一种交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器的控制方法与流程

本发明涉及一种混合微电网，尤其涉及一种交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器的控制方法。

背景技术：

我们使用的设备可以分为交流负载和直流负载，以前主要使用交流负载，如今伴随着直流负载使用的越来越多，这样形成了交流设备和直流设备大量共存的局面。

在独立的交流微电网或直流微电网中均需要多重交直流变换来满足分布式电源和负荷的接入需求。同时交直流混合微电网中由于大量使用电力电子设备和非线性负载，尤其是在分布式发电中以光伏作为主要分布式电源的交直流混合微电网，极易受到光照、风力等自然条件的影响，产生谐波。

另外在交直流混合微电网中由于大量使用功率开关管，诸如绝缘栅双极晶体管(igbt)、电力场效应晶体管(mosfet)等器件，这些器件的工作环境极易受谐波的影响。由这些开关管构成的新型电能变换器可能无法正常工作，严重会引发短路，谐波还可能引起微电网直流侧电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命，可能存在的谐振问题还能导致电容器发生过电压过负荷而烧毁。交流母线中存在的谐波还会在直流母线产生相应的谐波电压，这样交流侧谐波就传递到直流侧，对于直流微电网的安全稳定运行产生很大的影响。

传统大电网有源电力滤波器治理谐波主要采用单周控制、滞环电流控制、空间矢量调制、无差拍控制、滑模控制、重复控制、模糊控制、自适应控制、迭代自学习控制、无源性控制、人工神经网络控制方法，这些控制只能进行单向谐波治理，但不能使混合微电网的能量双向流动。交直流混合微电网采用恒压恒频控制、虚拟同步发电机控制只能使混合微电网能量双向流动，但是不能治理混合微电网的谐波。

技术实现要素：

本发明为解决混合微电网谐波引起的电能质量问题，提供了一种交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器控制方法，该控制方法采用预测电流控制，不仅可以改善混合微电网电能质量，交流侧和直流分布式发电系统的多余能量还可以通过预测电流控制使6个绝缘栅双极晶体管s1、s2、s3、s4、s5和s6通过整流、逆变方式实现能量的双向流动。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明公开了一种交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器的控制方法，该控制方法采用预测电流控制，对所述交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器中的虚拟有源电力滤波器、交流母线ua、交流母线ub、交流母线uc、交流微电网和大电网进行能量交换，所述虚拟有源电力滤波器包括直流微电网、交直流双向变换器和控制系统，所述直流微电网包括直流分布式发电系统、隔离型双向dc/dc变换器和直流负载，所述交流微电网包括交流分布式发电系统、线性负载和非线性负载，所述控制系统包括三相电压传感器、三相电流传感器和三相电压电流采集模块、clark变换单元、功率计算单元、能量管理单元、参考电流单元、反clark变换单元、预测电流控制单元和spwm驱动单元，所述spwm驱动单元分别与所述交直流双向变换器中六个开关管s1、s2、s3、s4、s5和s6的栅极相连，该控制方法是由如下步骤实现的：

(a)将三相电压传感器采集的交流母线上的瞬时电压ua、ub、uc和三相电流传感器采集的交流母线上的瞬时电流ia、ib、ic，分别送到三相电压电流采集模块，经过clark变换单元得到静止坐标系αβ下的电压uα、uβ和电流iα、iβ，通过所述clark变换单元得到的uα、uβ如式(1)所示，通过所述clark变换单元得到的iα、iβ如式(2)所示；

(b)所述功率计算单元实时计算系统瞬时有功功率p和无功功率q，计算公式如式(3)所示；

(c)所得有功功率p和无功功率q进入能量管理单元，所述能量管理单元用于判断所述交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器是否需要进行能量交换，若所述能量管理单元判断所述直流分布式发电系统发的能量够直流负载使用，同时所述交流分布式系统发的能量也能够交流线性和非线性负载使用，则执行步骤(d)，若所述能量管理单元判断所述直流分布式发电系统发的能量够直流负载使用并且有多余，同时交流分布式发电系统发的能量不够交流线性负载和非线性负载使用，则执行步骤(e)，若所述能量管理单元判断所述直流分布式发电系统发的能量不够直流负载使用，同时所述交流分布式发电系统发的能量够交流线性负载和非线性负载使用并且有多余，则执行步骤(f)；

(d)所述虚拟有源电力滤波器进入有源电力滤波器模式，计算过程如式(4)：

(e)所述虚拟有源电力滤波器进入逆变模式，并进行交直流混合微电网能量交换，向交流微电网注入有功功率(pac)计算过程如下式(5)：

(f)所述虚拟有源电力滤波器进入整流模式，并进行交直流混合微电网能量交换，向直流微电网注入瞬时有功功率(pdc)，计算过程如式(6)：

(g)进入参考电流单元，计算得到iα的参考电流iα,ref和iβ的参考电流iβ,ref，计算过程如式(7)：

(h)对iα的参考电流iα,ref和iβ的参考电流iβ,ref进入反clark变换单元，所述反clark变换单元是将三相电流从αβ变换到abc的坐标系下，从而得到三相电流ia1,ref、ia2,ref和ref，所述ia1,ref＝ia,ia2,ref＝ib,ia3,ref＝ic。

(i)进,入预测电流控制单元,用abc坐标系下的动态方程表示电感(l1、l2和l3)左侧三相电压参考信号ua1,ref、ua2,ref、ua3,ref计算过程如式(8)：

(j)进行离散化处理，所述离散化处理是指将数学模型转换为数值模型求解时，用有限的离散量代替连续的变化量，并用差分方程代替微分方程的过程,以使预测更加准确，离散化处理公式如式(9)：

(k)离散化之后，从所述交直流双向变换器中l1、l2和l3左侧出现的三个电压参考信号ua1,ref、ua2,ref、ua3,ref分别与pwm三角载波信号相比较，产生spwm驱动信号，通过spwm驱动单元控制所述交直流双向变换器中六个开关管s1、s2、s3、s4、s5和s6导通或关断。

进一步的，所述直流分布式发电系统是燃料电池、飞轮储能系统、超极电容储能系统、蓄电池或光伏发电中的任一种。

进一步的，所述交直流双向变换器中六个开关管s1、s2、s3、s4、s5和s6均采用绝缘栅双极晶体管igbt。

通过上述控制方法，能使交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器工作于三种模式，分别是有源电力滤波器(apf)模式、整流模式、逆变模式，有源电力滤波器(apf)模式只能通过补偿无功，滤除混合微电网的谐波，改善电能质量；整流模式和逆变模式不仅可以使交直流混合微电网能够进行能量双向流动，还可以通过补偿无功，滤除混合微电网的谐波，改善电能质量。

本发明具有以下有益效果：

1、可以改善混合微电网电能质量；

2、实现交流设备和直流设备大量共存，满足独立交流微电网或直流微电网中均需要多重交直流变换来满足分布式电源和负荷的接入需求；

3、交流分布式发电系统和直流分布式发电系统中的多余能量，可以通过虚拟有源电力滤波器整流方式、逆变方式使能量实现双向流动，解决混合微电网谐波引起的电能质量问题。

附图说明

图1为交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器的拓扑结构图；

图2为隔离型双向dc/dc变换器的拓扑结构图；

图3为交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器的控制方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

一种交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器的控制方法，该控制方法采用预测电流控制，对所述交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器中的虚拟有源电力滤波器、交流母线ua、交流母线ub、交流母线uc、交流微电网和大电网进行能量交换，如图1所示，所述虚拟有源电力滤波器包括直流微电网、交直流双向变换器和控制系统，所述直流微电网包括直流分布式发电系统、隔离型双向dc/dc变换器和直流负载，所述交流微电网包括交流分布式发电系统、线性负载和非线性负载，所述交直流双向变换器包括直流侧电容c、六个开关管s1、s2、s3、s4、s5、s6和三个电感l1、l2和l3；

如图2所示，所述隔离型双向dc/dc变换器包括第一直流电容c1、第二直流电容c2、第一全桥变换器、第二全桥变换器、变压器t和辅助电感l4，所述第一全桥变换器包括四个开关管s7、s8、s9和s10，所述第二全桥变换器包括四个功率开关管q1、q2、q3和q4，所述s1、s3和s5的集电极相连，所述s2、s4和s6的发射极相连，所述s1的发射极与s4的集电极相连，所述s3的发射极与s6的集电极相连，所述s5的发射极与s2的集电极相连，所述s7和s9的集电极相连，所述s8和s10的发射极相连，所述s7的发射极与s8的集电极相连，所述s9的发射极与s10的集电极相连，所述q1和q3的集电极相连，所述q2和q4的发射极相连，所述q1的发射极与q2的集电极相连，所述q3的发射极与q4的集电极相连；

如图2所示，所述直流分布式发电系统输出端分别与第一直流电容c1两端相连，所述第一直流电容c1一端与s7的集电极相连，所述第一直流电容c1另一端与s8的发射极相连，所述辅助电感l4一端与s7的发射极相连，所述辅助电感l4另一端与变压器t一次侧一端相连，所述变压器t一次侧另一端与s9的发射极相连，所述变压器t二次侧一端与q1的发射极相连，所述变压器二次侧另一端与q3的发射极相连，所述第二直流电容c2一端与q3的集电极相连，所述第二直流电容c2另一端与q4的发射极相连，所述第二直流电容c2两端还与直流负载输入端相连，所述直流负载输出端分别与所述直流侧电容c正端和负端相连，所述直流侧电容c正端还与所述s1的集电极相连，所述直流侧电容c负端还与所述s4的发射极相连，所述l1一端与所述s1发射级相连，所述l1另一端接交流母线ua，所述l2一端与所述s3发射级相连，所述l2另一端接交流母线ub，所述第三电感l3一端与所述第五开关管s5发射级相连，所述第三电感l3另一端接交流母线uc，所述交流母线ua、交流母线ub、交流母线uc还分别与大电网、交流分布式发电系统、线性负载和非线性负载相连；

如图1所示，所述控制系统包括三相电压传感器、三相电流传感器和三相电压电流采集模块、clark变换单元、功率计算单元、能量管理单元、参考电流单元、反clark变换单元、预测电流控制单元和spwm驱动单元，所述spwm驱动单元分别与所述交直流双向变换器中六个开关管s1、s2、s3、s4、s5和s6的栅极相连，如图3所示，该控制方法是由如下步骤实现的：

(a)将三相电压传感器采集的交流母线上的瞬时电压ua、ub、uc和三相电流传感器采集的交流母线上的瞬时电流ia、ib、ic，分别送到三相电压电流采集模块，经过clark变换单元得到静止坐标系αβ下的电压uα、uβ和电流iα、iβ，通过所述clark变换单元得到的uα、uβ如式(1)所示，通过所述clark变换单元得到的iα、iβ如式(2)所示；

(b)所述功率计算单元实时计算系统瞬时有功功率p和无功功率q，计算公式如式(3)所示；

(c)所得有功功率p和无功功率q进入能量管理单元，所述能量管理单元用于判断所述交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器是否需要进行能量交换，若所述能量管理单元判断所述直流分布式发电系统发的能量够直流负载使用，同时所述交流分布式系统发的能量也能够交流线性和非线性负载使用，则执行步骤(d)，若所述能量管理单元判断所述直流分布式发电系统发的能量够直流负载使用并且有多余，同时交流分布式发电系统发的能量不够交流线性负载和非线性负载使用，则执行步骤(e)，若所述能量管理单元判断所述直流分布式发电系统发的能量不够直流负载使用，同时所述交流分布式发电系统发的能量够交流线性负载和非线性负载使用并且有多余，则执行步骤(f)；

(d)所述虚拟有源电力滤波器进入有源电力滤波器模式，此时非线性负载是谐波源并产生谐波，通过能量管理单元判断不需要进行直流微电网与交流微电网的有功交换，通过补偿无功q，滤除交流微电网非线性负载产生的谐波，计算过程如式(4)：

(e)所述虚拟有源电力滤波器进入逆变模式，并进行交直流混合微电网能量交换，向交流微电网注入有功功率(pac)，此时非线性负载是谐波源并产生谐波，通过能量管理单元判断需要进行直流微电网与交流微电网的有功交换，同时通过补偿无功q滤除交流微电网非线性负载产生的谐波，计算过程如下式(5)：

(f)所述虚拟有源电力滤波器进入整流模式，并进行交直流混合微电网能量交换，向直流微电网注入瞬时有功功率(pdc)，此时非线性负载是谐波源并产生谐波，通过能量管理单元判断需要进行直流微电网与交流微电网的有功交换，同时通过补偿无功q滤除交流微电网非线性负载产生的谐波，计算过程如式(6)：

(g)进入参考电流单元，计算得到iα的参考电流iα,ref和iβ的参考电流iβ,ref，计算过程如式(7)：

(h)对iα的参考电流iα,ref和iβ的参考电流iβ,ref进入反clark变换单元，所述反clark变换单元是将三相电流从αβ变换到abc的坐标系下，从而得到三相电流ia1,ref、ia2,ref和ia3,ref，所述ia1,ref＝ia,ia2,ref＝ib,ia3,ref＝ic。

(i)进入预测电流控制单元,用abc坐标系下的动态方程表示电感(l1、l2和l3)左侧三相电压参考信号ua1,ref、ua2,ref、ua3,ref，计算过程如式(8)：

(j)进行离散化处理，所述离散化处理是指将数学模型转换为数值模型求解时，用有限的离散量代替连续的变化量，并用差分方程代替微分方程的过程,以使预测更加准确，离散化处理公式如式(9)：

(k)离散化之后，从所述交直流双向变换器中l1、l2和l3左侧出现的三个电压参考信号ua1,ref、ua2,ref、ua3,ref分别与pwm三角载波信号相比较，产生spwm驱动信号，通过spwm驱动单元控制所述交直流双向变换器中六个开关管s1、s2、s3、s4、s5和s6导通或关断。

所述直流分布式发电系统是燃料电池、飞轮储能系统、超极电容储能系统、蓄电池或光伏发电中的任一种。

所述交直流双向变换器中六个开关管s1、s2、s3、s4、s5和s6、所述第一全桥变换器中四个开关管s7、s8、s9和s10、所述第二全桥变换器中四个功率开关管q1、q2、q3和q4均采用绝缘栅双极晶体管igbt。

通过上述控制方法，能使交直流混合微电网虚拟有源电力滤波器工作于三种模式，分别是有源电力滤波器(apf)模式、整流模式、逆变模式，有源电力滤波器(apf)模式只能通过补偿无功，滤除混合微电网的谐波，改善电能质量；整流模式和逆变模式不仅可以使交直流混合微电网能够进行s能量双向流动，还可以通过补偿无功，滤除混合微电网的谐波，改善电能质量。