系统稳定运行的重要指标。电压与系统无功功率Q密切相关，电压的偏移会降低系统的运行效率，也可能影响系统的稳定性。参考同步发电机的控制方法，设计同步逆变器的Q-U控制器：

D_{q_dr}＝ΔQ/ΔU (9)

无功电压控制器经控制环节转换后得到虚拟转子磁链为M_f-mi_f，虚拟励磁电动势的幅值表示为：

E_m＝ωM_f-mi_f (10)

当系统频率保持稳定时，输出的Q值与U值恒定：

Q_o＝Q_set-D_{q_dr}(U-V) (11)

在式子(9)～(11)中：D_{q_dr}为Q-U下垂系数，为无功变化量ΔQ与ΔU变化量之比；Q_set为参考无功功率；Q_o为输出无功功率；

步骤4-3、通过对同步逆变器数学模型的分析可知同步逆变器有功P和无功Q与各个系统参数的关系，并以此设计同步逆变器控制模块。

步骤5、设计分频抑制控制模块：

根据步骤2，使用d-q变换及低通滤波器提取不同频率的谐波分量，由于微电网中存在的谐波频率主要为5次、7次，且系统频率为n＝6k－1(k＝1，2，…)时为负序电压形式，n＝6k+1(k＝1，2，…)时为正序电压形式。微电网中三相电压数学表示形式如式(12)所示：

式中：n为谐波次数；U_{n_m}为对应次数的最大幅值。

步骤5-1、抑制微电网中的5次谐波：

对于微电网系统中主要存在的5次，令式(13)n为5，可得：

由于5次谐波以负序形式表现，故首先对式(14)进行负序变换，可得：

根据对微电网谐波抑制方法分析，令U_{5_m}为0，可抑制微电网中的5次谐波分量。

步骤5-2、抑制微电网中的7次谐波：

同理，对于微电网中存在的7次谐波，令n为7，可得：

由于7次谐波以正序的形式表现，故对式(16)进行正序变换，可得：

同理，若令U_{7_m}为0，可抑制微电网中的7次谐波分量。

步骤5-3、根据孤岛运行状态下微电网中谐波产生原因及电压质量恶化机理分析如附图5可知，由据叠加原理，将负荷建模为电压源与电流源的组合，对其在各频率下进行分析。输出电压电流ν_out、I_out为：

式中V_{out_h}、I_{out_h}为h次谐波有效值(h＝1时表示为基波)；ω_n为ω₁时为微电网额定基波角频率。

式中，ν_ref为参考电压、ν_{ref_1}为基波、ν_{ref_h}为h次谐波E为参考电压有效值。

基波频率时，负荷

表示为V_{out_1}∠0°与

的形式。当ν_{out_h}＝0时，图5中的负荷只剩一个电流源i_{out_h}。当多个逆变器并联运行时，可以使电压ν_ref的h次谐波分量与谐波电流I_{out_h}在阻抗Z₀上的电压具有同样的电压降。即：

那么，电流中存在谐波，输出电压的谐波却为0。电网中非线性负荷及逆变器调制效应所引起的微电网电压质量问题，可以通过在参考电压中增加相应的谐波含量分频对消的方法加以改善。

步骤5-4、微电网中非线性负荷及逆变器调制效应所引起的微电网电压质量问题，通过在参考电压中增加相应的谐波含量分频对消的方法加以改善。并以此设计谐波分频抑制模块控制；

步骤6、采集的微电网运行时的电压电流以及计算的功率信息经双环控制后生成逆变器控制信号e，与分频抑制方法控制的处理得到电压信号u_rh相结合，计算得到输出电压信号u_ref；

步骤7、将u_ref作为PWM调制器的参考信号得到逆变器的调制信号输出给逆变器。最后对逆变器进行控制。达到的控制结果既解决微电网系统中缺少惯性的问题，同时也改善微电网PCC点处的电能质量问题。

Claims (1)

1.一种基于同步逆变技术的微电网谐波抑制方法，其特征在于：包括的步骤为：

步骤1、在微电网孤岛运行模式下，采集微电网运行时公共耦合点(PCC点)处电压电流信息，通过低通滤波、功率计算得到同步逆变器控制模块以及分频抑制控制模块所需计算信息；

步骤2、分别将测量采集的电量信息以及所需计算信息送入具有电压控制环及频率控制环的同步逆变器控制模块、同时将测量以及计算的信息送入分频抑制控制模块；

步骤3、对电压型同步逆变器进行分析，了解同步逆变器的原理：

同步逆变器的原理同传统电网中的三相隐极式同步发电机的原理相似，根据被模拟的三相隐极式同步发电机的电路原理，在定子绕组中由基尔霍夫电流定律可知中线电流i_N为定子绕组中三相电流的向量和，i_st为定子绕组电流i_st＝[i_{st_a},i_{st_b},i_{st_c}]^T。

φ为磁通量，φ＝[φ_a,φ_b,φ_c]^T，定子磁链方程：

定子端电压为v_st，其电压方程：

励磁电动势为e，定子励磁电动势可表示为：

e＝M_f-mi_fωsinθ (3)

在式(1)～(3)中，L为自感；M为互感；流过可视为L_f-AR与R_f-AR组成的转子绕组的电流为i_f；M_f-m为幅值；i_st为定子绕组电流，R_s为定子绕组中的电阻。

假定极对数p＝1，转子运动方程为：

电磁转矩方程为：

其中，转动惯量为J，机械转矩为T_m，电磁转矩为T_e，阻尼系数为D_p。

由以上方程可以得到输出的有功功率P和无功功率Q：

P＝ωM_f-mi_f 〈i，sinθ〉

Q＝ωM_f-mi_f 〈i，cosθ〉 (6)

其中：

步骤4、设计具有频率电压控制及有功无功调节的同步逆变器控制器：

根据步骤3同步逆变器原理及式(1)～式(7)，设计具有频率及电压控制、有功和无功调节的同步逆变器。该控制器分为上下两部分：上半部分为有功-频率控制器；下半部分为无功-电压控制器。

步骤4-1、设计有功-频率控制器：

频率是电力系统平稳运行的重要指标之一，逆变器通过改进控制算法来模拟同步发电机中的阻尼与惯性。本发明设计的P-f控制器能够使逆变器模拟出同步电机的惯性及调频特性。系统P-f控制方程：

式中：k为修正系数，k值由逆变器输出功率的大小及国家标准确定；P_set为参考有功功率；D_{p_dr}为同步逆变器的P-f下垂系数，ΔT为转矩增量；Δω为速度增量；转动惯量为J；τ_m为时间常数。

步骤4-2、设计无功-电压控制器：

与系统频率一样，电压同样也是电力系统稳定运行的重要指标。电压与系统无功功率Q密切相关，电压的偏移会降低系统的运行效率，也可能影响系统的稳定性。参考同步发电机的控制方法，设计同步逆变器的Q-U控制器：

D_{q_dr}＝ΔQ/ΔU (9)

无功电压控制器经控制环节转换后得到虚拟转子磁链为M_f-mi_f，虚拟励磁电动势的幅值表示为：

E_m＝ωM_f-mi_f (10)

当系统频率保持稳定时，输出的Q值与U值恒定：

Q_o＝Q_set-D_{q_dr}(U-V) (11)

在式子(9)～(11)中：D_{q_dr}为Q-U下垂系数，为无功变化量ΔQ与ΔU变化量之比；Q_set为参考无功功率；Q_o为输出无功功率；

步骤4-3、通过对同步逆变器数学模型的分析可知同步逆变器有功P和无功Q与各个系统参数的关系，并以此设计同步逆变器控制模块。

步骤5、设计分频抑制控制模块：

根据步骤2，使用d-q变换及低通滤波器提取不同频率的谐波分量，由于微电网中存在的谐波频率主要为5次、7次，且系统频率为n＝6k－1(k＝1，2，…)时为负序电压形式，n＝6k+1(k＝1，2，…)时为正序电压形式。微电网中三相电压数学表示形式如式(12)所示：

式中：n为谐波次数；U_{n_m}为对应次数的最大幅值。

步骤5-1、抑制微电网中的5次谐波：

对于微电网系统中主要存在的5次，令式(13)n为5，可得：

由于5次谐波以负序形式表现，故首先对式(14)进行负序变换，可得：

根据对微电网谐波抑制方法分析，令U_{5_m}为0，可抑制微电网中的5次谐波分量。

步骤5-2、抑制微电网中的7次谐波：

同理，对于微电网中存在的7次谐波，令n为7，可得：

由于7次谐波以正序的形式表现，故对式(16)进行正序变换，可得：

同理，若令U_{7_m}为0，可抑制微电网中的7次谐波分量。

步骤5-3、根据孤岛运行状态下微电网中谐波产生原因及电压质量恶化机理分析可知，微电网中非线性负荷及逆变器调制效应所引起的微电网电压质量问题，通过在参考电压中增加相应的谐波含量分频对消的方法加以改善。并以此设计谐波分频抑制模块控制；

步骤6、从PCC点处测量微电网运行时的电压电流以及计算的功率信息经双环控制后生成逆变器控制信号e对逆变器进行控制，与分频抑制方法控制的处理得到电压信号u_rh相结合，计算得到输出电压信号u_ref；

步骤7、将u_ref作为PWM调制器的参考信号得到逆变器的调制信号输出给逆变器。最后达到的控制结果既解决微电网系统中缺少惯性的问题，同时也改善微电网PCC点处的电能质量问题。

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