一种基于自适应控制的输电电缆谐波谐振抑制方法与流程

本发明涉及一种应用于微电网互联系统输电电缆谐波谐振抑制方法，具体涉及一种基于自适应控制的输电电缆谐波谐振抑制方法。

背景技术

微电网是一种将分布式电源、负荷、储能装置、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统。凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术，可以实现其并网或孤岛运行、降低间歇性分布式电源给配电网带来的不利影响，最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量。将分布式电源以微电网的形式接入配电网，被普遍认为是利用分布式电源有效的方式之一，在山区、边远村落、海岛群、城市配电网末端等具有广阔的应用前景。然而由于地理条件的限制，相邻微电网之间往往需要长距离的输电电缆，线路上存在较大的寄生电容与寄生电感，容易引起谐波谐振问题，导致电缆线路老化，甚至会危及线路的安全。

目前针对输电线路中较低频率的谐波谐振及抑制方法，阻性有源电力滤波器(rapf)是一个常见方案。阻性有源电力滤波器一般安装在馈线末端，其能够在特定频率处呈现电阻特性，为系统提供阻尼。然而，阻尼电阻的取值比较讲究，不恰当的阻尼电阻取值会导致谐波放大。与此同时，电缆线路参数、长度变化以及系统谐波成分变化会导致谐振频率的改变，影响阻尼效果。针对阻性有源电力滤波器适应性差的缺点，有学者提出了改进控制算法，让有源电力滤波器在特定频率处模拟无限长传输线，能够有效抑制线路谐振，且鲁棒性好。然而，这种方法依然属于被动治理方法，只能抑制谐波放大，不能主动吸收谐波。另外，传统的输电电缆谐振抑制方法往往针对单端放射性供电网络，对于本发明提出的微电网互联系统这类双端供电网络，传统方法并不适用。由于双端供电网络两端都有谐波源，二者之间的谐波交互与谐振特性更为复杂，针对此类场景的输电电缆谐振抑制方法尚未见报道。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于自适应控制的输电电缆谐波谐振抑制方法，从而达到以下两个控制目标：一是根据输电电缆谐波电压水平在线调节整个微电网等效谐波阻抗，实现输电电缆谐波谐振抑制；二是根据功率调度指令实现两个微电网之间的功率传输。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于自适应控制的输电电缆谐波谐振抑制方法，基于微电网互联系统，其中，整个系统的拓扑结构为两个微电网通过输电电缆互联，每个微电网包括两个分布式电源，一个非线性负荷，统一连接至公共连接点pcc，分布式电源并网变流器的直流侧连接等效的直流电源，交流侧连接lcl滤波器，lcl滤波器由变流器侧滤波电感l1、电网侧滤波电感l2和滤波电容cf组成，非线性负荷为不控全桥整流电路；输电电缆中点有一个谐波电压检测器，每个微电网有一个微电网控制器，每个分布式电源有一个变流器控制器，各变流器控制器之间的信息传输采用低带宽通信；由于每个微电网的控制策略相同，每个分布式电源并网变流器的控制策略相同，因此以第一微电网中第一变流器说明所述输电电缆谐波谐振抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、位于输电电缆中点处的谐波电压检测器采集对应点谐波电压，并计算出各次谐波电压幅值cmid,kth，其中变量k代表谐波次数，k取大于等于3的奇数，之后将信息通过低带宽通信传递给两个微电网控制器，其中第一微电网控制器实现两个目标：第一微电网控制器将根据谐波电压水平计算第一变流器的谐波等效电阻rvk,mg1，同时根据功率调度指令p^*和q^*计算电压幅值补偿量δe与频率补偿量δω，后通过低带宽通信传递给变流器控制器，具体如下：

式(1)中，变量s为复频率，为k次谐波电压的限定值，kpk,mg1和kik,mg1为计算k次谐波等效电阻的比例系数和积分系数，式(2)中kpp和kip为计算频率补偿量δω的比例系数和积分系数，kpq和kiq为计算电压幅值补偿量δe的比例系数和积分系数，pmg1和qmg1为第一微电网输出有功功率与无功功率；

步骤二、第一变流器控制器接收频率与电压幅值补偿量δω和δe后，通过下垂控制器产生基波电容电压参考其角频率参考ω^*与幅值参考e^*如下：

式(3)中，变量ω0为额定角频率，e0为额定电压幅值，dp,c1和dq,c1为有功下垂系数和无功下垂系数，pc1和qc1分别为第一变流器实际输出的有功和无功功率，则基波电容电压参考为

第一变流器接收谐波等效电阻信息rvk,mg1后，通过如下方法生成谐波电容电压参考

式(4)中，变量为k次谐波电压参考，n为并联变流器台数，iloadk,mg1为第一微电网内负荷的k次谐波电流，ilk,c1为第一变流器输出的k次谐波电流；第一变流器最终的电容电压参考为

步骤三、第一变流器电压跟踪控制器采用双环控制器，生成最终的参考电压vout,c1，具体如下：

式(5)中，变量为k次谐波电流参考，gouter(s)和ginner(s)分别为外环控制器和内环控制器，变量vc,c1为第一变流器电容电压，变量il,c1为第一变流器输出电流，外环控制器gouter(s)为比例-谐振控制器，变量kpv,c1为比例系数，变量kiv1,c1为基波谐振系数，变量kivk,c1为k次谐振系数，变量ωc为例谐振控制器带宽，内环控制器ginner(s)为比例控制器，kinner,c1为比例系数；

得到最终的参考电压vout,c1后，按照正弦脉宽调制或者空间矢量脉宽调制，得到开关管的占空比信号，从而控制第一变流器开关管的开通与关断。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明针对两个微电网通过微电网互联的场景，通过自适应控制实时检测输电电缆中点谐波电压，在线调节虚拟谐波电阻，实现输电电缆谐波谐振主动抑制；与此同时，本发明所提控制方法能够根据功率调度指令实现两个微电网之间的功率传输。

附图说明

图1为本发明中微电网互联系统的拓扑结构示意图；

图2为本发明中微电网互联系统的控制示意图；

图3为传统阻性有源电力滤波器抑制输电电缆谐振的波形图，第一通道为互联电缆始端x＝0处的电压波形，第二通道为互联电缆x＝3km处的电压波形，第三通道为互联电缆x＝4km处的电压波形，第四通道为互联电缆x＝7km处的电压波形；

图4为本发明抑制输电电缆谐振的波形图，第一通道为互联电缆始端x＝0处的电压波形，第二通道为互联电缆x＝3km处的电压波形，第三通道为互联电缆x＝4km处的电压波形，第四通道为互联电缆x＝7km处的电压波形；

图5为采用传统阻性有源电力滤波器方法与本发明所提控制方法时，互联电缆各位置的电压总谐波畸变率(thd)；

图6为两个微电网之间功率传输的动态响应情况；

图7为功率动态响应过程中第一微电网的频率与pcc电压幅值的变化情况；

图8为功率动态响应过程中输电电缆中点电压与第一微电网内部电流波形情况；第一通道为互联电缆中点x＝4处的电压波形，第二通道为第一微电网内部第一变流器输出电流，第三通道为第一微电网内部第二变流器输出电流，第四通道为第一微电网内部负荷；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

本发明基于微电网互联系统，提出的一种基于自适应控制的输电电缆谐波谐振抑制方法，其中，如图1所示，整个微电网互联系统的拓扑结构为两个微电网通过输电电缆互联，每个微电网包括两个分布式电源，一个非线性负荷，统一连接至公共连接点pcc，分布式电源并网变流器的直流侧连接等效的直流电源，交流侧连接lcl滤波器，lcl滤波器由变流器侧滤波电感l1、电网侧滤波电感l2和滤波电容cf组成，非线性负荷为不控全桥整流电路；互联输电电缆中点有一个谐波电压检测器，每个微电网有一个微电网控制器，每个分布式电源有一个变流器控制器，各控制器之间的信息传输采用低带宽通信(lbc)；由于每个微电网的控制策略相同，每个分布式电源并网变流器的控制策略相同，因此本实施例以第一微电网、第一变流器为例说明本发明所提出的输电电缆谐波谐振抑制方法，包括以下步骤：

步骤一、位于输电电缆中点处的谐波电压检测器采集对应点谐波电压，并计算出各次谐波电压幅值cmid,kth，其中变量k代表谐波次数，k取大于等于3的奇数，工程技术人员可以根据需要选择合适的k值，之后将信息通过低带宽通信传递给两个微电网控制器，其中第一微电网控制器实现两个目标：第一微电网控制器将根据谐波电压水平计算第一变流器的谐波等效电阻rvk,mg1，同时根据功率调度指令p^*和q^*计算电压幅值补偿量δe与频率补偿量δω，后通过低带宽通信传递给变流器控制器，具体如下：

式(1)中，变量s为复频率，为k次谐波电压的限定值，kpk,mg1和kik,mg1为计算k次谐波等效电阻的比例系数和积分系数，式(2)中kpp和kip为计算频率补偿量δω的比例系数和积分系数，kpq和kiq为计算电压幅值补偿量δe的比例系数和积分系数，pmg1和qmg1为第一微电网输出有功功率与无功功率。本步骤将互联输电电缆中点处的谐波电压水平与谐波虚拟等效电阻对应起来，可以根据谐波情况实现自适应的谐波抑制。

步骤二、如图2所示，第一变流器控制器接收频率与电压幅值补偿量δω和δe后，通过下垂控制器产生基波电容电压参考其角频率参考ω^*与幅值参考e^*如下：

式(3)中，变量ω0为额定角频率，e0为额定电压幅值，dp,c1和dq,c1为有功下垂系数和无功下垂系数，，pc1和qc1为第一变流器实际输出的有功和无功功率，则基波电容电压参考为

第一变流器接收谐波等效电阻信息rvk,mg1后，通过如下方法生成谐波电容电压参考

式(4)中，变量为k次谐波电压参考，n为并联变流器台数，iloadk,mg1为第一微电网内负荷的k次谐波电流，ilk,c1为第一变流器输出的k次谐波电流。公式(4)为虚拟谐波电阻的具体实现过程。因此，第一变流器最终的电容电压参考为

步骤三、如图2所示，第一变流器电压跟踪控制器采用双环控制器，生成最终的参考电压vout,c1，具体如下：

式(5)中，变量为k次谐波电流参考，gouter(s)和ginner(s)为外环控制器和内环控制器，变量vc,c1为第一变流器电容电压，变量il,c1为第一变流器输出电流，外环控制器gouter(s)为比例-谐振控制器，变量kpv,c1为比例系数，变量kiv1,c1为基波谐振系数，变量kivk,c1为k次谐振系数，变量ωc为例谐振控制器带宽，内环控制器ginner(s)为比例控制器，为kinner,c1比例系数。

得到最终的参考电压vout,c1后，按照正弦脉宽调制或者空间矢量脉宽调制，得到开关管的占空比信号，从而控制第一变流器开关管的开通与关断；

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明针对两个微电网通过微电网互联的场景，通过自适应控制实时检测输电电缆中点谐波电压，在线调节虚拟谐波电阻，实现输电电缆谐波谐振主动抑制；与此同时，本发明所提控制方法能够根据功率调度指令实现两个微电网之间的功率传输。

图3-图8为本发明的仿真波形图，用matlab/simulink搭建如图1所示的仿真模型，对本发明提出的控制方法进行验证。其中图1所示的互联电缆由串联lc电路模拟，每段lc电路代表1km传输线，一共9km传输线。在仿真中k＝3,5,7,9。图3-图5验证了本发明的谐波抑制效果，图6-图8说明了本发明的功率动态响应情况。

图3为传统阻性有源电力滤波器抑制输电电缆谐振的波形图，第一通道为互联电缆始端x＝0处的电压波形v(0)，第二通道为互联电缆x＝3km处的电压波形v(3)，第三通道为互联电缆中点x＝4km处的电压波形v(4)，第四通道为互联电缆x＝7km处的电压波形v(7)。虽然输电电缆两侧存在谐波源，但是从第一通道可以看出，互联电缆始端x＝0处的电压波形良好。然而，从第二通道和第三通道可以说明，位于互联电缆中间位置的电压产生了明显的谐波畸变，这是由于互联电缆对特定次谐波产生了放大。虽然馈线两侧采用了阻性有源电力滤波器，但是谐波放大依然没有得到有效抑制。

图4为本发明抑制输电电缆谐振的波形图，第一通道为互联电缆始端x＝0处的电压波形v(0)，第二通道为互联电缆x＝3km处的电压波形v(3)，第三通道为互联电缆x＝4km处的电压波形v(4)，第四通道为互联电缆x＝7km处的电压波形v(7)。此时四个通道的波形质量都比较好，没有明显的谐波畸变，说明了本发明抑制输电电缆谐振的有效性。

为了量化图3与图4的电压波形质量，图5绘制了采用传统阻性有源电力滤波器方法与本发明所提控制方法时，互联电缆各位置的电压总谐波畸变率(thd)。当采用传统阻性有源电力滤波器方法时，谐波放大现象明显存在，互联电缆中间位置的谐波畸变率明显高于两端。而采用本发明所提控制方法时，谐波放大现象得到有效抑制，互联电缆各个位置的谐波畸变率均处于限值5％以下。

图6说明了两个微电网之间功率传输的动态响应情况。系统有功功率参考在2.5s时发生跳变，由1kw跳变至4kw。第一微电网有功功率pmg1经过1.3s的调节过程，最终达到稳态。而无功功率qmg1基本维持在一个稳定水平，没有发生明显变化。仿真结果说明了本发明所提的控制方法能够根据功率调度指令实现两个微电网之间的功率传输。

图7说明了功率动态响应过程中第一微电网的频率与pcc电压幅值的变化情况。在2.5s时由于功率参考发生跳变，第一微电网的频率也发生了约为0.15hz的跳变，经过1.3s的调节过程，最终稳定在49.73hz。在这个过程中，第一微电网pcc电压幅值基本维持在218.5v，没有发生明显变化。

图8为功率动态响应过程中输电电缆中点电压与第一微电网内部电流波形情况。第一通道为互联电缆中点x＝4处的电压波形v(4)，第二通道为第一微电网内部第一变流器输出电流il,c1，第三通道为第一微电网内部第二变流器输出电流il,c2，第四通道为第一微电网内部负荷iload,mg1。从第一通道可以看出，输电电缆中点电压波形良好，说明系统的功率动态调节时并不影响谐波治理效果，谐波控制与基波控制相互解耦。第二通道与第三通道波形相似，说明两个变流器的均流效果良好。第四通道说明系统中的谐波是由非线性负载引入的。

综上，本发明方法可以同时实现输电电缆谐波谐振主动抑制与互联微电网之间功率可控，是一个鲁棒性强、易于推广的互联微电网控制方法。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。