一种基于储能变流器的微电网并网控制系统及方法与流程

本公开涉及电能质量治理相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于储能变流器的微电网并网控制系统及方法。

背景技术：

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

微电网是相对传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，通过静态开关关联至常规电网。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。

微电网可一定程度上解决分散的电力需求，降低电力新建或者升级输、配电网的费用，已逐渐成为可再生能源并网的有效方式。目前，针对微电网的研究主要集中在规划设计、运行优化、保护控制等方面。而与传统电网相比，微电网主要特点在于诸如风、光等分布式电源的随机性、间歇性以及在负载非线性、不平衡突变等情况影响下，微电网内的谐波和无功电流不仅会影响内部接入的分布式电源系统及负荷的安全运行，还会增加线路损耗。其电能质量问题也日益突出。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于储能变流器的微电网并网控制系统及方法，本公开首先利用虚拟正余弦函数快速地检测出电网负序电流、谐波及无功电流，随后，利用比例谐振控制器实现功率输出控制,以及对微电网并网电流无功和谐波等按系统余量进行分频补偿控制，结合模糊算法进行PR参数的在线整定，使系统具有较好的动态性能，进而提高了微电网并网运行状态下的电能质量。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种基于储能变流器的微电网并网控制方法，包括如下步骤：

S1、采集并网端的三相电压和三相电流；

S2、根据采集的三相电压和三相电流数值利用虚拟正余弦函数，计算电网负序电流、谐波及无功电流；

S3、根据检测的电网负序电流、谐波及无功电流和储能变流器输出的给定值，采用分频控制方法控制输出储能变流器的谐波补偿电流和有功电流。

一种基于储能变流器的微电网并网控制系统，包括微电网和传统电网，微电网包括分布式电源、负荷、储能装置，所述的储能装置至少包括储能电池、储能变流器和储能控制器，所述储能电池与储能变流器连接，所述储能控制器与储能变流器用于控制储能变流器实现微电网并入传统电网，所述储能控制器执行上述的一种基于储能变流器的微电网并网控制方法。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

本公开利用比例谐振控制器实现功率输出控制,以及对微电网并网电流无功和谐波等按系统余量进行分频补偿控制，结合模糊算法进行PR参数的在线整定，使系统具有较好的动态性能，进而提高了微电网并网运行状态下的电能质量。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开首先利用虚拟正余弦函数快速地检测出电网负序电流、谐波及无功电流，随后，利用比例谐振控制器的频率选择特性，实现功率输出控制和对微电网并网电流无功和谐波等按系统余量进行分频补偿控制，同时由于比例谐振控制器控制参数设计复杂，结合模糊算法进行比例谐振参数的在线整定，使系统具有较好的动态性能，进而提高了微电网并网运行状态下的电能质量。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1：本公开实施例1并网控制方法流程图；

图2：本公开实施例1微电网组成结构示意图；

图3：本公开实施例1储能变流器的接线图；

图4：本公开实施例1基于锁相环误差补偿的谐波无功检测原理图；

图5：本公开实施例1储能变流器的分频控制原理图；

图6：本公开实施例1储能变流器的分频控制中比例谐振参数的在线整定示意图；

图7：本公开实施例1模糊输入量e、ec的隶属度函数；

图8：本公开实施例1仿真分析中补偿谐波前并网电流波形及谐波分析；

图9：本公开实施例1仿真分析中补偿谐波后并网电流波形及谐波分析；

图10：本公开实施例1仿真分析中PCS输出的有功功率；

图11：本公开实施例1仿真分析中PCS输出补偿电流；

图12：本公开实施例1仿真分析中PCS给定补偿电流；

图13：本公开实施例1仿真分析中补偿前电网侧的电压电流实验波形；

图14：本公开实施例1仿真分析中补偿后电网侧的电压电流实验波形。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

一种基于储能变流器的微电网并网控制系统，如图3所示，包括微电网和传统电网，微电网包括分布式电源、负荷、储能装置，所述的储能装置至少包括储能电池、储能变流器和储能控制器，所述储能电池与储能变流器连接，所述储能控制器与储能变流器用于控制储能变流器实现微电网并入传统电网，所述储能控制器通过控制储能变流器实现微电网并网控制。

如图2所示为微电网组成结构。微电网分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。所述的分布式电源可以包括：光伏电源、风力发电装置等，如果作为仿真系统的模拟平台可以采用并网逆变器接口的风力发电模拟器、光伏电源；

所述的负荷包括：普通负荷与非线性、不平衡敏感性负荷；

所述的储能装置至少包括储能电池如磷酸铁锂电池储能、储能变流器和储能控制器。本实施例中补偿电流由储能变流器(简称为PCS)通过空间矢量脉宽调制SVPWM产生；储能变流器PCS可以将频率和开关频率均设定为10kHz；如图3所示为储能变流器的典型接线图，通过检测变流器并网端电流I(a、b、c)和电压U(a、b、c)并反馈于储能控制器，从而实现对储能变流器的灵活控制。储能控制器可以采用DSPTMS320F2812芯片；

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种基于储能变流器的微电网并网控制方法，包括如下步骤：

S1、采集并网端的三相电压、三相电流；

S2、根据采集的三相电压、三相电流数值利用虚拟正余弦函数，计算电网负序电流、谐波及无功电流；

S3、根据检测的电网负序电流、谐波及无功电流和储能变流器输出的给定值，采用分频控制方法控制输出储能变流器的谐波补偿电流和有功电流。

所述步骤S2的方法具体为采用基于锁相环误差补偿的谐波无功检测：是将同步旋转参考坐标变换、组合运算及低通滤波器(LPF)引入到锁相环前以便克服三相电压不对称、畸变对获取基波正序电压的干扰。具体包括如下步骤：

步骤21、将三相电压、三相电流进行同步旋转参考坐标变换，从三相静止a-b-c坐标系变换到两相静止α-β坐标系，获得α-β坐标系电压及电流数值；

步骤22、α-β坐标系电压进行组合运算，消去基波负序分量，并通过LPF将交流分量滤除，获得基波正序直流分量，并获得a相正序基波直流电压ua-1p⁺；

步骤23、将a相正序基波直流电压ua-1p⁺通过锁相环PLL与α-β坐标系的电流数值进行谐波检测，获得电网基波负序分量和谐波的检测值iαh、iβh，即包含了电网负序电流、谐波及无功电流。从而补偿了三相电网电压不对称、畸变时锁相环对a相电压锁相存在的相位差，同时也抑制了谐波电压信号对检测的干扰。

考虑到三相电压不对称、畸变情况，a相电压中不仅含有基波正序、负序及零序电压，还包括谐波电压；因此使得a相正序电压分量和a相电压之间存在相位差，锁相环(PLL)也会因谐波电压造成一定的干扰，直接影响到谐波和无功电流的检测。如图4为基于锁相环误差补偿的谐波无功检测原理：具体过程如下：

若三相电网电压不对称且含有谐波时，将a-b-c三相电压变换到α-β坐标系，三相静止a-b-c坐标系到两相静止α-β坐标系的变换，可表示为：

公式中，Un⁺、Un^-、式分别为正序、负序分量的有效值及初始相位；ωo相为电网电压的系统频率；n为谐波次数；

将uα、uβ与同步旋转角ωot+θ正弦、余弦相乘，可得：

再将两式进行组合运算，消去基波负序分量，并通过LPF将交流分量滤除，可得基波正序直流分量：

公式中，U1p⁺、为正序直流分量的有效值及初始相位。

进一步构造a相正序基波直流电压ua-1p⁺：

将提取的ua-1p⁺通过锁相环PLL再进行谐波检测，从而补偿了三相电网电压不对称、畸变时PLL对a相电压锁相存在的相位差，同时也抑制了谐波电压信号对检测的干扰。

将三相电流a-b-c变化到α-β坐标系，得到PCS在αβ轴分量上的输出电流iα、iβ，再经dq变换得到dq轴下输出电流id、iq，其中LPF为低通滤波器，用于滤除负序电流指令中的高频谐波。采用dq坐标系下低通滤波后的电流信号作为补偿信号可以减小谐波对控制的影响，同时避免了交流电压和电流相乘时由于相位不一致引入的非特征谐波。

经dq变换得到dq轴下输出电流id、iq，再经过LPF得到dq轴下直流分量id-dc、iq-dc,后经dq反变换后与iα、iβ做差比较，即可得到负序电流。

S3、根据检测的电网负序电流、谐波及无功电流和储能变流器输出的给定值，采用分频控制方法控制输出储能变流器的谐波补偿电流和有功电流。实现储能变流器功率输出控制和微网并网电流无功和谐波分频补偿控制；

如图5所示，分频控制方法具体步骤如下：

31、根据并网的电流检测值iαh、iβh和电流补偿给定值iα^*、iβ^*获得储能变流器输出电流Iαβ^*，以及谐波分量含量较高前N个的频率范围设定为分频补偿频率范围，在分频补偿频率范围内采用复矢量并联比例控制的比例谐振分频控制方式得到分频控制输出量；

32、分频控制输出量与三角波进行调制，产生开关器件的触发脉冲；

33、当储能变流器接收到触发脉冲，储能变流器输出Iαβ^*。

所述储能变流器输出Iαβ^*包括可能需要补偿的各次谐波分量，基波无功电流分量、基波零序和负序电流分量及并网有功电流分量等。

综合补偿电流Iαβ^*生成方法：是确定PCS在αβ坐标系下的等效数学模型，通过控制电流实现对输出有功功率Pg、无功功率Qg的控制，并结合给定值Pg＝Pg^*、Qg＝Qg^*，求出输出电流参考值iα^*、iβ^*，达到补偿并网电流无功和谐波的目的。

步骤311：设定PCS输出有功功率Pg、无功功率Qg的给定值Pg^*和Qg^*

步骤312：建立定PCS在αβ坐标系下的等效数学模型；

步骤313：给定值Pg^*和Qg^*和PCS在αβ坐标系下的等效数学模型，计算获得PCS输出电流参考值iα^*、iβ^*；

步骤314：根据输出电流参考值iα^*、iβ^*中和步骤23获得电网负序电流、谐波及无功电流的检测值iαh、iβh，获得补偿电流Iαβ^*，达到补偿并网电流无功和谐波的目的。

本实施例的PCS的主电路图可以如图3所示，PCS在αβ坐标系下的等效数学模型可以表示为：

公式中，L和R为并网进线电感和电阻；uα、uβ为电网电压的αβ轴分量；iα、iβ为PCS输出电流的αβ轴分量；ucα、ucβ为PCS侧电压的αβ轴分量。

PCS输出的有功功率Pg和无功功率Qg可分别表示为：

由公式(7)可知，若能控制id、iq即可实现对输出功率Pg、Qg的控制，控制PCS输出有功、无功时，零序电流分量为零，将给定值Pg＝Pg^*、Qg＝Qg^*带入公式(7)中，可得：

根据公式(7)、(8)，若微电网并网电压存在谐波及无功电流，则输出电流参考值iα^*、iβ^*中将引入相应的步骤23中检测获得的基波负序分量和各次谐波，达到补偿并网电流无功和谐波的目的。

PCS多目标分频控制；

其中，所述的PCS多目标分频控制：PCS的多目标补偿结构中变流器输出为谐波补偿电流和有功电流。其中功率单位计算电流iαh、iβh和补偿给定值iα^*、iβ^*复合而成并选择输出Iαβ^*，包括可能需要补偿的各次谐波分量，基波无功电流分量、基波零序和负序电流分量及并网有功电流分量等。为充分利用PCS剩余容量并实现有自适应的补偿电能质量，分频控制采用复矢量(CPI)控制方式，即将矢量比例积分(VPI)控制通过公式fαβ＝fdqe^-jωt进行等效变换，完成从dq旋转坐标系到αβ静止坐标系的转换。通过分频控制输出量UPVPI(s)与三角波进行调制，即可产生开关器件的触发脉冲，通过PCS复合控制方法，注入配电网响应的综合补偿电流，达到准确和快速的提升电能质量的目的。

为充分利用PCS剩余容量并实现有自适应的补偿电能质量，分频控制采用复矢量(CPI)控制方式，即将矢量比例积分(VPI)控制通过公式fαβ＝fdqe^-jωt进行等效变换，完成从dq旋转坐标系到αβ静止坐标系的转换，具体变换公式如下：

公式中，τp、τi分别为比例系数和积分系数，ω0为截止频率，s为复变量，将VPI与CPI对比，可知(9)中PI控制比例项τp与jωτp/s项之间存在耦合关系，致使难以实现系统的单独响应控制，为改善其响应能力，在CPI控制基础上并联比例控制项τpo，并联后表达式如下：

公式中，τpo是比例控制项，τp、τi分别为比例系数和积分系数，ω0为截止频率。

将旋转dq坐标系内的表达式(10)变换到两相静止αβ坐标系得到表达式(11)，如下：

公式中，τpo是比例控制项，τp、τi分别为比例系数和积分系数，ω0为截止频率。

公式(11)即为比例谐振控制器中的一种，称为PVPI，其控制中通过改变比例项τp0使动态性能可以独立调节，改善了PVPI控制的PCS响应性能。

因此，分频控制输出量的计算公式为：

公式中，τp为比例系数，τi为积分系数，ω0为截止频率。

分频控制输出量UPVPI(s)与三角波进行调制，即可产生开关器件的触发脉冲，通过PCS复合控制方法，注入配电网响应的综合补偿电流，达到准确和快速的提升电能质量的目的。

如图6所示，所述的PCS模糊PVPI控制方法：计算出PCS输出电压，随后经过PWM调制，触发变流器控制其电流输出，达到滤波并网谐波电流、补偿无功的目的。通过模糊参数调节器实现PVPI控制器的参数在线实时整定。将获取的偏差e和其求导计算的偏差变化率ec同时作为PVPI控制器的输入，为达到最佳的控制效果，随之通过模糊参数调节器，在完成对PVPI参数预整定的基础上对PVPI参数进行实时在线整定。

步骤S3中比例谐振分频控制方式还包括比例谐振参数的在线整定的步骤，具体的通过模糊算法进行比例谐振参数的在线整定；

比例谐振参数的在线整定的步骤包括：模糊化、模糊推理、模糊求解三部分。可以通过设置模糊控制器实现。

所述的模糊化包括：控制器对输入量e、ec进行模糊化处理，其中PVPI控制器可以采用7个语言值表示输入、输出变量，即{NB,NM,NS,O,PS,PM,PB}，如图7所示，可以采用三角形隶属度，可以设置模糊量e、ec论域[-6，6]。

所述的模糊推理包括：选取PVPI控制器参数整定规则作为模糊推理的核心，主要由专家经验和现场调试所得。

参数整定规则描述如下：系统的偏差信号e主要由比例环节进行控制，即偏差一旦形成，PVPI控制器立即产生调节作用以抑制偏差；若τpi取值过大，会造成系统振荡，破坏动态性能。因此，当偏差较大时，τpi尽量取大值以提高响应速度；当偏差较小时，τpi减小以抑制超调过大产生振荡；当偏差进一步减小时，τpi应继续减小以使得系统尽快恢复稳定。另外,也需要考虑偏差变化率ec与e的关系，当ec与e正负一致时，输出逐渐偏离稳定值，增大Δτpi；反之，减小Δτpi。积分环节则主要用来消除静差，实现系统的无差度控制。对误差采用积分，对系统具有一定的滞后作用，积分过强时，使得系统超调增大，以至引起振荡。因此，当误差较大时，τii取值较小以避免系统超调；当误差较小时，τii逐步增大以消除系统的稳态误差。确定的参数整定规则可以如表1和表2所示，其中表1为比例环节用于修正比例参数τpi，表2是积分环节修正积分参数τii。

所述的模糊求解包括：采用重心法计算输出控制量及获取最终精确度。计算公式如下：

其中，Δτpi、Δτii中的取值论域设为[-3,-2,-1,0,1,2,3]；针对输入值e、ec得到相应的语言值后，根据表1和表2的参数整定规则，经过模糊调节策略，可推导2个修正参数τpi、τii的模糊量。

为验证本实施例的效果，进行了仿真实验进行了验证，具体如下：

在配电网和微电网并网状态运行下，采集图2的微电网的实验参数如表3所示。并网电流波形及谐波电流分析如图8所示。可以看出，并网电流中不仅包含基波负序电流、还包含5次正负序电流分量及7次正负序谐波电流分量，谐波含量较高。

表3

采用本实施例所提的分频控制策略中，公共连接点PCC处基波负序电流、5次正负序及7次正负序谐波电流分量被有效抑制，如图9所示，并网电流谐波含量明显降低，正弦度提高，因此，电池储能系统的PCS较好的补偿了非线性负荷所引起的并网谐波电流。另外，电池储能系统在整个过程中的PCS输出有功功率和补偿电流如图10和图11所示，同时给出了补偿电流的给定值，如图12，对比图11和图12可以看出，PCS具有较好动态响应性能。

图13和图14分别为补偿前后配电网侧电压电流波形，通过对比图13和图14可以看出，基于分频控制策略的PCS能够实现并网无功功率的补偿，补偿前功率因数约为0.9436，补偿后功率因素几乎为1，同时电流正弦度良好、响应曲线平滑。

本实施例基于分频控制策略的PCS实现对微电网并网运行状态下的谐波和无功电流的主动控制策略，并在一个微电网平台上进行了并网运行的相关实验验证，实验结果表明，所提控制策略在保持微电网功率平衡的同时，不仅可减少微电网并网运行达到稳态时的因非线性负荷引起的谐波电流含量，还可实现无功无功率的就地补偿。

因此，这种储能变流器的多功能控制策略在降低微电网电能质量治理成本和提高储能设备的利用率上具有重要的参考价值。

实施例2

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一个实施例中方法的步骤。

实施例3

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一个实施例中方法的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。