一种提高微网系统电能质量的控制方法

一种提高微网系统电能质量的控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种提高微网系统电能质量的控制方法，通过对并网变换器进行控制和对电能质量补偿器进行设计达到维持直流电压恒定、补偿电网无功功率以及抑制电流谐波的目的。本发明方法，在GCC控制系统中采用直流母线电压外环、αβ电流内环的双重控制策略，能保持直流母线电压恒定、抑制母线纹波；电能质量补偿器的设计，采用一种利用时变周期信号的重复控制来抑制谐波电流和无功电流的新型控制策略，能够达到抑制谐波电流和无功电流的目的。
【专利说明】-种提高微网系统电能质量的控制方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种提供微网系统电能质量的控制方法，通过一种新的并网变换器控 制方法和一种新的电能质量补偿器达到维持直流电压恒定、补偿电网无功功率以及抑制电 流谐波的目的。

【背景技术】
[0002] 进入21世纪以来，电力系统己逐渐发展成为集中发电、远距离输电的大型互联网 络系统。我国电网以资源、地理、经济关系为纽带而自然形成以三峡工程为代表的西电东送 为主要特征的输电网架。随着电力市场的进一步开放和联网效益的驱动，在北、中、南3大 互联电网之间还将以直流或直流背靠背为主要联网方式进行有限的互联，逐渐呈东西南北 交错全国联网的趋势。然而，随着电网规模的不断扩大，大规模电力系统的弊端也日益凸现 出来，其成本高、运行控制不灵活、难以适应用户越来越高的可靠性要求，不能灵活跟踪负 荷的变化以及多样化的电能质量需求。从类似2003年美加大停电和2008年我国南方冰 灾造成的影响看，大电网一次又一次的凸显出其安全的薄弱环节，大规模的停电事故造成 了巨大的经济财产损失。学者开始研究未来电力系统的发展模式，显然单纯地扩大电网规 模不能够满足要求，于是，欧美的电力专家们提出了污染少、可靠性高、投资省、发电方式灵 活、与环境兼容的分布式发电与大电网联合运行的方式，从而有效的解决了大型集中电网 的许多潜在问题。各国对分布式发电的支持力度很大，欧盟实施了"可再生能源和分布式发 电在欧洲电网中的集成应用"项目。美国实施了"智能配电系统"研究计划，目标是构建内 嵌微网的新一代配电系统。美国能源部及德国乌帕塔尔气候环境与能源研究院预测到2020 年，美国太阳能光伏发电将累计安装量达到3600万千瓦，占发电装机增量的15%左右；欧 盟国家可再生能源发电量将占总量的30% ;国家发改委最新修改意见指出到2020年，风电 规模将由2007年初定的3000万千瓦调整到一亿五千万千瓦，太阳能发电的规模也将由180 万千瓦调整到两千万千瓦，生物质能三千万千瓦。我国《国家中长期科学和技术发展规划纲 要》明确：风能、太阳能、生物质能等可再生能源技术取得突破并实现规模化应用，重点研究 开发间歇式电源并网及输配技术。在国家政策对可再生能源大力扶持的外部环境下，分布 式发电作为一种新兴的发电模式发展迅速，这种小容量的发电机组在配电网用户附近提供 电力，不足的部分向电网获取。
[0003] 分布式发电优势体现在：1、设计安装的灵活性。可根据本地地域资源优势、天气 状况，灵活配置分布式发电的类型和容量，方案投资小、周期短，切实可行。有灵活的负荷调 节能力，启动过程只需儿秒钟时间，而且其出力可以按小时调节。2、可提高电网的可靠性。 可作为备用电源为要求不问断供电的用户提供电能，在峰谷电价的情况下，该措施可保障 电力的一可靠性，并减少电费支出。当大电网发生故障时，通过启动断开装置，使与电网断 开，独立为用户供电。3、污染小，能量利用率高。煤炭仍是主要的一次能源，然而，燃煤发电 是造成环境污染的元凶之一，相关的治理费用逐年增高，能源生产设备靠近用户，无疑将减 少输配电设备的投资和电网的输送损失同时，某些热电联供系统生产的热能、冷能及电能 可全部由用户分享。因此，将使能源的利用率大大提高。4、把经济实惠最大限度地带给用 户。随着在公共电网的逐步渗透，大型中心发电站作为电网惟一供电者的模式被打破，供电 者将呈现出多元化的局面。分布式电源的应用，使低压配电网中出现了小型燃气轮发电机、 燃料电池以及太阳能、风能等可再生能源发电装置。
[0004] 许多分布式电源如光伏电池燃料电池等直接输出的是直流电能，也有些微型燃气 轮机输出高频的交流电能，这些能量向电网的输送通常是通过电力电子器件构成的变流装 置来实现。分布式电源中的电力电子设备就成为配电网潜在的谐波源。同时，配电网的容量 一般都比较小，上一级电网的谐波向低压电网的渗透也相对比较严重。这就导致这种接有 分布式发电装置的低压配电网谐波来源比普通配电网更加复杂。不仅是谐波问题，与此同 时，分布式电源往往也存在着输出功率波动很大、功率因数不高等的问题，在传统电力系统 中引入分布式电源给电网的安全性和稳定性带来许多问题。尤其是近年来，随着产业升级 换代，当代电力系统的负荷结构发生了很大的变化，用电设备和生产工艺对电能质量的要 求比传统设备高。许多新设备和装置都带有基于微处理器的数字控制器和功率电子器件， 它们对各种电磁干扰都极为敏感，轻微的电压扰动或特性变化可能影响到其电子控制系统 的正常工作，甚至导致掉闸或生产停顿。如半导体生产厂、造纸厂等，电压下降几十毫秒，就 会导致生产设备不能正常工作和出现大量废品。在另一方面，随着冶金工业，化学工业及电 气化铁路的发展，电力系统中的非线性负荷（硅整流设备、电力机车、电解设备）及冲击性 负荷（电弧炉、乳钢机）使电网的谐波污染、非对称性（负序）和波动性日趋严重。电能作 为商品进入市场后，电能质量问题更加突出。电力企业之间的市场竞争理念得到加强，与此 同时也极大促进了电力用户开始关注和认识各种电能质量现象。越来越多的电力用户根据 自身需要向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至有选择的通过签定供用电合同和质量 协议加以保证阴。直接将微网与系统主网相连的优点是低投资，结构简单，但是供电可靠性 和灵活性较差。微网小系统可以运行在联网模式和孤岛模式，当微网与系统直连时，模式转 换过程依靠联网断路器的机械式投切，过程持续时间长而且有较大的冲击。在联网模式时， 微网和系统之间流动的功率无法控制，任何一侧系统不正常工作甚至发生严重故障均会对 另一侧产生影响，谐波在微网和主网之间相互传递也是不可避免的，微网系统内关键负荷 的供电可靠性也就无法保证。有必要研究一种新的并网解决方案，能有效解决上述问题， 增加微网供电的可靠性和灵活性。


【发明内容】

[0005] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种提高微网系统电能 质量的控制方法，通过一种新的并网变换器控制方法和一种新的电能质量补偿器达到维持 直流电压恒定、补偿电网无功功率以及抑制电流谐波的目的。
[0006] 技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -种提高微网系统电能质量的控制方法，该微网系统包括三相交流电网I、Λ/Y 连接的三相隔离变压器、并网变换器、直流母线电压％。、三相交流电网II和电能质量补偿 器，三相交流电网I的电流为广la、r 113和广i。，三相交流电网II的电流为i2a、i2b和 i2。；通过对并网变换器进行控制和对电能质量补偿器进行设计达到维持直流电压恒定、补 偿电网无功功率以及抑制电流谐波的目的，具体为：
[0008] 对并网变换器进行控制（简称为GCC控制）：采用直流母线电压外环、α β电流 内环的双重控制策略；直流母线电压外环采用PI控制器，PI控制器的输出控制量经过dq/ α β变换后，再分别与反馈的α β电流做差，得到的差值Aia0通过电流环控制器匕后输 出α β轴电压参考值》；；和<，将电压参考值屺和 <与实际电压值Ua和…进行比较得到 误差信号Aua和Aue，将误差信号Aua和Aue经过PI调节进而通过PWM调制控制开关 管通断，从而保持直流母线电压恒定，以抑制母线纹波；
[0009] 对电能质量补偿器进行设计：基于位置域的重复控制器进行设计，首先对三相隔 离变压器的输出电流1 13、4和。进行abc/a β变换得到ila和i10，将ila和iie表示为 ila e (t)，对ila e (t)进行拉普拉斯进行拉普拉斯变换得到ila e (s)，将ila e (s)与y(s)做 差得到e (s)，对e (s)进行拉普拉斯逆变换得到e (t);然后设定有线性算子T与逆算子Γ1， 计= 再通过kKP调节闭环系统的收敛速度得到孜妁，Θ为发电系统位置信息； W的=扣?)_D(0)_0⑷），= Γ S⑷），D(0)为时滞环节，Q(0)为低通滤波器；接着对 u(t)进行拉普拉斯变换得到u(s)，经过串联补偿器C(s)控制P(s)得到y(s)，P(s)为控制 对象；最后对y(s)进行拉普拉斯逆变换得到i' lae(t)，即得到i' la(t)和i' la(t);再 对 i' la(t)和 i' la(t)进行 abc/αβ 变换得到 i' la、i' 1)3和广 lc，以 i' la、i' 1)3和 广i。作为三相交流电网I的电流。
[0010] 优选的，在相并网变换器（3)进行控制的过程中，PI控制器的传递函数GPI(s)为：
[0011]

【权利要求】
1. 一种提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：该微网系统包括三相交流电 网Ι(1)、Λ/Υ连接的三相隔离变压器（2)、并网变换器（3)、直流母线电压u de(4)、三相交流 电网11(5)和电能质量补偿器（6)，三相交流电网1(1)的电流为ia、 1)3和i。，三 相交流电网11(5)的电流为i2a、i2b和i 2。；其特征在于：通过对并网变换器（3)进行控制和 对电能质量补偿器（6)进行设计达到维持直流电压恒定、补偿电网无功功率以及抑制电流 谐波的目的，具体为： 对并网变换器（3)进行控制：采用直流母线电压外环、α β电流内环的双重控制策略； 直流母线电压外环采用ΡΙ控制器，ΡΙ控制器的输出控制量经过dq/α β变换后，再分别与 反馈的α β电流做差，得到的差值Aia0通过电流环控制器匕后输出α β轴电压参考 值<和4,将电压参考值< 和4与实际电压值ua和110进行比较得到误差信号Aua和 Aue，将误差信号Aua和Aue经过PI调节进而通过PWM调制控制开关管通断，从而保持 直流母线电压恒定，以抑制母线纹波； 对电能质量补偿器（6)进行设计：基于位置域的重复控制器进行设计，首先对三相隔 离变压器⑵的输出电流113、4和。进行abc/a β变换得到ila和i10，将ila和i10表 示为h e (t)，对h a e (t)进行拉普拉斯进行拉普拉斯变换得到h a e (s)，将h a e (s)与y (s) 做差得到e (s)，对e (s)进行拉普拉斯逆变换得到e (t);然后设定有线性算子T与逆算子 Γ1，计算= 再通过kKP调节闭环系统的收敛速度得到&的，Θ为发电系统位置信 息；⑷)=^(的_￡?(外(?((9),"⑴=广外的，D( Θ )为时滞环节，Q( Θ )为低通滤波器；接着 对u (t)进行拉普拉斯变换得到u (s)，经过串联补偿器C (s)控制P (s)得到y (s)，P (s)为控 制对象；最后对y(s)进行拉普拉斯逆变换得到i' lae(t)，即得到i' la(t)和i' la(t); 再对i' la⑴和i' la(t)进行abc/αβ变换得到i' la、i' 1)3和广lc，以i' la、i' lb 和i' i。作为三相交流电网1(1)的电流。
2. 根据权利要求1所述的提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：在相并网 变换器⑶进行控制的过程中，PI控制器的传递函数G PI(s)为：
其中，Kp为比例系数，&为积分系数，s为复变量。
3. 根据权利要求1所述的提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：低通滤波 器Q ( Θ )设计为二阶低通滤波器，具体为：ρ〇) = / (P + + wA2)，Q ( Θ ) = T、⑴= T^Ks)!/1;其中wh为Q(s)的带宽，ξ为阻尼比。
4. 根据权利要求1所述的提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：时滞环节 D(0)设计为Ζ)^^) = ζ7(的= 其中τ为输入信号相对于变量Θ的周期。
5. 根据权利要求1所述的提高微网系统电能质量的控制方法，其特征在于：串联补偿 器C(s)采用ΡΙ控制器设计，S卩：C(s) = kp+ki/s，其中kp和&为ΡΙ控制器的设计参数。
【文档编号】H02J3/01GK104104111SQ201410340313
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年7月16日 优先权日:2014年7月16日
【发明者】余海涛, 孟高军, 胡敏强, 黄磊 申请人:东南大学