一种孤岛微电网中均分谐波功率的方法

本发明涉及微电网运行控制技术领域，尤其涉及一种孤岛微电网中均分谐波功率的方法。

背景技术：

随着煤炭、石油等化石能源的逐渐枯竭，全球进入大规模开发利用新能源的关键时期。但这些可再生能源都有着地域的限制，有着明显的分散性和不稳定性。这些分散的新能源大部分都通过分布式发电接入到配电网中。微电网是将多种分布式电源、分布式储能、负载以及相关的监控保护装置构成的区域自治型电网系统。它为新能源分布式发电的使用提供了一种新的方式。微电网可分为并网型微电网和孤岛型微网。并网型微电网与大电网通过单点相连，进行功率的传输。而孤岛型微电网由于失去大电网电压和频率的支撑，等效惯性小，易受扰动影响，控制较为困难。

通常，含电力电子接口的分布式电源在微电网内并联运行，微电网应用中面临的主要问题之一是由于非线性负载和逆变器脉宽调制引起的谐波，这将对电能质量产生极大的影响。传统上采用下垂控制来提高微电网系统的灵活性、冗余性和可扩展性，但是它也存在一些重大的局限性：1)即使分布式电源完全相同，由于线路阻抗的不一致性，无功和谐波功率分配也很差；2)频率和电压幅值与额定值存在偏差。此外，非线性负载的广泛使用不可避免地会产生电压失真，这会降低系统性能，尤其是在微电网中存在关键负载时更为突出。

目前已经提出了一些用于谐波功率均分和降低失真的方法，但是它们中的大多数遭受电压质量恶化，参数依赖性高或控制回路复杂的困扰。而且该领域中的大部分失真抑制是基于pcc的电压来进行的，对分布式电源本地输出电压的相应研究不足。pcc电压中的谐波衰减可以在一定程度上减小输出电压失真，但是不能保证输出电压的总谐波失真低于5％这一国家标准。并且由于本地谐波电压完全抑制和谐波功率均分之间存在矛盾性，没有任何一种策略能够同时解决精确的谐波功率共享和输出失真补偿问题。因此，需要一种控制方案来以灵活，简单和有效的方式改善并行分布式电源的这些电能质量问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是考虑分布式电源输出侧存在非线性负载的情况下如何在分布式电源之间精确的按容量均分谐波功率，同时有效抑制输出电压的谐波，并完成无功功率均分和电压幅值的恢复，从而提高了微电网的电能质量。

本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种孤岛微电网中均分谐波功率的方法，包括如下步骤：

步骤a：通过分布式电源的本地控制器采集本地电压电流信息，经下垂控制得到基波电压参考值，并基于分布式通信网络和一致性算法计算得到各分布式电源无功按容量均分所需的补偿量和将全局平均电压恢复到正常值所需的补偿量；

步骤b：经基波控制环路，电压外环和电流内环双环的计算得到基波电压调制波；

步骤c：基于多次谐波观测器，经过并联的谐波控制环节，通过分布式平均一致性算法和牵制的方法得到满足谐波功率均分补偿量和谐波电压恢复补偿量，将各次谐波补偿量相加，得到谐波补偿总量；

步骤d：将基波电压调制波和谐波补偿总量相叠加，经过spwm调制方法得到逆变器的spwm控制信号。

进一步的，所述步骤a中得到基波电压参考值vi^f的方法包括如下步骤：

步骤a01：按照以下控制方法，计算得到分布式电源输出电压基波的角频率参考值ωi和幅值参考值vi：

其中，下标i表示第i台分布式电源；ωi和vi分别是分布式电源输出电压基波的角频率参考值和幅值参考值；ωni和vni分别是额定电压角频率和额定幅值；pi和qi分别是通过本地电压电流计算得到的逆变器输出的有功功率和无功功率；mi和ni分别是频率和电压的下垂系数。

步骤a02：基于分布式通信网络，用一致性算法计算各分布式电源无功按容量均分所需的补偿量uqi：

其中，其中aij是分布式通信拓扑的邻接元素，aij>0表示dgi可以接收来自dgj的信息，否则aij＝0；kqp和kqi是pi控制器的比例项和积分项；cq是耦合增益；ni表示与第i台分布式电源相连的集合。

步骤a03：基于动态一致性观测器，计算将全局平均电压恢复到正常值所需的补偿量uvi：

其中,是全局平均电压；vio是分布式电源输出电压幅值；ce是增益系数；kvi是电压积分项；vref是预期收敛的参考电压。

步骤a04：将各分布式电源无功按容量均分所需的补偿量uqi和将全局平均电压恢复到正常值所需的补偿量uvi相加得到基波所需的补偿量，加上下垂环节，基波电压的参考值vi^f可表示为：

vi^f＝vni-niqi+uqi+uvi式(4)

进一步的，所述步骤b中得到基波电压调制波ui^f的方法包括如下步骤：

步骤b01：建立基波控制环路中的电压外环控制模型：

其中，和分别表示分布式电源输出电流在dq坐标系下的参考值；kup和kui分别表示电压外环的pi控制器参数；viod和vioq分别表示分布式电源输出电压在dq坐标系下的参考值；cf表示分布式电源连接的lc滤波器的电容值。

步骤b02：建立基波控制环路中的电流内环控制模型：

其中，和分别表示分布式电源基波电压调制波在dq坐标系下的值；kip和kii分别表示电流内环的pi控制器参数；iiod和iioq分别表示分布式电源输出电流在dq坐标系下的参考值；lf表示分布式电源连接的lc滤波器的电感值。

步骤b03：将和经过反park变换得到三相坐标系下的基波电压调制波ui^f。

进一步的，所述步骤c中得到谐波功率均分补偿量的方法包括如下步骤：

步骤c01：基于多次谐波观测器(mhsco)，提取分布式电源输出电压和电流中的谐波分量：

其中，是所研究的电流或电压的h次谐波的观测值；vk是输入变量；ω和ωc别是基频和截止频率；ts是采样周期；m是估计的主要谐波数量。

步骤c02：通过提取出的准确谐波分量计算谐波功率：

其中，和是基波电压和谐波输出电流的真实值；和分别是在d和q轴上提取的h次谐波电流。

步骤c03：遵循一致性原则，可以通过比较分布式电源及其紧邻节点的本地谐波功率信息来达到谐波功率均分，按如下公式计算满足h次谐波功率均分的补偿量：

其中，ci和cj是与第i台和第j台分布式电源容量成反比的参数；khp和khi是谐波功率均分控制器的比例项和积分项。

进一步的，所述步骤c中，通过以下公式计算得到谐波电压恢复补偿量

其中，是h频率的谐波电压参考；vi^f和vi^h是由mhsco获得的基波和第h次谐波电压；是选择的h次谐波失真的参考值；hdmax是谐波失真的最大允许变化，通常选择为5％；gi指示第i个dg是否优先，gi＝1表示关键负载已连接到dgi，否则gi＝0；khvi是谐波电压控制器的积分项。注意，的选择至关重要。通常，对于存在关键负载的总线，选择为0％，如果所有hd都在hdmax范围内，则可以实现谐波电压控制。如果某个非关键总线偏离了限制，则的选择将放宽，从而使所有线路上的hd都在hdmax范围内。在式(10)中，首先保证了含关键负载的总线的电能质量，并且所有电压thd都可以保持在[0，hdmax]之内。

进一步的，所述步骤c中，各次分布式谐波控制器是并联运行的，各次谐波补偿量通过电流环并叠加得到谐波补偿总量

其中，是不同频率下的电流内环传递函数，其具有滤波电感器电流反馈，可快速响应。

进一步的，所述步骤d中，将基波电压调制波和谐波补偿总量相加，然后经过spwm调制得到逆变器的控制信号。

有益效果：本发明公开了一种孤岛微电网中均分谐波功率的方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：本发明所设计的孤岛微电网中分布式均分谐波功率的方法，考虑了谐波功率均分和谐波电压抑制之间的矛盾性，提出来一种能够保证谐波负载功率准确分配且能在要求范围内补偿本地电压畸变的控制方案；本发明引入多个谐波序列分量观测器，可以使各次谐波同时并联处理；本发明基于一致性的算法，为微电网灵活的即插即用操作提供了便利。提高了孤岛微电网的控制性能，提高了电能质量。

附图说明

图1是本发明所设计的孤岛微电网分布式均分谐波功率和抑制谐波电压方法的流程图；

图2是本发明实施例中采用的微电网仿真系统；

图3是微电网中各分布式电源输出电压控制效果图；

图4是微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图；

图5是微电网中各分布式电源输出五次谐波功率的控制效果图；

图6是微电网中各分布式电源输出七次谐波功率的控制效果图；

图7a是分布式电源1仅存在下垂控制时的输出电压波形；

图7b是分布式电源2仅存在下垂控制时的输出电压波形；

图7c是分布式电源3仅存在下垂控制时的输出电压波形；

图8a是分布式电源1在投入谐波电压抑制时的输出电压波形；

图8b是分布式电源2在投入谐波电压抑制时的输出电压波形；

图8c是分布式电源3在投入谐波电压抑制时的输出电压波形；

图9a是分布式电源1在投入所提出控制策略时的输出电压波形；

图9b是分布式电源2在投入所提出控制策略时的输出电压波形；

图9c是分布式电源3在投入所提出控制策略时的输出电压波形；

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

本发明设计了一种孤岛微电网中均分谐波功率的方法，实际应用当中，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤a：通过分布式电源的本地控制器采集本地电压电流信息，经下垂控制得到基波电压参考值，接着基于分布式通信网络和一致性算法计算得到满足基波电压恢复至正常值和各分布式电源无功按容量均分的补偿量，然后进入步骤b；

上述步骤a中，按如下步骤a01至步骤a04，计算得到基波电压的参考值：

步骤a01：按照以下控制方法：

计算得到分布式电源输出电压的幅值和频率参考值；其中，下标i表示第i台分布式电源；ωi和vi分别是分布式电源输出电压基波的角频率参考值和幅值参考值；ωni和vni分别是额定电压角频率和额定幅值；pi和qi分别是通过本地电压电流计算得到的逆变器输出的有功功率和无功功率；mi和ni分别是频率和电压的下垂系数。

步骤a02：基于分布式通信网络和一致性算法：

计算各分布式电源无功均分所需的补偿量uqi；其中，其中aij是分布式通信拓扑的邻接元素，aij>0表示dgi可以接收来自dgj的信息，否则aij＝0；kqp和kqi是pi控制器的比例项和积分项；cq是耦合增益；ni表示与第i台分布式电源相连的集合。

步骤a03：基于动态一致性观测器：

计算将全局平均电压恢复所需的补偿量uvi；其中,是全局平均电压；vio是分布式电源输出电压幅值；ce是增益系数；kvi是电压积分项；vref是预期收敛的参考电压。

步骤a04：将无功均分补偿量和全局电压恢复补偿量相加得到基波所需的补偿量，加上下垂环节基波电压的参考值可表示为：

vi^f＝vni-niqi+uqi+uvi式(4)

步骤b：经基波控制环路，电压外环和电流内环双环的计算得到基波电压调制波，然后进入步骤c；

上述步骤b中，按如下步骤b01至步骤b03，计算得到基波电压的调制波：

步骤b01：建立基波控制环路中的电压外环控制模型：

其中，和分别表示分布式电源输出电流在dq坐标系下的参考值；kup和kui分别表示电压外环的pi控制器参数；viod和vioq分别表示分布式电源输出电压在dq坐标系下的参考值；cf表示分布式电源连接的lc滤波器的电容值。

步骤b02：建立基波控制环路中的电流内环控制模型：

其中，和分别表示分布式电源基波电压调制波在dq坐标系下的值；kip和kii分别表示电流内环的pi控制器参数；iiod和iioq分别表示分布式电源输出电流在dq坐标系下的参考值；lf表示分布式电源连接的lc滤波器的电感值。

步骤b03：将和经过反park变换得到三相坐标系下的调制波ui^f。

步骤c：基于多次谐波观测器，经过并联的谐波控制环节，通过分布式平均一致性算法和牵制的方法得到满足谐波功率均分和谐波电压恢复的补偿量，将各次谐波补偿量相加，得到谐波补偿总量，然后进入步骤d；

上述步骤c中，按如下步骤c01至步骤c03，计算得到谐波功率均分补偿量：

步骤c01：基于多次谐波观测器(mhsco)，提取分布式电源输出电压和电流中的谐波分量：

其中，是所研究的电流或电压的h次谐波的观测值；vk是输入变量；ω和ωc别是基频和截止频率；ts是采样周期；m是估计的主要谐波数量。

步骤c02：通过提取出的准确谐波分量计算谐波功率：

其中，和是基波电压和谐波输出电流的真实值；和分别是在d和q轴上提取的h次谐波电流。

步骤c03：遵循一致性原则，可以通过比较分布式电源及其紧邻节点的本地谐波功率信息来达到谐波功率均分，按如下公式：

计算满足h次谐波功率均分的补偿量；其中，ci和cj是与第i台和第j台分布式电源容量成反比的参数；khp和khi是谐波功率均分控制器的比例项和积分项。

针对本地谐波电压，根据如下公式：

获得谐波电压抑制的补偿量；其中，是h频率的谐波电压参考；vi^f和vi^h是由mhsco获得的基波和第h次谐波电压；是选择的h次谐波失真的参考值；hdmax是谐波失真的最大允许变化，通常选择为5％；gi指示第i个dg是否优先，gi＝1表示关键负载已连接到dgi，否则gi＝0；khvi是谐波电压控制器的积分项。注意，的选择至关重要。通常，对于存在关键负载的总线，选择为0％，如果所有hd都在hdmax范围内，则可以实现谐波电压控制。如果某个非关键总线偏离了限制，则的选择将放宽，从而使所有线路上的hd都在hdmax范围内。在式(10)中，首先保证了含关键负载的总线的电能质量，并且所有电压thd都可以保持在[0，hdmax]之内。

针对各次分布式谐波控制器是并联运行的，将各次谐波补偿量通过电流控制环路并叠加，根据如下公式：

获得谐波补偿总量；其中，是不同频率下的电流内环传递函数，其具有滤波电感器电流反馈，可快速响应。

步骤d：将基波电压调制波和谐波补偿总量相叠加，经过spwm调制方法得到逆变器的spwm控制信号。

将上述所设计技术方案应用到实际当中，仿真系统如图2所示，微电网由三个分布式电源组成，dg1,dg2和dg3通过各自的连接阻抗连接于公共端(pcc)，其中三个dg带有不同大小的本地非线性负载。三个分布式电源的额定有功无功容量相等，公共端负载采用阻抗型负载。根据本发明实施例的孤岛微电网分布式均分谐波功率和抑制谐波电压的方法，并基于matlab/simulink平台搭建仿真微电网模型，验证本发明方法的控制效果。

如图3至图9所示为本实施例中微电网控制的仿真结果。开始运行时，各分布式电源运行于下垂控制模式。为了显示谐波功率均分和本地谐波抑制的矛盾性，4s时仅投入谐波电压抑制策略，然后在7s时投入所提出的策略。仿真结果如图3至图9所示，其中，图3为微电网中各分布式电源输出电压控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示输出电压，单位：伏。由图3可知，最初在下垂控制作用下，各分布式电源与额定值有偏差，7s后在基波电压恢复控制下，输出电压的平均值提升到了额定电压值。图4为微电网中各分布式电源输出无功功率控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：乏。如图4所示，最初各分布式电源输出的无功并没有达到按容量均分，在7s后在无功功率均分的控制下，各分布式电源输出的无功功率达到了一致值。图5为微电网中各分布式电源输出五次谐波功率的控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：瓦。4s时在谐波电压完全抑制策略投入后，各分布式电源输出的谐波功率大增，且并不按容量均分，7s时在谐波功率均分策略投入后，各分布式电源输出的五次谐波功率达到了一致值。图6为微电网中各分布式电源输出七次谐波功率的控制效果图，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示无功功率，单位：瓦。4s时在谐波电压完全抑制策略投入后，各分布式电源输出的谐波功率大增，且并不按容量均分，7s时在谐波功率均分策略投入后，各分布式电源输出的七次谐波功率达到了一致值。

从图3至图6可以看出，在开始运行时，电压幅值，无功和谐波功率均分均失败。图7分别为各分布式电源仅存在下垂控制时的输出电压波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示电压，单位：伏。如图7所示，在运行谐波抑制方案之前，每个分布式电源的输出电压都会失真，其总谐波失真(thd)分别为6.7％，7.8％和6.93％，超出标准限制5％。在第二阶段，图8为各分布式电源在投入谐波电压抑制时的输出电压波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示电压，单位：伏。如图8所示，各分布式电源输出的谐波被大大抑制，分别为1.44％，1.81％和2.01％，从理论上讲，电压thd可以降低到零；但是，在此实施例仅考虑5和7次谐波电压控制器，不包括所有谐波的控制器。同时，在[4s，7s]期间，不良的谐波功率分配严重加剧，如图5和图6所示，这显示了谐波功率均分和本地谐波电压抑制之间的矛盾性。对于7s之后的第三阶段，图9为各分布式电源在投入所提出控制策略时的输出电压波形，横坐标表示时间，单位：秒，纵坐标表示电压，单位：伏。如图3至图6所示，在短暂的瞬态持续时间后，输出电压随平均值增加至额定值，并且消除了谐波功率分配误差。将分布式电源3的电压thd作为优先总线，然后分布式电源1和分布式电源2的电压向其靠拢，分布式电源1和分布式电源2的输出电压thd分别从1.44％增加到2.08％，从1.81％增加到3.62％，这仍然在可接受的范围内。因此，验证了所提出的谐波控制方案的有效性。

本发明所提出的孤岛微电网分布式均分谐波功率和抑制谐波电压的控制方法，考虑了谐波功率均分和谐波电压抑制之间的矛盾性，提出来一种能够保证谐波负载功率准确分配且能在要求范围内补偿本地电压畸变的控制方案，为谐波功率均分和本地谐波电压抑制提供了一种全面的方法；本发明引入多个谐波序列分量观测器，可以使各次谐波同时并联处理；本发明基于一致性的算法，为微电网灵活的即插即用操作提供了便利。提高了孤岛微电网的控制性能，提高了电能质量。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中所描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。