一种微电网电能质量分布式协调治理方法与流程

文档序号：12889464阅读：291来源：国知局

本发明属于电学领域，尤其涉及一种微电网电能质量分布式协调治理方法。

背景技术：

微电网(microgrid，mg)作为分布式电源(distributedgenerators，dgs)的有效载体，主要是由多种可再生能源、储能装置、本地负荷以及监控保护装置组成。微电网技术的发展，为就地消纳可再生能源提供了有效的途径，将多种分布式电源、储能等结合在一起形成一个小型的发配电系统，可运行于并网和孤岛两种模式，大大的提高了可再生能源的利用率和供电可靠性，是发挥可再生能源效益的最有效方式。

在由三相逆变型微源构成的微电网中，当公共耦合点(pointofcommoncoupling，pcc)上连接三相不平衡负载时，将会导致微电网支撑电压出现三相不平衡，致使微电网系统的稳定性和可靠性降低。当微电网pcc点电压存在严重不平衡时，甚至会影响感应电机、电力电子变换装置等的正常工作。国际电工委员会(iec)规定电力系统中，pcc点正常电压不平衡度允许值为2％，短时不超过4％；且接于公共母线上的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1.3％。因此，微电网电压不平衡补偿极其重要。此外，除不平衡负载外，非线性负载引起的谐波问题给微电网的电能质量治理带来了巨大挑战。

为了解决上述非线性不平衡负载给微电网系统正常运行带来的电能质量问题，现有电压不平衡补偿主要是通过串联电能质量调节器，向线路注入负序电压来实现。而采用上述方法虽然能够提高微电网pcc点的电能质量，但分布式电源的输出电压会产生严重的畸变，且无法对pcc点电流谐波进行有效治理。因此，既能实现公共耦合点电压不平衡补偿，同时兼顾分布式电源的输出电压质量，将是一种非常有意义的解决方法。

目前，现有技术中与本发明申请相关的内容主要有：中国专利文献cn104836258公开了一种兼具电压不平衡补偿和谐波抑制的微电网多逆变器控制方法。该方法通过集中控制器对公共母线电压进行采集并计算其不平衡因数向量以及特征次谐波分量正负序补偿参考向量，进而产生电压调节参考向量，通过逆变器电压电流控制实现公共母线电压不平衡补偿和谐波抑制。但是，当微电网pcc点电压严重不平衡时，该方法对dg的补偿能力要求较高，当对pcc点电压进行补偿后，dg端的电压质量较低。中国专利文献cn103715704a公开了一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法，该方法对微电网公共母线负序电压直接补偿，然而，当微电网连接有非线性不平衡负载时会产生大量的谐波，该方法对谐波不能够很好的抑制，所以该方法不适用于同时接有三相不平衡负载和非线性负载的微电网系统。中国专利文献cn103368191b公开了一种微电网多逆变器并联电压不平衡补偿方法。该方法包括功率下垂控制、电压电流环以及不平衡补偿环三部分，能够实现各dg间的有功、无功精确分配。然而，该方法不能够直接表达公共母线上的运行环境，因此，该方法还需要进一步改进和完善。此外，该方法并没有考虑微电网系统连接非线性负载时产生的谐波问题。

综上所述，现有技术中并没有彻底解决兼顾微电网公共耦合点电压不平衡补偿及逆变器输出电压质量的技术难题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种对pcc点电压补偿的同时，保证逆变器输出电压具有较高电压质量的微电网电能质量分布式协调治理方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种微电网电能质量分布式协调治理方法，包括以下步骤：

一种微电网电能质量分布式协调治理方法，其特征在于：包括多逆变型分布式电源并联的孤岛微电网系统，所述多逆变型分布式电源并联的孤岛微电网系统包括若干个分布式发电单元、有源电力滤波器apf、分布式二次控制器、采样计算模块、dg母线、公共耦合点pcc、非线性不平衡负载、线性负载；所述若干分布式发电单元之间并联连接，所述若干分布式发电单元通过馈线连接所述dg母线，所述apf、所述采样计算模块、所述非线性不平衡负载及所述线性负载连接在所述dg母线与所述公共耦合点pcc之间，所述分布式二次控制器与所述采样计算模块连接，所述分布式发电单元包括依次连接的直流微源、三相全桥逆变电路、lc滤波电路、馈线，所述分布式发电单元还包括本地控制器、驱动保护模块，所述lc滤波电路与所述本地控制器连接；

所述采样计算模块对所述pcc点电压进行采样处理和计算，并将输出量通过低带宽通信传输至所述分布式二次控制器中，所述分布式二次控制器将产生的补偿参考值传送至所述本地控制器中，所述本地控制器输出量通过驱动保护模块驱动所述三相全桥逆变电路中的功率管的开通与关断，具体步骤包括：

(1)采样计算模块对公共耦合点pcc电压vabc进行采样计算以及dq坐标变换，得到dq坐标系下的pcc点基波正序电压基波负序电压以及h次谐波电压并通过低带宽通信lbc传送至分布式二次控制器中；其中，vabc＝[va,vb,vc]^t，h为谐波的次数，h＝3,5,7；

(2)将pcc点基波正序电压基波负序电压h次谐波电压通过dq→αβ坐标变换以及有效值计算模块可得到αβ坐标系下的基波正序电压基波负序电压h次谐波电压

(3)将上述计算得到的电压通过电压不平衡因子与谐波畸变计算模块可获得然后将vuf、hdh和其对应的参考值vuf^*、进行比较，差值经比例积分pi控制器后可得到补偿参考值最后再将补偿参考值传输至本地控制器中进行补偿；其中，补偿参考值的计算公式如下式所示：

(4)本地控制器中，实时检测lc滤波电路的滤波电容电压向量voabc，滤波电感电流向量ilabc以及馈线电流向量ioabc，其表达式如下式所示：

voabc＝[voa,vob,voc]^t；

ilabc＝[ila,ilb,ilc]^t；

ioabc＝[ioa,iob,ioc]^t；

(5)通过abc→αβ坐标变换将滤波电容电压向量voabc，滤波电感电流向量ilabc以及馈线电流向量ioabc变换为αβ静止标系下的滤波电容电压向量voαβ，滤波电感电流向量ilαβ以及馈线电流向量ioαβ，其表达式如下式所示：

voαβ＝[voα,voβ]^t；

ilαβ＝[ilα,ilβ]^t；

ioαβ＝[ioα,ioβ]^t；

(6)分别提取两相基波电压voαβ，两相基波电流ioαβ在αβ坐标系下的基波正序电压向量基波正序电流向量其表达式如下式所示：

(7)基于三相电路瞬时无功功率理论，计算出逆变器输出的基波正序有功功率p⁺，基波正序无功功率q⁺如下式所示：

(8)根据上述提取的基波正序电压向量基波正序电流可以得到由虚拟阻抗环产生的电压向量vvαβ＝[vvα,vvβ]^t如下式所示：

其中：rv为虚拟电阻，lv为虚拟电感；

(9)根据功率下垂控制特性，分别得到三相逆变器输出参考电压e^*和参考角频率ω^*，其公式如下式所示：

ω^*＝ωn-kpp⁺；

e^*＝en-kqq⁺；

其中：kp为下垂有功比例系数，kq为下垂无功比例系数，ω^*为参考角频率，ωn为额定角频率，e^*为参考电压幅值，en为额定电压幅值；

(10)根据三相逆变器输出电压参考角频率ω^*和参考电压幅值e^*，计算出三相基波正序电压参考向量并做abc→αβ坐标变换，得到αβ坐标系下的参考电压其中，

(11)在apf与dg的协调补偿过程中，首先计算所有dg节点的总谐波畸变率thdn(i)并与总谐波畸变率参考值thdref比较，如果实际的thdn(i)大于参考值，则将ti^h±,1-通过低带宽通信lbc传送至相对应dg的本地控制器中，合成各dg节点的参考电压值，因此，通过对n个dg的ti^h±,1-求和，再求取平均值，可得到总的协调补偿率如下式所示：

其中：t^h±,1-为总协调补偿率，ti^h±,1-为dgi的协调补偿率，通过积分控制器进行调节，其范围为0-1之间，n为dg的个数，由上式可以看出，当dg单独补偿pcc点电压时，然后，将上述总协调补偿率t^h±,1-通过低带宽通信传送至apf补偿控制器中；

(12)在apf与dg的协调补偿过程中，apf的输出电流iapf对协调补偿效果影响较大，iapf可由下式计算得到：

其中：为负载端基波负序、谐波正负序电流，为dg端基波负序、谐波正负序电流；

(13)有源电力滤波器apf中，通过测量模块计算出各次谐波分量、基波正负序分量以及各次谐波畸变率，各次谐波畸变率与谐波畸变率参考值进行比较，差值经过比例积分pi控制器得到各次电导值由和vabc可得到参考电流如下式所示：

其中：h是谐波次数，为各次电导值，vabc为pcc点电压；

(14)根据上述计算得到的参考电流以及pcc点电压vabc和电流iabc，由apf产生的参考补偿电压值如下式所示：

其中：li为apf电感，δt为采样周期；

(15)根据上述计算得到的参考补偿电压值通过abc→αβ坐标变换可得到αβ坐标系下的参考电压其中，

(16)采用上述计算得到的参考电压与求和后，减去vvαβ得到电压外环控制的参考电压用减去实际测量得到的滤波电容电压voαβ，将其差值送往多准比例谐振pr控制器中，得到电流环的参考值iref；

(17)将参考值iref与实际测量得到的电感电流ilαβ相减得到电流误差，将此误差送往电流内环进行控制，得到三相全桥逆变电路各桥臂的驱动脉冲，控制各个功率管的开通与断开。

所述步骤(2)中的dq→αβ坐标变换公式为：

其中：θ为旋转角度；

所述步骤(5)中的abc→αβ坐标变换公式为：

所述步骤(16)中的多准比例谐振pr控制器传递函数为：

式中：kpv、kpi分别为电压、电流控制系数，krv、kri分别为谐振增益，ωcv、ωci分别为截止角频率，ω0为控制器谐振角频率，k为指定次谐波次数。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明所采用的分布式二次控制方法与集中式控制方法相比，系统对通信带宽要求较低，系统的可靠性较强且易于扩展，易实现分布式电源的即插即用，能够独立、快速、高效的实现数据传输及控制，适宜于大规模的微电网并入大电网。此外，针对多逆变型分布式电源并联的孤岛微电网系统公共耦合点pcc上接有三相不平衡负载和非线性负载时，本发明所提的方法采用有源电力滤波器apf协调分布式电源dg补偿pcc点电压，同时抑制电流谐波畸变，且dg的电压质量较高，输出功率精确分配。

为了验证本发明所提方法的有效性，在matlab/simulink仿真平台搭建了两台分布式电源dg并联的微电网系统仿真模型，所加负载为三相不平衡负载和非线性负载。两台分布式电源dg的控制系统和主电路参数相同，逆变器的开关频率为10khz，dg的主电路和控制系统的仿真参数如表1、表2所示。

表1主电路参数

表2控制系统参数

实施过程中提取了补偿前后dg1、dg2和pcc点的输出电压以及pcc点的电流仿真波形，从图中可以看出，采用本发明所提出的方法有效可行。具体的仿真说明如下：

(1)补偿前后dg1、dg2和pcc点的输出电压仿真波形如图7、8、9所示，其补偿过程为：1.05s之前无补偿，1.05～1.15s时为dg补偿，1.15s后apf协同dg补偿。从仿真波形中可以看出，补偿前dg端的电压质量较好，pcc点电压由于三相不平衡非线性负载的接入，其电压质量较差；而在t＝1.05s时加入dg补偿，由于dg补偿作用，使得pcc点的电压质量有了明显提高，但dg自身的补偿能力以及容量有限，pcc点电压质量还存在稍许电压畸变和不平衡；因此，在t＝1.15s后加入apf协调dg进行补偿，可以看出，pcc点的输出电压得到了完全的补偿，效果明显；而dg在t＝1.05s时由于补偿了pcc点的输出电压，其输出电压发生了畸变和不平衡，而在t＝1.15s时由于apf协调dg对pcc点电压进行补偿，dg端的输出电压也得到了恢复。

(2)图10所示为pcc点电流补偿前后仿真波形图，从图中可以看出，补偿前由于受到非线性不平衡负载的影响，pcc点电流波形严重畸变且不平衡；在t＝1.05s时加入dg补偿，而由于dg补偿为pcc点电压补偿，对电流的补偿作用较小，因此，可以看出电流波形有稍许的改善；而在t＝1.15s时加入apf协调dg进行补偿，可以看出，由于apf的补偿作用，使得pcc点的电流得到了完全的补偿，效果明显。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明孤岛微电网多逆变器并联系统结构原理图。

图2为本发明分布式电源dg补偿参考值计算原理图。

图3为本发明有源电力滤波器apf补偿结构原理图。

图4为本发明有源电力滤波器apf电流补偿计算原理图。

图5为本发明有源电力滤波器apf和分布式电源dg协同补偿原理图。

图6为本发明仿真实验测试示意图。

图7为本发明dg1输出电压补偿前后仿真波形图。

图8为本发明dg2输出电压补偿前后仿真波形图。

图9为本发明pcc点输出电压补偿前后仿真波形图。

图10为本发明pcc点输出电流补偿前后仿真波形图。

具体实施方式