光伏并网的配电网电压跌落补偿控制方法与流程

本发明涉及配电网电能质量监测与控制领域，具体涉及一种利用统一电能质量调节器对光伏并网的配电网电压跌落进行补偿控制的方法。

背景技术：

以光伏为代表的新能源并网发电以及电网上日益增加的非线性负载，使得电网污染日趋严重，严重影响电网供电质量，面对配电网出现的新问题，传统的电能质量治理方法日益显得力不从心。统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner，简称UPQC)是一种集电压型补偿装置、电流型补偿装置和储能装置于一体，既可改善电网侧供电质量、又能防止负荷侧电流谐波污染电网，能够统一实现多重电能质量调节功能的电力电子装置，由于UPQC对配电网电能质量具有综合调节能力，近年来成为研究热点。如公开号为CN106099937A的中国专利文献公开了一种统一电能质量调节器及其控制方法；公开号为CN103199539A的中国专利文献公开了一种统一电能质量调节器电压暂降补偿方法。目前常见的统一电能质量调节器用于对传统的三相配电网电能质量调节具有较好的效果，但对于光伏并网的配电网而言，由于光伏等并网新能源随机性、间歇性等特点带来的配电网电压跌落等问题，目前利用统一电能质量调节器进行调节的效果不够理想，因而，探索利用UPQC对光伏并网的配电网包括电压跌落补偿在内的电能质量控制方法，显得十分必要。

神经内分泌系统作为人体各种激素调控中心，用以调控各种体内激素，具有良好的自适应性和稳定性等特点。因此研究基于神经内分泌系统的生物智能控制理论，相对于传统控制理论将有助于提高复杂对象的控制质量。人体在激素调节机制中的反馈回路可以分为常规反馈回路和超短反馈回路，其中常规反馈回路是指，腺体激素的浓度通过细胞因子传感器反馈给其上级的调控腺体，而超短反馈是指腺体激素浓度对其腺体自身的分泌活动产生的反馈抑制作用，其调节机制可以抽象为如图1所示的结构，先是下丘脑分泌促激素(TH)，接着促激素刺激垂体分泌释放激素(RH)，RH再刺激相应的内分泌腺体分泌对应的激素(TH和RH均为多种激素的通称)。由图1可看出，内分泌超短反馈包括TH浓度对下丘脑的反馈、RH浓度对垂体的反馈以及激素浓度对腺体的反馈等。腺体激素调节具有单调性和非负性，其上升和下降遵循Hill函数规律。假设激素x受到激素y调控，则激素x的分泌速率S_x与激素y的浓度C_y有如下关系式：

S_x＝αF(C_y)+S_x0 (1)

其中，S_x0表示激素x的基础分泌速率；α为常量系数，浓度函数F(C_y)表示F_up(C_y)或F_down(C_y)：

其中，T为阈值(T＞0)；n为Hill系数(n≥1)。n和T共同决定曲线上升和下降的斜率。这种复杂反馈机制使激素分泌调节过程相对常规反馈回路更为快速稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对现有技术中统一电能质量调节器不能有效满足对光伏并网的配电网电能质量进行有效调节的问题，提出一种光伏并网的配电网电压跌落补偿控制方法，该方法利用统一电能质量调节器，采用基于内分泌反馈系统理论的PI超短反馈控制方法，对光伏并网的配电网电压跌落进行及时有效补偿。

本发明的技术方案是：本发明的光伏并网的配电网电压跌落补偿控制方法，利用UPQC实施，上述的UPQC包括用于采集电网电压和负载电压的信号采集模块、用于调理信号采集模块所采集电压信号的信号调理模块、用于接收信号调理模块发送的采样电压信号并进行处理和控制的微处理器、用于执行微处理器所发控制指令并对配电网实施电压跌落补偿的驱动电路模块，包括以下步骤：

第一步，电压信号采集：UPQC的信号采集模块采集配电网三相母线电压u_a,u_b,u_c和负载三相电压u_la,u_lb,u_lc并发送给UPQC的信号调理模块；

第二步，采集信号调理：信号调理模块将配电网三相母线电压u_a,u_b,u_c和负载三相电压u_la,u_lb,u_lc调理后发送给微处理器；

第三步，采样电压信号分析处理及输出电压补偿控制PWM波：

微处理器接收信号调理模块调理后发送的电压采样信号，采用以下具体步骤进行分析处理，并输出电压补偿控制PWM波：

①微处理器采用式(4)进行电压跌落比较计算，产生UPQC电压补偿指令u_ac,u_bc,u_cc：

②微处理器通过其内置的PI控制单元和超短反馈处理单元，运用内分泌反馈系统PI超短反馈控制方法对电压跌落补偿指令u_ac,u_bc,u_cc进行处理，输出控制信号Δu(k)：

第一步，微处理器的PI控制单元对电压跌落补偿指令u_ac,u_bc,u_cc进行处理，输出控制信号Δu_c(k)：

式中，K_p为PI控制比例系数，取值为23；T_i为积分时间常数，取值为0.86，T_s为采样周期，取值为100us；

第二步，超短反馈处理单元采用基于人体神经内分泌反馈系统腺体激素反馈调节理论建立的式(6)所示的非线性处理函数F(Δu_c(k))，对电压跌落补偿指令e(k)和PI控制单元输出的作为超短反馈处理单元的激素激励信号的Δu_c(k)进行超短反馈处理，输出辅助控制调节信号F(Δu_c(k))：

式中，α、n为因子系数，α≥0，n取正整数；e(k)即为电压跌落补偿指令u_ac,u_bc,u_cc；Δe(k)为电压跌落补偿指令的变化量，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，k为计算步数；

第三步，微处理器将超短反馈处理单元输出的辅助控制调节信号F(Δu_c(k))与PI控制单元输出的控制信号Δu_c(k)叠加，输出控制信号Δu(k)；输出控制信号Δu(k)的表达式如式(8)：

③微处理器将步骤②输出的控制信号Δu(k)调制生成电压补偿控制PWM信号并输出给驱动电路模块；

第四步，输出补偿电压：驱动电路模块接收微处理器发送的电压补偿控制PWM信号，相应输出补偿电压，对配电网实施电压补偿。

进一步的的方案是：上述的步骤②的第二步式(6)中控制参数L₁由式(9)和式(10)确定：

L₁＝sign(e(k))·sign(Δe(k)) (9)

式中，ε为调整阀值，取值为0.5。

本发明具有积极的效果：本发明的光伏并网的配电网电压跌落补偿控制方法，利用UPQC实施电压信号采集、计算电压补偿指令、运用内分泌反馈系统PI超短反馈控制方法对电压跌落补偿指令进行处理后输出PWM波以及根据电压补偿控制PWM信号相应输出补偿电压实现对配电网电压补偿，该方法通过在UPQC对配电网电压跌落补偿传统的PI控制方法中，采用基于人体神经内分泌反馈系统腺体激素反馈调节理论建立的超短反馈处理单元辅助PI控制，能有效提高UPQC实施电压跌落补偿控制的精度与准确性，为利用UPQC对含光伏的配电网的电能质量治理提供了一种新方法。

附图说明

图1为人体神经内分泌系统激素超短反馈调节回路原理示意图；

图2为本发明实施例中所采用的UPQC的结构示意图，图中还示意性地显示了UPQC与光伏并网的配电网电连接关系；

图3为本发明实施例中所采用的UPQC中实施电压跌落补偿的硬件结构示意框图，图中还示意性地显示了其与配电网的电连接关系；

图4为本发明实施例中所采用的UPQC实施电压跌落补偿的原理示意图；

图5为本发明实施例中所采用的UPQC实施PI超短反馈控制原理示意图。

上述附图中的附图标记如下：

串联滤波单元1，并联滤波单元2，供电单元3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

(实施例1)

本实施例的光伏并网的配电网电压跌落补偿控制方法，通过现有的统一电能质量调节器(以下简称UPQC)实施，采用基于内分泌反馈系统PI超短反馈控制方法对光伏并网的配电网电压跌落进行补偿。

如图2所示，含光伏的配电网系统由市电配网、并网光伏和非线性负载组成，配电网具有配电母线；前述采用的UPQC主要包括串联滤波单元1、并联滤波单元2和供电单元3，UPQC接入光伏并网的配电网的方式如图2所示。供电单元3主要由光伏阵列和与其连接的蓄电池装置组成，用于提供UPQC自身工作电源。

参见图3，该UPQC参与电压跌落补偿的具体功能模块包括用于采集电网电压和负载电压的信号采集模块、用于调理信号采集模块所采集电压信号的信号调理模块、用于接收信号调理模块发送的采样电压信号并进行处理和控制的微处理器、用于执行微处理器所发控制指令并对配电网实施电压跌落补偿的驱动电路模块，以及用于提供工作电源的供电单元3。本实施例中，微处理器优选采用TMS320F28335型号的DSP。

参见图4和图5，本实施例的光伏并网的配电网电压跌落补偿控制方法，具体步骤如下：

第一步，电压信号采集：

UPQC的信号采集模块采集配电网三相母线电压u_a,u_b,u_c(图4中标记为U_s)和负载三相电压u_la,u_lb,u_lc(图4中标记为U_l)并发送给UPQC的信号调理模块。

第二步，采集信号调理：

信号调理模块将信号采集模块发送的配电网三相母线电压u_a,u_b,u_c和负载三相电压u_la,u_lb,u_lc调理成微处理器能够接受的信号后，发送给微处理器。

第三步，采样电压信号分析处理及输出电压补偿控制PWM波：

微处理器接收信号调理模块调理后的电压采样信号，采用以下具体步骤进行分析处理，并输出电压补偿控制PWM波：

①微处理器采用式(4)进行电压跌落比较计算，产生UPQC电压补偿指令u_ac,u_bc,u_cc，u_ac,u_bc,u_cc即图5中的e(k)：

②微处理器通过其内置的传统PI控制单元和超短反馈处理单元，运用内分泌反馈系统PI超短反馈控制方法对电压跌落补偿指令u_ac,u_bc,u_cc进行处理，输出控制信号Δu(k)，具体是：

微处理器的PI控制单元采用传统方法对电压跌落补偿指令e(k)进行处理，输出控制信号Δu_c(k)；

超短反馈处理单元采用基于人体神经内分泌反馈系统腺体激素反馈调节理论建立的如式(6)所示的非线性处理函数F(Δu_c(k))，对电压跌落补偿指令e(k)和传统PI控制单元输出控制信号Δu_c(k)进行超短反馈处理，输出辅助控制调节信号F(Δu_c(k))：

式中，α、n为因子系数，α≥0，n取正整数；PI控制单元输出控制信号Δu_c(k)作为超短反馈处理单元的激素激励信号，Δe(k)＝e(k)-e(k-1)，Δe(k)为电压跌落补偿指令变化量，k为计算步数；L₁为控制参数，代表控制偏差的正负性与控制偏差变化率的正负性乘积的反符号值；L₂为代表控制输出的变化方向的控制参数，L₁，L₂两个控制参数利用Δe(k)、e(k)、Δu_c(k)提供的信息决定了F(Δu_c(k))朝着设定值方向变化。

如图5所示，Δu_c(k)是传统PI控制单元的输出值：

式中，K_p为传统PI控制比例系数，取值为23，T_i为积分时间常数，取值为0.86，T_s为采样周期，取值为100us。

微处理器采用式(7)，将超短反馈处理单元输出的输助控制调节信号与传统PI控制单元输出的控制信号叠加，通过抑制或增强PI控制单元输出的控制信号，以提高控制效果。

Δu(k)＝Δu_c(k)+f(Δu_c(k)) (7)

电压跌落补偿指令经过基于内分泌反馈系统PI超短反馈控制之后得到的输出表达式为：

该输出值Δu(k)用于产生PWM波形。

作为优选方式，考虑到因电压检测信号存在延迟滞后导致e(k)和Δe(k)滞后和不完全的问题，将式(6)中控制参数L₁改进为

L₁＝sign(e(k))·sign(Δe(k)) (9)

式中，ε为调整阀值，取值为0.5。

在理想状态下，当系统输出趋于设定值时，F(Δu_c(k))会趋于零，微处理器的超短反馈控制单元会自动切除。但在实际情况下，由于UPQC的直流侧采用光伏阵列给蓄电池充电，受光伏阵列影响，现场噪声严重，即使系统输出达到设定要求，也总是在一定范围内波动。为减小超短反馈控制单元在此时对系统输出的影响，并将超短反馈控制单元的影响权重化，经过调试，将式(6)中因子系数α分段化，即

式中，β为分段化处理后的α值；

③微处理器将步骤②输出的控制信号Δu(k)调制生成PWM信号并输出给驱动电路模块。

第四步，输出补偿电压：

驱动电路模块接收微处理器发送的PWM信号，相应输出补偿电压，对配电网实施电压补偿。

以上实施例是对本发明的具体实施方式的说明，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变换和变化而得到相对应的等同的技术方案，因此所有等同的技术方案均应该归入本发明的专利保护范围。