主动配电网分布式电源与有源滤波器协调控制系统的制作方法

本发明涉及一种控制系统，具体涉及一种主动配电网分布式电源与有源滤波器协调控制系统，属于电能质量技术领域。

背景技术：

近年，随着利用电力电子装置等非线性负荷和分布式发电系统大量接入配电网，电网电流的谐波含量骤增，上述谐波污染使电力系统在负载侧和电源侧均面临严峻的电能质量问题。较大的谐波电流将直接威胁到配网变压器的运行安全。在现有技术手段中，apf技术是治理电网谐波污染的有效手段，但限于建设和维护成本，很难在配电网中大量接入apf装置。同时，考虑到dg与apf具有相似的并网逆变器形式，可充分利用dg的剩余容量，参与系统电能质量的治理。因此研究dg与apf的协调控制方法对于解决电力系统谐波污染等电能质量问题具有积极促进意义。

为使用dg的剩余容量对系统电能质量进行复合控制，国内外学者提出了众多新颖的dg并网端控制策略。有学者提出对dg的基波和谐波指令进行解耦控制，在谐波域将dg等效为一个小值电阻，实现对谐波电流的补偿。有学者借鉴基频域功率下垂控制的思想，将dg在谐波域等效为一个与其补偿容量呈反比的电导，实现对dg并网点谐波电压的补偿。又有学者提出基于pcc处谐波扰动的功率，使用dg对pcc处的电能质量问题进行补偿。

现有涉及dg并网发电与电能质量治理的复合控制策略，虽可充分利用dg电力电子接口容量，实现对系统关键节点电能质量的补偿，但dg所输出的谐波补偿电流将干扰其并网点的电能质量，恶化dg并联点处其他设备的工况，降低设备的使用寿命。同时，由于dg的输出功率具有波动性，不能时刻保证提供充足的剩余容量用于关键节点电能质量的补偿，需要与apf相配合，以便提高主动配电网内各节点的电能质量。鉴于此，本文提出了一种主动配电网内分布式电源与有源滤波器协调控制系统。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种主动配电网分布式电源与有源滤波器协调控制系统，该技术方案将有源配电网划分成若干区域电网，每个区域电网内至少包含一个dg，并在区域电网的公共并网点(pointsofcommoncoupling,pcc)处安装有apf，各dg与apf通过各自并网逆变器本地控制策略控制输出，且在每个区域电网内，利用dg源网复合控制器和区域装置协调控制器给定dg与apf并网逆变器本地控制策略的参考值，实现主动配电网内dg与apf协调控制的目的。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种主动配电网分布式电源与有源滤波器协调控制系统，其特征在于，所述控制系统将有源配电网划分成若干区域电网，每个区域电网内至少包含一个dg，并在区域电网的公共并网点(pointsofcommoncoupling,pcc)处安装有apf，各dg与apf通过各自并网逆变器本地控制策略控制输出，所述控制系统包括dg与apf并网端本地控制器、dg源网复合控制器以及区域装置协调控制器，其中dg与apf并网端本地控制器，使用电压环和电流源控制策略，以及逆变器调制策略，控制dg与apf并网端逆变器完成对电压或电流指令值的跟踪，稳定装置直流母线电压；dg源网复合控制器，利用下垂控制策略实现dg的功率输出，向dg并网端本地控制器下发指令值，监视各dg接入点电能质量信息，向区域装置协调控制器上传电能质量信息，并根据区域pcc处谐波含量调节dg的谐波补偿值，实现对pcc的谐波补偿；

区域装置协调控制器，与控制区域内的各dg及pcc点处apf的本地控制器相联，根据pcc的谐波含量及dg源网复合控制器所上传的各接入点电能质量信息，协调控制区域内各dg及apf，实现对各dg并网点及pcc的谐波补偿。该技术方案将综合利用dg与apf的补偿容量对主动配网的电能质量进行治理，充分利用dg并网逆变器的容量，在并网馈能的同时与配电网内apf分摊电能质量补偿容量，减小apf的建设和维护成本。通过apf可弥补dg电能质量补偿容量波动性的缺点，通过apf与dg间的协调控制，改善dg谐波补偿电流对其并网点电能质量的干扰，令有源配电网内各节点的电能质量均能得到提高。

作为本发明的一种改进，所述dg与apf并网端本地控制器获取逆变器电压或电流跟踪误差信号，与逆变器直流侧稳压控制指令相叠加，输入逆变器电压环和电流环控制器，产生调制信号，使用脉宽调制(pulsewidthmodulation,pwm)算法，控制并网端逆变器跟踪指令值，实现dg和apf的输出控制和直流侧稳压控制。

作为本发明的一种改进，所述dg源网复合控制器使用下垂控制算法实现区域内各dg间有功、无功指令的分配，避免出现有功、无功环流，其采用的下垂控制算法为

f＝f^*-gp(s)·(p-p^*)(1)

e＝e^*-gq(s)·(q-q^*)(2)

式中，e和f分别为提供给dg并网端本地控制器的电压幅值和频率指令值，e^*和f^*为电压幅值和频率的参考值，p和q为dg并网端实际输出的有功和无功功率，p^*和q^*为dg并网端有功和无功功率的参考值，gp(s)和gq(s)为dg下垂控制系数。

作为本发明的一种改进，所述dg源网复合控制器中，获取各dg并网点电压的当前总谐波畸变率(totalharmonicsdistortion,thd)dx及对应各节点thd限值mx，上传给区域装置协调控制器。

作为本发明的一种改进，所述dg源网复合控制器中，获取区域配电网pcc处thd值，并与其参考thd比较，将比较的差值输入比例积分控制器，从而获得此时所需的等效谐波功率hx(x＝1,2,3,…)，根据节点x处dg输出的基波功率，确定节点x处dg可用于谐波补偿的剩余容量，即额定谐波补偿功率hx0(x＝1,2,3,…)，并使同一区域内各dg的谐波补偿系数bx(x＝1,2,3,…)满足b1h10＝b2h20＝…＝bxhx0，利用谐波下垂补偿算法，使区域内各dg按其剩余容量，成比例分配谐波补偿指令，较常采用的谐波下垂算法为

gx＝g0-bx·(hx0-hx)(3)

其中，g0为额定谐波电导。获取各dg进行谐波补偿的等效电导值gxh，将gxh与区域pcc处对应的谐波电压eh相乘，即可获得区域内各dg的谐波电流补偿指令即：

将下发给dg并网端本地控制器，并将其与对应基波下垂功率控制的电流指令相叠加，从而在dg并网馈能的同时，可实现对pcc的谐波补偿。

作为本发明的一种改进，所述区域装置协调控制器中，根据dg的剩余容量hx0(x＝1,2,3,…)和反映dg并网点电压thd值的系数hxd(x＝1,2,3,…)，来协调区域内dg与apf的谐波补偿指令。

将区域内总计n台dg的hx0和hxd相乘后进行累加，再除以n获得一个能反映区域内dg对pcc处电能质量补偿能力的系数hg，将hg限定为[0,1]，当hg＝1时，表示pcc处的谐波将由dg完全补偿，此时可不启动apf；当hg＝0时，表示dg无实现谐波补偿的剩余容量，此时pcc处的谐波将由apf单独补偿；当hg＝(0,1)时，apf进行谐波补偿的系数ha＝1-hg，将ha与区域pcc处对应的谐波电压ih相乘，即可获得pcc处apf的谐波电流补偿指令即

将下发给apf并网端本地控制器，并将其与apf直流稳压指令电流相叠加，实现apf对pcc的谐波补偿。

所述其系数hxd的获取过程为将dg并网点电压的当前总谐波畸变率dx与对应节点的thd限制mx相比较，若dx>mx，则通过积分控制器来减小hxd，避免因dg参与区域pcc处电能质量的补偿，而过度恶化其接入点处的电能质量。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，(1)该技术方案充分利用dg并网逆变器的容量，在并网馈能的同时与配电网内apf分摊电能质量补偿容量，提高dg并网逆变器的利用率，同时减小apf的建设和维护成本；(2)该技术方案利用apf补偿容量可控性强的优点，弥补由于dg功率波动，而造成的dg电能质量补偿容量不确定的缺点；3)该技术方案通过apf与dg并网逆变器协调控制，减小dg谐波补偿电流对其并网点电能质量的干扰，改善pcc处电能质量，令有源配电网内各节点的电能质量均能得到改善，提升配电网整体电能质量水平。

附图说明

图1是主动配电网分区示意图；

图2是主动配电网内分布式电源与有源滤波器协调控制系统原理图；

图3是dg源网复合控制器原理图；

图4是区域装置协调控制器原理图；

图5是dg并网点谐波畸变系数获取过程示意图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：图1给出了主动配电网区域划分方法。图1将有源配电网划分成若干区域电网，每个区域电网内至少包含一个dg，并在区域电网的公共并网点(pointsofcommoncoupling,pcc)处安装有apf，各dg与apf通过各自并网逆变器本地控制策略控制输出，且在每个区域电网内，利用dg源网复合控制器，控制dg在并网馈能的同时，根据谐波下垂算法向电网注入谐波补偿量，以改善区域pcc处电能质量。但dg输出的谐波补偿电流将在并网线路阻抗zx(x＝1,2,3,…,n)上产生压降，从而干扰dg并网点电能质量。并且dg的输出功率具有波动性，不能时刻保证提供充足的补偿容量，实现对pcc处电能质量的补偿，因此需使用区域装置协调控制器给定dg与apf并网逆变器本地控制策略的参考值，实现主动配电网内dg与apf协调控制的目的。

图2给出了主动配电网内分布式电源与有源滤波器协调控制系统原理图。由图2可见本发明所提系统可分为dg与apf并网端本地控制器、dg源网复合控制器、区域装置协调控制器此三类子模块。其中dg与apf并网端本地控制器，使用电压环和电流源控制策略，以及逆变器调制策略，控制dg与apf并网端逆变器完成对电压或电流指令值的跟踪，稳定装置直流母线电压。dg源网复合控制器，利用下垂控制策略实现dg的功率输出，向dg并网端本地控制器下发指令值，监视各dg接入点电能质量信息，向区域装置协调控制器上传电能质量信息，并根据区域pcc处谐波含量，利用谐波下垂算法调节dg的谐波补偿值，实现对pcc的谐波补偿。区域装置协调控制器，与控制区域内的各dg及pcc点处apf的本地控制器相联，根据pcc的谐波含量及dg源网复合控制器所上传的各接入点电能质量信息，协调控制区域内各dg及apf，实现对各dg并网点及pcc的谐波补偿。

图2所示协调控制策略综合利用dg与apf的补偿容量对主动配网的电能质量进行治理，充分利用dg并网逆变器的容量，在并网馈能的同时与配电网内apf分摊电能质量补偿容量，减小apf的建设和维护成本。通过apf可弥补dg电能质量补偿容量波动性的缺点，通过apf与dg间的协调控制，改善dg谐波补偿电流对其并网点电能质量的干扰，令有源配电网内各节点的电能质量均能得到提高。

如图3所示为dg源网复合控制器原理图，其中dg本地控制器将基频下垂控制器产生的电压参考值与dg并网点电压vm作差后，经电压外环外环控制器，并将电压外环的输出值与pcc处所需dg谐波电流补偿值相叠加，作为电流内环参考值，再与dg并网点电流im比较，经电流内环控制器，最后通过pwm调制算法获得dg并网逆变器的开关脉冲，实现对dg的输出控制。

使用下垂控制算法实现区域内各dg间有功、无功指令的分配，避免出现有功、无功环流，其较常采用的下垂控制算法为

f＝f^*-gp(s)·(p-p^*)(1)

e＝e^*-gq(s)·(q-q^*)(2)

式中，e和f分别为提供给dg并网端本地控制器的电压幅值和频率指令值，e^*和f^*为电压幅值和频率的参考值，p和q为dg并网端实际输出的有功和无功功率，p^*和q^*为dg并网端有功和无功功率的参考值，gp(s)和gq(s)为dg下垂控制系数。

获取各dg并网点电压的当前总谐波畸变率(totalharmonicsdistortion,thd)dx及对应各节点thd限值mx，上传给区域装置协调控制器。

获取区域配电网pcc处thd值，并与其参考thd比较，将比较的差值输入比例积分控制器，从而获得此时所需的等效谐波功率hx(x＝1,2,3,…)，根据节点x处dg输出的基波功率，确定节点x处dg可用于谐波补偿的剩余容量，即额定谐波补偿功率hx0(x＝1,2,3,…)，并使同一区域内各dg的谐波补偿系数bx(x＝1,2,3,…)满足b1h10＝b2h20＝…＝bxhx0，利用谐波下垂补偿算法，使区域内各dg按其剩余容量，成比例分配谐波补偿指令，较常采用的谐波下垂算法为

gx＝g0-bx·(hx0-hx)(3)

其中，g0为额定谐波电导。获取各dg进行谐波补偿的等效电导值gxh，将gxh与区域pcc处对应的谐波电压eh相乘，即可获得区域内各dg的谐波电流补偿指令即：

将下发给dg并网端本地控制器，并将其与对应基波下垂功率控制的电流指令相叠加，从而在dg并网馈能的同时，可实现对pcc的谐波补偿。

如图4所示区域装置协调控制器原理图，根据dg的剩余容量hx0(x＝1,2,3,…)和反映dg并网点电压thd值的系数hxd(x＝1,2,3,…)，来协调区域内dg与apf的谐波补偿指令。

在apf并网端本地控制器中，通过将apf在谐波频率处等效为并联电导gc，并将gc与pcc处电压vpccn的对应次谐波提取值相乘，获得apf在单独补偿时的电流值，将该电流值乘以区域装置协调控制器产生的补偿系数ha，再与apf直流侧稳压控制所对应的电流值idcn相叠加，作为apf电流内环的参考值，通过电流控制器，最后经pwm调制算法调制后，产生apf开关脉冲，控制apf最终输出。

在区域装置协调控制器中，将区域内总计n台dg的hx0和hxd相乘后进行累加，再除以n获得一个能反映区域内dg对pcc处电能质量补偿能力的系数hg，将hg限定为[0,1]，当hg＝1时，表示pcc处的谐波将由dg完全补偿，此时可不启动apf；当hg＝0时，表示dg无实现谐波补偿的剩余容量，此时pcc处的谐波将由apf单独补偿；当hg＝(0,1)时，apf进行谐波补偿的系数ha＝1-hg，将ha与区域pcc处对应的谐波电流ih相乘，即可获得pcc处apf的谐波电流补偿指令即

将下发给apf并网端本地控制器，并将其与apf直流稳压指令电流相叠加，实现apf对pcc的谐波补偿。

如图5为dg并网点谐波畸变系数hxd获取过程示意图。将dg并网点电压的当前总谐波畸变率dx与对应节点的thd限制mx相比较，若dx>mx，则通过积分控制器来减小hxd，避免因dg参与区域pcc处电能质量的补偿，而过度恶化其接入点处的电能质量，其中限幅环节的上、下限分别为1和0。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。