含三层控制策略的多端口变流装置电能质量综合治理方法与流程

本发明属于变流装置控制策略和电能质量治理领域，具体涉及含三层控制策略的多端口变流装置电能质量综合治理方法。

背景技术：

1、进入新世纪以来，我国新能源产业得到迅猛发展，配电网逐渐呈现出高比例可再生能源和电力电子器件以及负荷多元化等特点，从而导致配电网的弱电网特性愈发凸显。其中，由于谐波和无功不足所引发的电流谐波总畸变率攀升、电压偏差越限问题和三相不平衡度现象将严重影响配电网馈线中多端口电能质量，甚至导致系统发生振荡失稳等重大风险挑战。因此，配电网馈线中多端口电能质量问题将对电力系统稳定性和供电安全性带来严峻的挑战。

2、针对配电网馈线中多端口电能质量治理展开了广泛而深入的科学研究及工程探索，现有方法主要采用多端口并网变流装置。图1为多端口并网变流装置原理图。其中，可再生能源和前级变流器通常等效为直流电源udc，由6个绝缘栅双极型晶体管构成的逆变电路和1个l型滤波器经公共连接点并入电网。其中，利用非线性及不平衡载荷模拟公共连接点电能质量的影响因素。首先，基于并网有功指令p*计算并网有功电流ip*和多端口变流装置的容量裕度sm。其次，采用多目标优化算法根据负载电流il、网侧电压uga和多端口变流装置容量裕度sm计算补偿电流ic*，并结合并网有功电流获得参考电流i1*。最终，通过电流控制器实现多端口变流装置的并网发电和补偿功能。

3、基于多端口并网变流装置的分摊控制策略提出的谐波和无功负荷容量下垂控制能够有效改善配电网电能质量。但是，由于设计的补偿电流过于简化，从而无法保证足够的控制精度。基于电能质量综合评估提出的多端口并网变流装置控制策略。然而，控制策略无法保证并网有功功率最大化和投入补偿容量最小化，从而导致经济效益大幅降低。基于线性自抗扰控制和重复控制相结合的方式提出适用于多端口并网变流装置的下垂控制策略。然而，采用的电流内环结构无法兼顾响应速度和跟踪精度。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明旨在提供含三层控制策略的多端口变流装置电能质量综合治理方法，该方法适用于配电网馈线中多端口电能质量综合治理。

2、为实现本发明技术目标，采用如下技术方案：

3、一种含三层控制策略的多端口变流装置电能质量综合治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

4、步骤s1：进行计及非线性及不平衡载荷的配电网多馈线的负载电流检测，根据检测的配电网多馈线的负载电流计算无功电流分量、负序电流分量和谐波电流分量；

5、步骤s2：基于配电网多馈线的负载电流检测，设计考虑可再生能源并网有功功率、电能质量治理、投入补偿容量的多端口变流装置的三层控制策略；

6、步骤s3：基于三层控制策略的目标函数及约束条件，采用量子遗传算法求解多端口变流装置的补偿电流，实现配电网多馈线电能质量综合治理。

7、进一步的，所述步骤s1包括以下子步骤：

8、步骤s11：将负载电流il表示为：

9、il＝ih+ip+iq+in

10、式中，il为负载电流，ih为谐波电流分量，ip为正序有功电流分量，iq为正序无功电流分量，in为负序电流分量；

11、步骤s12：负载电流il中的基波正序有功电流分量ip(ipa、ipb、ipc的总称)表示为：

12、

13、式中，gp为三相瞬时正序有功等效电导的直流分量；步骤s13：负载电流il中的基波正序无功电流分量iq(iqa、iqb、iqc的总称)表示为：

14、

15、式中，gq为三相瞬时正序无功等效电导的直流分量；iq为iqa、iqb、iqc的总称；

16、步骤s14：根据检测的配电网多馈线的负载电流il，求解负序电流分量in，具体的，将负载电流il经过park变换、中心频率为2ω滤波和反park变换的方式获得负序电流分量in；

17、步骤s15：根据检测的配电网多馈线的负载电流il、正序有功电流分量ip、正序无功电流分量iq和获得的负序电流分量in，求解谐波电流分量ih；

18、ih＝il-ip-iq-in。

19、进一步的，所述步骤s2包括以下子步骤：

20、步骤s21：设计多端口变流装置的上层控制策略，上层控制策略以最小化可再生能源并网有功功率减小量为原则制定目标函数，多端口变流装置的上层控制策略的目标函数fu表示为：

21、

22、式中，n为可再生能源数量，δpk为可再生能源并网有功功率减小量；

23、可再生能源并网有功功率减小量δpk表示为：

24、δpk＝pkmax-pk

25、式中，pkmax为可再生能源并网有功功率，pk为补偿后可再生能源并网有功功率；

26、多端口变流装置的总容量为sm满足如下约束：

27、

28、式中，sp为可再生能源并网有功功率容量，sh为谐波治理容量，sr为无功补偿容量，su为三项不平衡容量；

29、同时，多端口变流装置的输出功率满足潮流约束：

30、

31、式中，pmi和qmi分别为节点i的有功功率和无功功率，pmj为节点j的有功功率，pli和qli分别为节点i处负荷消耗的有功功率和无功功率，vi和vi分别为节点i和j的电压，gij和bij分别为线路ij的电导和电纳；

32、此外，多端口变流装置的输出功率满足上限约束：

33、0≤pk≤pkmax

34、上述约束表明多端口变流装置的输出功率不允许超过可再生能源发出的最大功率；

35、步骤s22：设计多端口变流装置的中层控制策略，中层控制策略以最小化电流谐波总畸变率、电压偏差和三相不平衡度为原则制定目标函数，多端口变流装置的中层控制策略的目标函数fm表示为：

36、min fm＝min(fm1+fm2+fm3)

37、式中，fm1为电流谐波总畸变率目标函数，fm2为电压偏差目标函数，fm3为三相不平衡度目标函数；

38、电流谐波总畸变率目标函数fm1表示为：

39、

40、式中，δi为节点i的电流谐波畸变率，δn为电流谐波畸变率限值，ni为电流谐波畸变率或电压偏差未达标的节点数量；

41、节点i的电流谐波畸变率δi表示为：

42、

43、式中，ihi为节点i的谐波电流分量，i1i为节点i的基波电流分量；

44、节点i的谐波电流分量ihi表示为：

45、

46、式中，ihi为节点i的h次谐波电流分量，m为谐波的最高频次；

47、电压偏差目标函数fu2表示为：

48、

49、式中，γqi为节点i的无功系数；

50、节点i的无功系数γqi表示为：

51、

52、式中，iqi为节点i的无功电流分量；

53、三相不平衡度目标函数fm3表示为：

54、

55、式中，ini为节点i的负序电流分量；

56、多端口变流装置的谐波治理、无功补偿和三相平衡满足容量约束：

57、si≤kisni

58、式中，si为节点i的多端口变流装置的谐波治理、无功补偿和三相平衡总容量，ki为节点i的容量裕度安全系数，sni为节点i的多端口变流装置的额定容量；

59、上述约束表明多端口变流装置的谐波治理、无功补偿和三相平衡的总容量不允许超过多端口变流装置的总容量；

60、步骤s23：设计多端口变流装置的下层控制策略，下层控制策略以最小化投入补偿容量为原则制定目标函数，多端口变流装置的下层控制策略的目标函数fl表示为：

61、

62、式中，sc为投入补偿容量；

63、多端口变流装置的投入补偿容量满足容量约束：

64、

65、式中，sm为多端口变流装置的容量裕度，sn为多端口变流装置的额定容量，sp为多端口变流装置的可再生能源并网有功功率容量；

66、上述约束表明多端口变流装置的投入补偿容量不允许超过多端口变流装置的容量裕度。

67、进一步的，所述步骤s3包括以下子步骤：

68、步骤s31：基于量子态对染色体编码，初始化种群，并设置多端口变流装置参数；

69、步骤s32：测量种群中的所有个体，并将测量结果转化为二进制比特串；

70、步骤s33：根据二进制比特串计算种群中所有个体的目标函数；

71、步骤s34：根据目标函数计算结果，记录种群中最优个体；

72、步骤s35：判定种群中最优个体的目标函数是否满足收敛精度或是否达到最大迭代次数，若是，则输出补偿电流并结束量子遗传算法；若否，则进入步骤s36，种群将继续进化；

73、步骤s36：基于量子旋转门更新种群；

74、步骤s37：基于量子非门对种群执行量子变异操作，更新迭代后的种群进入步骤s32。

75、本发明相较于传统变流装置，在考虑多端口变流装置电能质量治理的同时兼顾了可再生能源并网有功功率和投入补偿容量，当分布式电源接入时，通过最小化可再生能源并网有功功率减小量、最小化电流谐波总畸变率、电压偏差和三相不平衡度、最小化投入补偿容量，解决了配电网可再生能源并网有功功率骤降、电能质量不理想和投入补偿容量过大的问题。