CN114884058A - 一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法 - Google Patents

一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法 Download PDF

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CN114884058A CN202110957470.7A CN202110957470A CN114884058A CN 114884058 A CN114884058 A CN 114884058A CN 202110957470 A CN202110957470 A CN 202110957470A CN 114884058 A CN114884058 A CN 114884058A
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Abstract

本发明公开了一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法，首先，根据储能变流器平抑功率波动/电能质量治理两种出力模式，基于瞬时功率理论计算并网点处功率，通过与本地负荷所需功率及储能剩余功率相比较确定储能变流器主辅模式切换控制策略；为延长储能系统寿命，还提出一种基于无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配策略，通过对微电网中存在的三种电能质量问题设定补偿优先级，根据储能系统剩余容量优先补偿等级较高的电能质量问题。本发明将一种储能变流器主辅模式切换控制策略与无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配策略有效结合，极大地改善微电网并网与电能质量问题，提高储能电池运行经济性。

Description

一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理 的综合控制方法
技术领域
本发明涉及微电网电能质量管理技术领域，尤其涉及一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑以及电能质量治理的综合控制方法。
背景技术
随着以风能、太阳能为代表的清洁能源发电大规模并网，电力系统的安全运行受到严峻的威胁，风电、太阳能发电因其波动性与随机性，再加上目前电网中电力电子器件的广泛使用以及的大量非线性负载，电网中的谐波、无功、三相不平衡等电能质量问题较为严重，对电力系统的安全稳定带来严峻的挑战。传统电能治理手段包括有载调压变压器、并联电容器组、RLC无源滤波器等，这类设备原理简单，建设和维护费用均较低，但在应用中存在较多不足。随着储能技术的发展，储能变流器作为一种新型电网电能质量治理手段成为关注的重点。
有些储能变流器在微电网的正常运行中，其主要用作平抑微电网内功率波动。有些储能变流器主要工作于电能质量治理模式，当微电网内出现较为严重的电能质量问题时进行电能质量治理。如何在不损害变流器的储能电池的前提下，利用储能变流器用作平抑微电网内功率波动的同时，还可以在微电网的不正常运行中对微电网电能质量问题进行综合治理，利用现有的储能资源高效地治理电网电能质量问题是目前研究的重点问题。
发明内容
本发明公开了一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法，在解决如何使得储能变流器具有平抑功率波动以及电能质量治理两种出力模式的技术问题上，提出了一种储能变流器主辅模式切换控制策略。首先，该控制方法基于瞬时功率理论计算并网点处功率，通过与本地负荷所需功率及储能剩余功率相比较确定储能变流器工作模式。同时，为延长储能系统寿命，在考虑储能系统容量的基础上，该方法针对储能变流器的电能质量治理模式，在储能系统剩余容量无法满足电能质量全补偿时，进一步提出了一种基于无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配策略，通过对微电网中存在的三种电能质量问题设定补偿优先级，根据储能系统剩余容量优先补偿等级较高的电能质量问题。本发明提出的该种储能变流器主辅模式切换控制策略，以及无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配策略，极大地改善微电网并网运行时功率波动平抑与电能质量治理问题，提高储能电池运行经济性。
由此，本发明提供了一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法，该方法应用于微电网系统中，该微电网系统包括分布式电源、储能变流器以及用户侧负载，储能变流器包括储能装置以及换流器，换流器的输出端连接微电网，用户侧负载连接到微电网，以由微电网供电，分布式电源配置在用户侧，其特征在于：储能变流器具有微电网内功率波动平抑的主运行模式和微电网内电能质量治理的辅运行模式，该综合控制方法在微电网内部无冲击性、不平衡负荷时，使得储能变流器运行于主运行模式；当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，并且当微电网内部负载所需的功率小于分布式电源发电的总功率时，使得储能变流器切换至辅运行模式；并且当储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式时，根据储能变流器的剩余容量是否大于待补偿的电能质量功率的判断，控制储能变流器进行选择性电能质量治理。
更进一步，储能变流器的换流器包括输入/输出端与储能装置连接的DC/DC 双向电路、直流稳压电路以及逆变器，储能变流器通过DC/DC双向电路对储能装置实现充放电控制，DC/DC双向电路的另一组输入/输出端连接直流母线，直流稳压电路并接在直流母线两端，用于储能变流器输出功率的解耦，逆变器的输入端与直流母线相连接，逆变器的输出端构成换流器的输出端，接入微电网。
另外，储能装置为储能电池，直流稳压电路由电容C构成，逆变器为三相全桥电路，储能变流器还包括连接在逆变器输出端和微电网之间的三相滤波电路，三相滤波电路包括由逆变器侧电感与滤波电容构成LC型滤波器。
其中，在主运行模式中，储能变流器用于输入/输出有功功率从而对微电网内分布式发电进行削峰填谷并保持不间断供电；在辅运行模式中，储能变流器用于对微电网内的谐波、无功、三相不平衡等电能质量进行补偿。
更进一步，在储能变流器进行输出之前，计算微电网内分布式电源发电的总功率S1，利用计算机读入微电网数据得到微电网内部负载所需的功率S2，并且实时检测储能变流器剩余功率S3，同时计算出储能变流器的储能装置充电至满容量状态时所需功率S′3。
首先利用Clarke变换将微电网的电压电流变换到αβ两相静止坐标系中：
Figure BDA0003218314760000031
Figure BDA0003218314760000032
采用基于瞬时功率理论的功率计算方法，计算有功功率Pg和无功功率Qg：可分别表示为：
Figure BDA0003218314760000033
用视在功率S1来表征微电网内分布式电源发电的总功率：
S1 2＝Pg 2+Qg 2。
更进一步的，在微电网内部无冲击性、不平衡负荷时：当S1＞S2+S′3时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，并向储能变流器的储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网；当S2＜S1＜S2+S′3时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，分布式能源多余功率向储能变流器的储能装置充电；当S1＜S2时，微电网内部分布式电源与储能变流器的储能装置一起为微网内负载供电，储能变流器工作在平抑微电网功率波动模式下。
当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，此时判断微电网内部及并网点处存在电能质量问题，并且此时待补偿的电能质量功率为S4，此时，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式；
并且，当S1＞S2+S′3时，微电网内部分布式电源正常为用户侧负载供电，并向储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网；当S2＜S1＜S2+S′3时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，分布式能源多余功率向储能装置充电；当 S1＜S2时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，当储能变流器完成全部电能质量治理之后，利用储能变流器的剩余容量对用户侧负载供电，并且当分布式电源与储能变流器的剩余容量仍低于用户侧负载所需功率时，切除微电网内部分用户侧负载或者由电网向微电网回馈功率。
其中，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式时，当S3＞S4时，储能变流器进行全部电能质量的治理；当S3＜S4时，储能变流器对电能质量按照谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流的优先级进行选择性补偿。
当S3＜S4时，储能变流器对电能质量按照谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流的优先级进行选择性补偿的方法如下：
采用电流表征容量，微电网中测得的谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流分别为Ih、Iq、If，储能变流器能够输出的电流为Ir，并且谐波补偿系数为kh、无功补偿系数为kq以及三相不平衡补偿系数为kf；
当无功补偿优先时：
a、当Ir＜Iq，储能变流器部分补偿微电网中的无功问题，此时kq＝Ir/Iq， kh＝kf＝0；
b、当Ir≥Ia，储能变流器全部补偿微电网中的无功问题，kq＝1；此时进一步判断：
(i)、当Ih≥If时，此时微电网中待补偿的谐波电流大于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure BDA0003218314760000041
时，储能变流器全部补偿谐波问题后，进行三相不平衡问题的补偿，此时kh＝1，
Figure BDA0003218314760000042
当
Figure BDA0003218314760000043
储能变流器部分补偿谐波问题，此时
Figure BDA0003218314760000044
kf＝0；
(ii)、当Ih＜If时，此时微电网中待补偿的谐波电流小于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure BDA0003218314760000045
时，储能变流器全部补偿三相不平衡问题后，进行谐波问题的补偿，此时kf＝1，
Figure BDA0003218314760000046
当
Figure BDA0003218314760000047
储能变流器部分补偿三相不平衡问题，此时kh＝0，
Figure BDA0003218314760000048
当谐波补偿优先时：
a、当Ir＜Ih，储能变流器部分补偿微电网中的谐波问题，此时kh＝Ir/Ih，kq＝kf＝0；
b、当Ir≥Ih，储能变流器全部补偿微电网中的谐波问题，kh＝1；此时进一步判断：
(i)、当Iq之If时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure BDA0003218314760000051
时，储能变流器全部补偿无功问题后，进行三相不平衡问题的补偿，此时kq＝1，
Figure BDA0003218314760000052
当
Figure BDA0003218314760000053
储能变流器部分补偿无功问题，此时
Figure BDA0003218314760000054
kf＝0；
(ii)、当Iq＜If时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure BDA0003218314760000055
时，储能变流器全部三相不平衡问题后，进行无功问题的补偿，此时kf＝1，
Figure BDA0003218314760000056
当
Figure BDA0003218314760000057
储能变流器部分补偿三相不平衡问题，此时kq＝0，
Figure BDA0003218314760000058
当三相不平衡补偿优先时：
a、当Ir＜If，储能变流器部分补偿微电网中的三相不平衡问题，此时kf＝ Ir/If，kq＝kh＝0；
b、当Ir≥If，储能变流器全部补偿微电网中的三相不平衡问题，kf＝1；此时进一步判断：
(i)、当Iq≥Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的谐波电流，当
Figure BDA0003218314760000059
时，储能变流器全部补偿无功问题后，进行谐波问题的补偿，此时kq＝1，
Figure BDA00032183147600000510
当
Figure BDA00032183147600000511
储能变流器部分补偿无功问题，此时
Figure BDA00032183147600000512
kh＝0；
(ii)、当Iq＜Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure BDA00032183147600000513
时，储能变流器全部补偿谐波问题后，进行无功问题的补偿，此时kh＝1，
Figure BDA00032183147600000514
当
Figure BDA00032183147600000515
储能变流器部分补偿谐波问题，此时kq＝0，
Figure BDA0003218314760000061
本发明提出的基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法的有益效果在于：
首先解决了储能装置工作模式切换的问题，储能系统正常是工作在平抑微电网功率波动的主运行模式下，用于对微电网内分布式发电进行削峰填谷并保持不间断供电等。当微电网在并网时，由于微电网自身惯性小、容量小，易受到外界系统干扰，造成在微电网内部同时存在着多种电能质量问题，此时就需要储能系统工作在电能质量治理的辅运行模式下，本发明通过预测储能变流器直流侧参考电压，提高了变流器两种模式切换的动态响应能力，实现了储能变流器两种主辅模式之间的切换。
其方法如下，首先检测储能变流器并网点处的电压电流，通过Clarke变换与瞬时功率理论计算并网点处的功率S1，并读入微电网数据得到微电网内部负载所需的功率S2，再使用SCADA系统实时检测储能变流器剩余功率S3，根据S1、 S2、S3大小确定储能变流器工作状态，完成变流器主辅模式的切换。
同时本发明解决了储能系统在剩余容量较低时时无法解决所有电能质量的问题，为保护储能变流器中储能电池寿命，利用相对较低的储能电池容量优先解决优先级较高的电能问题，通过制定于无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配策略，根据储能的容量动态地对微电网中的电能质量问题进行补偿，增强了系统的稳定性，提高了储能电池的利用效率与效果。
附图说明
图1示出了根据本发明的微电网储能变流器功率波动平抑与电能质量治理的综合控制系统的结构图。
具体实施方案
本发明公开了一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法，将一种储能变流器主辅模式切换控制策略以及无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配策略结合在一起，提高了储能变流器工作模式切换的动态性能，同时在延长储能系统寿命的基础上改善微电网在并网点的电能质量问题，提高储能电池运行经济性。
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。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申请的保护范围。
图1示出了根据本发明的微电网储能变流器功率波动平抑与电能质量治理的综合控制系统的结构图。该系统包括分布式电源、储能变流器、用户侧负载、升压变压器等部件。储能变流器包含储能装置、输入/输出端与储能装置连接的 DC/DC双向电路、直流稳压电路、双向逆变器、以及三相滤波电路。储能装置例如为储能电池，储能变流器通过DC/DC双向电路对储能电池实现充放电控制。 DC/DC双向电路的另一组输入/输出端连接直流母线。直流稳压电路并接在直流母线两端，用于储能变流器输出功率的解耦。直流稳压电路由电容C构成。逆变器为三相全控型桥式电路，其输入端与直流母线相连接。逆变器包括由6个功率开关管构成的三相全桥电路。所述功率开关管例如为IGBT功率开关管。每两个功率开关管串联构成一相桥臂，每个开关管反并联一个二极管。由每相桥臂的中点引出3个相线，经过三相滤波电路接入三相微电网。三相滤波电路包括由逆变器侧电感L1与滤波电容构成LC型滤波器，其采用了星型联接，为逆变器输出的高次谐波提供低阻抗通道。本地负荷连接到三相微电网，以由三相微电网供电。分布式电源通常配置在用户侧，因此如图1所示，逆变器的输出与本地负荷连接到三相微电网，三相微电网连接到PCC点处，在PCC点处通过升压变压器接入交流电网，Ugrid为交流电网侧相电压有效值。
储能变流器可以工作于微电网内功率波动平抑的主运行模式，也可以工作于微电网内电能质量治理的辅运行模式。其中，在主运行模式中，储能变流器用于输入和输出有功功率从而对微电网内分布式发电进行削峰填谷并保持不间断供电等。在辅运行模式中，储能变流器用于对微电网内的谐波、无功、三相不平衡等电能质量进行补偿。
为了实现储能变流器的主辅模式切换控制，首先检测储能变流器与三相微电网的连接点PCC处的三相电压电流，通过Clarke变换与瞬时功率理论计算并网点PCC处的视在功率S1，并读入微电网数据得到微电网内部负载所需的功率S2，再使用SCADA系统(数据采集与监视控制系统)实时检测储能变流器的剩余功率S3，据此提出储能变流器主辅模式切换控制规则。
如图1所示，储能变流器在传输有功功率到三相微电网以实现微电网内功率波动平抑时，采用基于瞬时功率理论抑制不平衡畸变干扰，首先利用Clarke (Cabc-αβ)变换将并网点处的三相电压电流ua、ub、uc、ia、ib、ic变换到αβ两相静止坐标系中，如式(1)、(2)所示，其中公式中的n代表的是n次谐波，U1n 代表的是n次正序谐波电压，
Figure BDA0003218314760000081
为其初始相位角，I1n代表的是n次正序谐波电流，U2n代表的是n次负序谐波电压，
Figure BDA0003218314760000082
为其初始相位角，I2n代表的是n次正序谐波电流。
Figure BDA0003218314760000083
Figure BDA0003218314760000084
采用基于瞬时功率理论的功率计算方法，微电网内分布式电源发电的的有功功率Pg和无功功率Qg可分别表示为：
Figure BDA0003218314760000085
通过步骤(1)采用Clarke变换和基于瞬时功率理论获得微电网内分布式电源发电的并网功率Pg和Qg。
为方便计算，用视在功率S1来表征微电网内分布式电源发电的总功率。其计算公式为
Figure BDA0003218314760000086
利用计算机读入微电网数据得到微电网内部负载所需的功率S2，再使用SCADA系统实时检测储能变流器剩余功率S3，并计算出储能变流器的储能装置充电至满容量状态时所需功率S′3。当S2＞S1时，说明此时微电网内分布式电源发电的总功率小于微电网内部负荷所需功率，此时需要储能变流器参与为本地负荷供电，平抑微电网内部的功率波动。当S2＜S1时，说明此时微电网内分布式电源发电的总功率大于微电网内部负荷所需功率，此时储能变流器可以用来治理微电网并网点处的电能质量问题。
其具体的分配规则如下。
一、当微电网内部无冲击性、不平衡负荷时，此时微电网内部无严重的电能质量问题
1.1、S1＞S2+S′3
微电网内部分布式电源为微网内本地负载供电，并向储能变流器的储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网。
1.2、S2＜S1＜S2+S′3
微电网内部分布式电源为微网内本地负载供电，分布式能源多余功率向储能变流器的储能装置充电。
1.3、S1＜S2
微电网内部分布式电源与储能变流器的储能装置一起为微网内负载供电，储能变流器工作在平抑微电网功率波动模式下，此时图1中的模式选择开关指向位置1。
二、当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，此时微电网内部及并网点PCC处存在较为严重的电能质量问题，且此时待补偿的电能质量功率为S4。
2.1、S1＞S2+S′3
微电网内部分布式电源正常为微网内本地负载供电，并利用DC-DC双向电路等向储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网。除此之外，储能变流器的储能装置还可利用双向逆变电路出力治理电网中存在的电能质量问题，此时图1中的模式选择开关指向位置2。
2.2、S2＜S1＜S2+S′3
微电网内部分布式电源为微网内负载供电，分布式能源多余功率向储能装置充电。同时，储能装置利用双向DC-DC逆变电路出力治理电网中存在的电能质量问题，此时图1中的模式选择开关指向位置2。
2.3、S1＜S2
微电网内部分布式电源为微网内本地负荷供电，但此时因为微电网中存在较为严重的电能质量问题，储能变流器的储能装置剩余容量首先被用于治理微网内较为严重的电能电量问题，若S3＞S4，可用储能变流器的储能装置治理完电能质量问题剩余容量，在不损害储能装置寿命的前提下，再向微网内本地负荷供电，此时图1中的模式选择开关先指向位置2，当微电网的电能质量问题消失后，再指向位置1。但如果此时分布式电源与储能变流器的储能装置提供的功率可能仍低于负荷所需功率，为保证微电网内部的稳定性，此时应当考虑用继电保护装置切除微电网内部分三级负荷或者由电网向微电网回馈功率。
针对上述三种情况，当储能变流器工作于治理电能质量问题模式下，若出现 S3＜S4情况，即综合电能质量问题待补偿容量大于储能变流器的剩余容量，在保护储能装置寿命的前提下，为最大化的治理电能质量问题，可以采用引入谐波补偿系数kh、无功补偿系数kq以及三相不平衡补偿系数kf对电能质量问题进行选择性补偿。
此时，在S3＜S4的情况下，通过对微电网中存在的谐波、无功以及三相不平衡电能质量问题设定治理优先等级以及储能自身剩余容量的分析，本发明进一步提出一种基于无功/谐波/三相不平衡优先级的储能容量分配规则。
利用电流表征容量大小，设Is表征储能变流器的额定容量，储能变流器工作于微网平抑功率模式下所需电流为Ip，则储能变流器用于电能质量治理剩余容量可由Ir表示，
Figure BDA0003218314760000101
在储能变流器储能剩余容量不足时，引入谐波补偿系数kh、无功补偿系数kq以及三相不平衡补偿系数kf，从而防止储能过冲过放，保护储能电池，其中补偿系数取值范围为：0≤kh、kq、kf≤1。同时规定电网中测得的谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流分别为Ih、Iq、If。
1、当储能变流器的剩余容量充足时，即
Figure BDA0003218314760000103
此时对微电网中的电能质量问题采取全补偿策略，储能系统全部治理电网中存在的谐波、无功以及三相不平衡问题，此时kh＝kq＝kf＝1。
2、当储能变流器的剩余容量不足时，即
Figure BDA0003218314760000104
此时对微电网中的电能质量问题采取选择性补偿策略，储能系统选择治理电网中存在的谐波、无功以及三相不平衡问题，根据剩余容量补偿优先级最高的电能质量问题，并计算补偿系数确定在不损害储能转置寿命的情况下出力，剩余容量不足时共分为三种情况，例如，当If为Ih、Iq、If中的最大值时，例如Ih＜Iq＜If时，说明此时电网中三相不平衡问题较为严重，优先进行三相不平衡问题的补偿；当Iq为Ih、Iq、 If中的最大值时，例如Iq＞Ih≥If时，说明此时电网中无功问题较为严重，优先进行无功补偿；当Ih为Ih、Iq、If中的最大值时，说明此时电网中谐波问题较为严重，优先进行谐波补偿。三种情况分别如下：
I、无功补偿优先(即Iq＞Ih≥If)
(1).当Ir＜Iq，即储能变流器剩余容量只能部分补偿系统中的无功问题，此时kq＝Ir/Iq，kh＝kf＝0；
(2).当Ir≥Iq，即储能剩余容量能够全部补偿系统中的无功问题，kq＝1。但对于kh、kf数值，还需根据Ih与If、Ir与
Figure BDA0003218314760000111
之间的大小关系来确定。
(a)当Ih≥If时，此时微电网中待补偿的谐波电流大于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的谐波问题的危重程度高于三相不平衡问题，所以在储能系统治理完无功问题后优先治理谐波问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000112
时，即储能治理完谐波问题后，仍有部分容量去治理三相不平衡问题，此时kh＝1，
Figure BDA0003218314760000113
Figure BDA0003218314760000114
当
Figure BDA0003218314760000115
即储能治理部分谐波问题后已无剩余容量，此时
Figure BDA0003218314760000116
kf＝0。
(b)当Ih＜If时，此时微电网中待补偿的谐波电流小于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的三相不平衡的危重程度高于谐波问题，所以在储能系统治理完无功问题后优先治理三相不平衡问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000117
时，即储能治理完三相不平衡问题后，仍有部分容量去治理谐波问题，此时kf＝1，
Figure BDA0003218314760000118
Figure BDA0003218314760000119
当
Figure BDA00032183147600001110
即储能治理部分三相不平衡问题后已无剩余容量，此时kh＝0，
Figure BDA00032183147600001111
II、谐波补偿优先
1.当Ir＜Ih，即储能剩余容量只能部分补偿系统中的谐波问题，此时kh＝Ir/Ih，kq＝kf＝0；
2.当Ir≥Ih，即储能剩余容量能够全部补偿系统中的谐波问题，kh＝1。但对于kq、kf数值，还需根据Iq与If、Ir与
Figure BDA0003218314760000121
之间的大小关系来确定。
(a)当Iq≥If时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的无功问题的危重程度高于三相不平衡问题，所以在储能系统治理完谐波问题后优先治理无功问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000122
时，即储能治理完无功问题后，仍有部分容量去治理三相不平衡问题，此时kq＝1，
Figure BDA0003218314760000123
Figure BDA0003218314760000124
当
Figure BDA0003218314760000125
即储能治理部分无功问题后已无剩余容量，此时
Figure BDA0003218314760000126
kf＝0。
(b)当Iq＜If时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的三相不平衡的危重程度高于无功问题，所以在储能系统治理完谐波问题后优先治理三相不平衡问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000127
时，即储能治理完三相不平衡问题后，仍有部分容量去治理无功问题，此时kf＝1，
Figure BDA0003218314760000128
Figure BDA0003218314760000129
当
Figure BDA00032183147600001210
即储能治理部分三相不平衡问题后已无剩余容量，此时kq＝0，
Figure BDA00032183147600001211
III、三相不平衡补偿优先
1.当Ir＜If，即储能剩余容量只能部分补偿系统中的三相不平衡问题，此时 kf＝Ir/If，kq＝kh＝0；
2.当Ir≥If，即储能剩余容量能够全部补偿系统中的三相问题，kf＝1。但对于kh、kq数值，还需根据Ih与Iq、Ir与
Figure BDA00032183147600001212
之间的大小关系来确定。
(a)当Iq≥Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的谐波电流，可认为电网中的无功问题的危重程度高于谐波问题，所以在储能系统治理完谐波问题后优先治理无功问题。在这种情况下，当
Figure BDA00032183147600001213
时，即储能治理完无功问题后，仍有部分容量去治理谐波问题，此时kq＝1，
Figure BDA00032183147600001214
当
Figure BDA0003218314760000131
即储能治理部分无功问题后已无剩余容量，此时
Figure BDA0003218314760000132
kh＝0。
(b)当Iq＜Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的谐波问题的危重程度高于无功问题，所以在储能系统治理完三相不平衡问题后优先治理谐波问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000133
时，即储能治理完谐波后，仍有部分容量去治理无功问题，此时kh＝1，
Figure BDA0003218314760000134
Figure BDA0003218314760000135
当
Figure BDA0003218314760000136
即储能治理部分谐波问题后已无剩余容量，此时kq＝0，
Figure BDA0003218314760000137
上述选择补偿规则如表1所示。
Figure BDA0003218314760000141
本申请还公开了根据本发明的微电网储能变流器功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法。
该控制方法应用于图1所示的系统中，其控制步骤如下：
1、首先，在储能变流器进行输出之前，计算微电网内分布式电源发电的总功率S1，利用计算机读入微电网数据得到微电网内部负载所需的功率S2，再使用SCADA系统实时检测储能变流器剩余功率S3，并计算出储能变流器的储能装置充电至满容量状态时所需功率S′3。其中，采用下述方法计算微电网内分布式电源发电的总功率S1：
首先利用Clarke(Cabc-αβ)变换将三相电网的电压电流uabc、iabc变换到αβ两相静止坐标系中，如式(1)、(2)所示。
Figure BDA0003218314760000151
Figure BDA0003218314760000152
采用基于瞬时功率理论的功率计算方法，计算有功功率Pg和无功功率Qg：可分别表示为：
Figure BDA0003218314760000153
用视在功率S1来表征微电网内分布式电源发电的总功率：
S1 2＝Pg 2+Qg 2 (4)
2、当微电网内部无冲击性、不平衡负荷时，此时判断微电网内部无严重的电能质量问题，储能变流器运行于微电网功率波动平抑的主运行模式，规则如下：
2.1、S1＞S2+S′3
微电网内部分布式电源为微网内本地负载供电，并向储能变流器的储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网。
2.2、S2＜S1＜S2+S′3
微电网内部分布式电源为微网内本地负载供电，分布式能源多余功率向储能变流器的储能装置充电。
2.3、S1＜S2
微电网内部分布式电源与储能变流器的储能装置一起为微网内负载供电，储能变流器工作在平抑微电网功率波动模式下，此时图1中的模式选择开关指向位置1。
3、当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，此时判断微电网内部及并网点PCC处存在较为严重的电能质量问题，并且此时待补偿的电能质量功率为S4。此时，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式。
其中，S1＞S2+S′3时，微电网内部分布式电源正常为微网内本地负载供电，并向储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网。除此之外，储能变流器的储能装置利用DC-DC双向电路和逆变电路出力治理电网中存在的电能质量问题，此时图1中的模式选择开关指向位置2；S2＜S1＜S2+S′3时，微电网内部分布式电源为微网内负载供电，分布式能源多余功率向储能装置充电。同时，储能装置利用双向DC-DC逆变电路出力治理电网中存在的电能质量问题，此时图1中的模式选择开关指向位置2。当S1＜S2时，微电网内部分布式电源为微网内本地负荷供电，但此时因为微电网中存在较为严重的电能质量问题，储能变流器的储能装置剩余容量首先被用于治理微网内较为严重的电能电量问题，如果S3＞S4，则当储能变流器完成全部电能质量治理之后，利用储能变流器的剩余容量对用户侧负载供电，此时图1中的模式选择开关先指向位置2，当微电网的电能质量问题消失后，再指向位置1。并且如果此时分布式电源与储能变流器的剩余容量仍低于用户侧负载所需功率时，为保证微电网内部的稳定性，此时应当考虑用继电保护装置切除微电网内部分三级负荷或者由电网向微电网回馈功率。如果S3＜S4，则储能变流器仅用于电能质量的治理。
其中，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式的规则如下：
3.1、若S3＞S4，可用储能变流器的储能装置治理全部电能质量问题。
3.2、若S3＜S4，即综合电能质量问题待补偿容量大于储能变流器的剩余容量，在保护储能装置寿命的前提下，为最大化的治理电能质量问题，可以采用引入谐波补偿系数kh、无功补偿系数kq以及三相不平衡补偿系数kf对电能质量问题进行选择性补偿。电网中测得的谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流分别为Ih、 Iq、If。储能变流器能够输出的电流为Ir。储能变流器微电网内电能质量治理的辅运行模式的补偿规则如下：
3.2.1、对于无功补偿优先的情况，储能变流器运行如下：
a、当Ir＜Iq，即储能变流器剩余容量只能部分补偿系统中的无功问题，此时kq＝Ir/Iq，kh＝kf＝0；
b、当Ir≥Iq，即储能剩余容量能够全部补偿系统中的无功问题，kq＝1。但对于kh、kf数值，还需根据Ih与If、Ir与
Figure BDA0003218314760000171
(i)、当Ih≥If时，此时微电网中待补偿的谐波电流大于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的谐波问题的危重程度高于三相不平衡问题，所以在储能系统治理完无功问题后优先治理谐波问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000172
时，即储能治理完谐波问题后，仍有部分容量去治理三相不平衡问题，此时kh＝1，
Figure BDA0003218314760000173
Figure BDA0003218314760000174
当
Figure BDA0003218314760000175
即储能治理部分谐波问题后已无剩余容量，此时
Figure BDA0003218314760000176
kf＝0。
(ii)、当Ih＜If时，此时微电网中待补偿的谐波电流小于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的三相不平衡的危重程度高于谐波问题，所以在储能系统治理完无功问题后优先治理三相不平衡问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000177
时，即储能治理完三相不平衡问题后，仍有部分容量去治理谐波问题，此时kf＝1，
Figure BDA0003218314760000178
Figure BDA0003218314760000179
当
Figure BDA00032183147600001710
即储能治理部分三相不平衡问题后已无剩余容量，此时kh＝0，
Figure BDA00032183147600001711
3.2.2、对于谐波补偿优先的情况，储能变流器运行如下：
a、当Ir＜Ih，即储能剩余容量只能部分补偿系统中的谐波问题，此时kh＝ Ir/Ih，kq＝kf＝0；
b、当Ir≥Ih，即储能剩余容量能够全部补偿系统中的谐波问题，kh＝1。但对于kq、kf数值，还需根据Iq与If、Ir与
Figure BDA00032183147600001712
之间的大小关系来确定。
(i)、当Iq≥If时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的无功问题的危重程度高于三相不平衡问题，所以在储能系统治理完谐波问题后优先治理无功问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000181
时，即储能治理完无功问题后，仍有部分容量去治理三相不平衡问题，此时kq＝1，
Figure BDA0003218314760000182
Figure BDA0003218314760000183
当
Figure BDA0003218314760000184
即储能治理部分无功问题后已无剩余容量，此时
Figure BDA0003218314760000185
kf＝0。
(ii)、当Iq＜If时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的三相不平衡的危重程度高于无功问题，所以在储能系统治理完谐波问题后优先治理三相不平衡问题。在这种情况下，当
Figure BDA0003218314760000186
时，即储能治理完三相不平衡问题后，仍有部分容量去治理无功问题，此时kf＝1，
Figure BDA0003218314760000187
Figure BDA0003218314760000188
当
Figure BDA0003218314760000189
即储能治理部分三相不平衡问题后已无剩余容量，此时kq＝0，
Figure BDA00032183147600001810
3.2.3、对于三相不平衡优先的情况，储能变流器运行如下：
a、当Ir＜If，即储能剩余容量只能部分补偿系统中的三相不平衡问题，此时kf＝Ir/If，kq＝kh＝0；
b、当Ir≥If，即储能剩余容量能够全部补偿系统中的三相问题，kf＝1。但对于kh、kq数值，还需根据Ih与Iq、Ir与
Figure BDA00032183147600001811
之间的大小关系来确定。
(i)、当Iq≥Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的谐波电流，可认为电网中的无功问题的危重程度高于谐波问题，所以在储能系统治理完谐波问题后优先治理无功问题。在这种情况下，当
Figure BDA00032183147600001812
时，即储能治理完无功问题后，仍有部分容量去治理谐波问题，此时kq＝1，
Figure BDA00032183147600001813
当
Figure BDA00032183147600001814
即储能治理部分无功问题后已无剩余容量，此时
Figure BDA00032183147600001815
kh＝0。
(ii)、当Iq＜Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，可认为电网中的谐波问题的危重程度高于无功问题，所以在储能系统治理完三相不平衡问题后优先治理谐波问题。在这种情况下，当
Figure BDA00032183147600001816
时，即储能治理完谐波后，仍有部分容量去治理无功问题，此时kh＝1，
Figure BDA0003218314760000191
Figure BDA0003218314760000192
当
Figure BDA0003218314760000193
即储能治理部分谐波问题后已无剩余容量，此时kq＝0，
Figure BDA0003218314760000194
根据本发明提出的基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制系统以及方法，在微电网内部无冲击性、不平衡负荷时，储能变流器运行于微电网功率波动平抑的主运行模式；当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式，从而实现储能变流器在主辅运行模式之间的无缝切换，并且能够及时治理电能质量、提高电能质量治理效果。同时，当储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式时，根据储能变流器的剩余容量是否大于待补偿的电能质量功率的判断，当储能变流器的剩余容量大于待补偿的电能质量功率时，进行微电网内无功、谐波和三相不平衡的全部补偿；储能变流器的剩余容量小于待补偿的电能质量功率时，在无功补偿优先时，储能变流器优先补偿无功；在谐波补偿优先时，储能变流器优先补偿谐波；在三相不平衡补偿优先时，储能变流器优先三相不平衡；然后再根据储能变流器在上述补偿之余的剩余容量对剩下的质量问题进行补偿，由此实现在对微电网电能质量问题进行综合治理时，不会损害储能变流器的储能电池，并且还能够利用现有的储能资源高效地治理电网电能质量问题。

Claims (12)

1.一种基于储能变流器的微电网功率波动平抑与电能质量治理的综合控制方法，该方法应用于微电网系统中，该微电网系统包括分布式电源、储能变流器以及用户侧负载，储能变流器包括储能装置以及换流器，换流器的输出端连接微电网，用户侧负载连接到微电网，以由微电网供电，分布式电源配置在用户侧，
其特征在于：储能变流器具有微电网内功率波动平抑的主运行模式和微电网内电能质量治理的辅运行模式，该综合控制方法在微电网内部无冲击性、不平衡负荷时，使得储能变流器运行于主运行模式；当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，并且当微电网内部负载所需的功率小于分布式电源发电的总功率时，使得储能变流器切换至辅运行模式；并且当储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式时，根据储能变流器的剩余容量是否大于待补偿的电能质量功率的判断，控制储能变流器进行选择性电能质量治理。
2.根据权利要求1所述的综合控制方法，其特征在于：储能变流器的换流器包括一组输入/输出端与储能装置连接的DC/DC双向电路、直流稳压电路以及逆变器，储能变流器通过DC/DC双向电路对储能装置实现充放电控制，DC/DC双向电路的另一组输入/输出端连接直流母线，直流稳压电路并接在直流母线两端，用于储能变流器输出功率的解耦，逆变器的输入端与直流母线相连接，逆变器的输出端构成换流器的输出端，接入微电网。
3.根据权利要求1所述的综合控制方法，其特征在于：所述储能装置为储能电池，所述直流稳压电路由电容C构成，所述逆变器为三相全桥电路，所述储能变流器还包括连接在逆变器输出端和微电网之间的三相滤波电路，所述三相滤波电路包括由逆变器侧电感与滤波电容构成的LC型滤波器。
4.根据权利要求1所述的综合控制方法，其特征在于：在主运行模式中，储能变流器用于输入/输出有功功率从而对微电网内分布式发电进行削峰填谷并保持不间断供电；在辅运行模式中，储能变流器用于对微电网内的谐波、无功、三相不平衡等电能质量进行补偿。
5.根据权利要求1所述的综合控制方法，其特征在于：在储能变流器进行输出之前，计算微电网内分布式电源发电的总功率S1，利用计算机读入微电网数据得到微电网内部负载所需的功率S2，并且实时检测储能变流器剩余功率S3，同时计算出储能变流器的储能装置充电至满容量状态时所需功率S'3。
6.根据权利要求5所述的综合控制方法，其特征在于：
首先利用Clarke变换将微电网的电压电流变换到αβ两相静止坐标系中：
Figure FDA0003218314750000021
Figure FDA0003218314750000022
采用基于瞬时功率理论的功率计算方法，计算有功功率Pg和无功功率Qg：可分别表示为：
Figure FDA0003218314750000023
用视在功率S1来表征微电网内分布式电源发电的总功率：
S1 2＝Pg 2+Qg 2。
7.根据权利要求5所述的综合控制方法，其特征在于：在微电网内部无冲击性、不平衡负荷时：当S1>S2+S'3时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，并向储能变流器的储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网；当S2<S1<S2+S'3时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，分布式能源多余功率向储能变流器的储能装置充电；当S1<S2时，微电网内部分布式电源与储能变流器的储能装置一起为微网内负载供电，储能变流器工作在平抑微电网功率波动模式下。
8.根据权利要求5所述的综合控制方法，其特征在于：当微电网内部有冲击性、不平衡负荷突然接入时，此时判断微电网内部及并网点处存在电能质量问题，并且此时待补偿的电能质量功率为S4，此时，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式；
并且，当S1>S2+S'3时，微电网内部分布式电源正常为用户侧负载供电，并向储能装置充电，分布式电源发出的多余功率回馈电网；当S2<S1<S2+S'3时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，分布式能源多余功率向储能装置充电；当S1<S2时，微电网内部分布式电源为用户侧负载供电，当储能变流器完成全部电能质量治理之后，利用储能变流器的剩余容量对用户侧负载供电，并且当分布式电源与储能变流器的剩余容量仍低于用户侧负载所需功率时，切除微电网内部分用户侧负载或者由电网向微电网回馈功率。
9.根据权利要求8所述的综合控制方法，储能变流器运行于微电网内电能质量治理的辅运行模式时，当S3>S4时，储能变流器进行全部电能质量的治理；当S3<S4时，储能变流器对电能质量按照谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流的优先级进行选择性补偿。
10.根据权利要求9所述的综合控制方法，当S3<S4时，储能变流器对电能质量按照谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流的优先级进行选择性补偿的方法如下：
采用电流表征容量，微电网中测得的谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流分别为Ih、Iq、If，储能变流器能够输出的电流为Ir，并且谐波补偿系数为kh、无功补偿系数为kq以及三相不平衡补偿系数为kf；
当无功补偿优先时：
a、当Ir＜Iq，储能变流器部分补偿微电网中的无功问题，此时kq＝Ir/Iq，kh＝kf＝0；
b、当Ir≥Iq，储能变流器全部补偿微电网中的无功问题，kq＝1；此时进一步判断：
(i)、当Ih≥If时，此时微电网中待补偿的谐波电流大于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure FDA0003218314750000031
时，储能变流器全部补偿谐波问题后，进行三相不平衡问题的补偿，此时kh＝1，
Figure FDA0003218314750000032
当
Figure FDA0003218314750000033
储能变流器部分补偿谐波问题，此时
Figure FDA0003218314750000034
kf＝0；
(ii)、当Ih＜If时，此时微电网中待补偿的谐波电流小于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure FDA0003218314750000041
时，储能变流器全部补偿三相不平衡问题后，进行谐波问题的补偿，此时kf＝1，
Figure FDA0003218314750000042
当
Figure FDA0003218314750000043
储能变流器部分补偿三相不平衡问题，此时kh＝0，
Figure FDA0003218314750000044
11.根据权利要求9所述的综合控制方法，当S3<S4时，储能变流器对电能质量按照谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流的优先级进行选择性补偿的方法如下：
采用电流表征容量，微电网中测得的谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流分别为Ih、Iq、If，储能变流器能够输出的电流为Ir，并且谐波补偿系数为kh、无功补偿系数为kq以及三相不平衡补偿系数为kf；
当谐波补偿优先时：
a、当Ir＜Ih，储能变流器部分补偿微电网中的谐波问题，此时kh＝Ir/Ih，kq＝kf＝0；
b、当Ir≥Ih，储能变流器全部补偿微电网中的谐波问题，kh＝1；此时进一步判断：
(i)、当Iq≥If时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure FDA0003218314750000045
时，储能变流器全部补偿无功问题后，进行三相不平衡问题的补偿，此时kq＝1，
Figure FDA0003218314750000046
当
Figure FDA0003218314750000047
储能变流器部分补偿无功问题，此时
Figure FDA0003218314750000048
kf＝0；
(ii)、当Iq＜If时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure FDA0003218314750000049
时，储能变流器全部三相不平衡问题后，进行无功问题的补偿，此时kf＝1，
Figure FDA00032183147500000410
当
Figure FDA00032183147500000411
储能变流器部分补偿三相不平衡问题，此时kq＝0，
Figure FDA00032183147500000412
12.根据权利要求9所述的综合控制方法，当S3<S4时，储能变流器对电能质量按照谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流的优先级进行选择性补偿的方法如下：
采用电流表征容量，微电网中测得的谐波电流、无功电流以及三相不平衡电流分别为Ih、Iq、If，储能变流器能够输出的电流为Ir，并且谐波补偿系数为kh、无功补偿系数为kq以及三相不平衡补偿系数为kf；
当三相不平衡补偿优先时：
a、当Ir＜If，储能变流器部分补偿微电网中的三相不平衡问题，此时kf＝Ir/If，kq＝kh＝0；
b、当Ir≥If，储能变流器全部补偿微电网中的三相不平衡问题，kf＝1；此时进一步判断：
(i)、当Iq≥Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流大于待补偿的谐波电流，当
Figure FDA0003218314750000051
时，储能变流器全部补偿无功问题后，进行谐波问题的补偿，此时kq＝1，
Figure FDA0003218314750000052
当
Figure FDA0003218314750000053
储能变流器部分补偿无功问题，此时
Figure FDA0003218314750000054
kh＝0；
(ii)、当Iq＜Ih时，此时微电网中待补偿的无功电流小于待补偿的三相不平衡电流，当
Figure FDA0003218314750000055
时，储能变流器全部补偿谐波问题后，进行无功问题的补偿，此时kh＝1，
Figure FDA0003218314750000056
当
Figure FDA0003218314750000057
储能变流器部分补偿谐波问题，此时kq＝0，
Figure FDA0003218314750000058
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