一种面向多馈线台区的光储充-UPQC全局协同控制与电能质量治理方法及系统

本发明涉及电能质量治理，具体涉及一种面向多馈线台区的光储充-upqc全局协同控制与电能质量治理方法及系统。

背景技术：

1、随着新型电力系统建设的推进，分布式光伏、储能装置、电动汽车充电桩及大量电力电子负荷接入低压配电台区，台区运行由传统单向供电转变为源网荷储充多元耦合运行。在多馈线台区中，多条馈线共用配电变压器和低压母线，不同馈线上的光伏出力、充电负荷和非线性负荷具有随机性和波动性，易引起电压暂降、暂升、谐波畸变、无功不足、功率因数降低及三相不平衡等问题，其中谐波畸变等电能质量指标已由国家推荐性标准规定限值，如文献[1]中的记载。由于各馈线经公共连接点相互耦合，某一馈线的无功波动、谐波注入或充电负荷突变，可能通过公共母线影响其他馈线，使电能质量问题呈现多源扰动、多目标耦合和跨馈线传播的特征。

2、现有电能质量治理设备主要包括无源滤波器、有源电力滤波器、动态电压恢复器、静止无功发生器以及统一电能质量调节器（upqc）等，如文献[2]中的记载。其中，无源滤波器补偿频谱固定、易受系统阻抗影响，适应性较差；有源电力滤波器主要用于治理谐波和无功；动态电压恢复器侧重电压暂降补偿；静止无功发生器主要用于无功调节。上述装置功能各有侧重，若针对不同电能质量问题分别独立配置，不仅投资和运维成本较高，还容易因缺少协调控制而产生补偿冲突。

3、upqc由串联补偿单元、并联补偿单元和公共直流母线组成，兼具电压补偿、谐波治理、无功补偿和直流母线稳定等功能，在先专利文献已公开其基本电路结构及串并联补偿控制方法，如文献[3]中的记载。但现有技术多以单台upqc或单个公共连接点为治理对象，侧重于局部电压或电流质量治理，难以适应多馈线台区内光伏、储能、充电桩、非线性负荷与upqc之间的功率、电压、谐波和能量耦合关系；且在深度电压暂降等需要持续有功支撑的工况下，受直流侧储能容量限制，其补偿能力有限。

4、为提升upqc的新能源消纳与有功支撑能力，已有技术将光伏发电单元或储能装置接入upqc直流侧，如文献[4]中的记载。但此类方案多为并网功能与电能质量治理功能的简单叠加，且光伏逆变器、储能变流器、充电桩和upqc通常采用相对独立的本地控制方式，缺少统一的台区级协调控制与多目标优化分配机制，难以同时兼顾电压稳定、谐波抑制、无功补偿、三相不平衡治理、直流母线电压稳定和储能荷电状态约束。因此，亟需提出一种面向多馈线台区的光储充-upqc全局协同控制与多目标电能质量治理方法。

5、参考文献：

6、文献[1]:国家技术监督局. gb/t 14549—1993 电能质量 公用电网谐波[s]. 北京: 中国标准出版社, 1993.

7、文献[2]:王兆安, 杨君, 刘进军, 等. 谐波抑制和无功功率补偿[m]. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2005.

8、文献[3]:fujita h, akagi h. the unified power quality conditioner: theintegration of series- and shunt-active filters[j]. ieee transactions onpower electronics, 1998, 13(2): 315-322.

9、文献[4]:jindal a k, ghosh a, joshi a. interline unified power qualityconditioner[j]. ieee transactions on power delivery, 2007, 22(1): 364-372.

技术实现思路

1、针对现有电能质量治理以单馈线、单装置局部补偿为主、难以适应多馈线台区源网荷储充耦合运行的不足。本发明提供一种面向多馈线台区的光储充-upqc全局协同控制与电能质量治理方法及系统，以多馈线upqc装置为核心，通过公共直流母线将光伏、电池-超级电容混合储能与充电桩进行能量耦合，并采用台区级分层协同控制架构统一求解补偿与功率分配指令，实现电压、谐波、无功、三相不平衡及直流母线电压的多目标全局协同治理。

2、本发明采取的技术方案为：

3、一种面向多馈线台区的光储充-upqc全局协同控制与电能质量治理方法，包括以下步骤：

4、s1：采集各条馈线的电压和电流、公共直流母线的电压、光伏出力、充电负荷功率以及混合储能单元的荷电状态，构建台区全局状态向量；

5、s2：根据台区全局状态向量计算各项电能质量指标，所述电能质量指标包括各馈线的电压偏差、电流总谐波畸变率和三相电压不平衡度，以及无功功率、直流母线电压偏差和储能荷电状态；

6、s3：将各项所述电能质量指标分别与对应的设定限值进行比较，判断是否发生越限；若均未越限，则维持当前运行状态，并返回s1；

7、s4：若任一所述电能质量指标越限，则以各项所述电能质量指标为优化目标建立多目标优化模型，并在约束条件下求解多目标优化模型，得到各串联补偿单元的串联补偿电压指令、公共并联补偿单元的补偿电流指令、光伏功率指令、混合储能功率指令以及充电负荷调节指令；

8、s5：将各指令对应下发至各串联补偿单元、公共并联补偿单元、以及光伏阵列、混合储能单元和充电桩各自的变换器执行，使各串联补偿单元向对应馈线注入补偿电压、公共并联补偿单元向低压公共母线注入补偿电流、混合储能单元经公共直流母线释放或吸收功率；

9、s6：采集执行后的运行状态反馈，更新台区全局状态向量，并返回s1进入下一控制周期，实现滚动优化控制。

10、所述s1中，所述混合储能单元包括电池储能和超级电容，所述电池储能和超级电容分别经各自的双向dc/dc变换器接入公共直流母线；所述s1包括：

11、s1.1：在第k个控制周期，同步采集三条馈线的电压、、和电流、、、三条馈线的电流总谐波畸变率、、以及三相电压不平衡度，并采集公共直流母线的电压、光伏出力、充电负荷功率、所述电池储能的荷电状态（soc）和所述超级电容的荷电状态；

12、s1.2：以s1.1采集的各状态量为元素，按固定排列顺序构建台区全局状态向量：

13、；

14、式中，为第k个控制周期的台区全局状态向量，、、分别为三条馈线的电压，、、分别为三条馈线的电流，、、分别为三条馈线的电流总谐波畸变率，为三相电压不平衡度，为公共直流母线的电压，为光伏出力，为充电负荷功率，、分别为电池储能和超级电容的荷电状态。

15、所述s2包括：

16、2.1：对台区全局状态向量中的各馈线电压和电流进行基波与各次谐波分解，并对分解得到的基波电压进行对称分量分解，获得各馈线的基波电压有效值、基波电流有效值、各次谐波电流有效值以及正序电压分量和负序电压分量；

17、2.2：基于2.1获得的基波电压有效值，计算各馈线的电压偏差指标：

18、；

19、式中，为第条馈线的电压偏差指标，为第条馈线的基波电压有效值，为额定电压，为馈线序号，i=1,2,3；

20、2.3：基于2.1获得的基波电流有效值和各次谐波电流有效值，计算各馈线的电流总谐波畸变率：

21、；

22、式中，为第条馈线的电流总谐波畸变率，为第条馈线的基波电流有效值，为第条馈线的第h次谐波电流有效值，h为参与计算的最高谐波次数；

23、s2.4：基于2.1获得的正序电压分量和负序电压分量，计算三相电压不平衡度：

24、；

25、式中，为正序电压分量，为负序电压分量。

26、所述s3包括：

27、s3.1：将s2计算得到的各馈线的电压偏差指标、电流总谐波畸变率、三相电压不平衡度以及无功功率、直流母线电压偏差，分别与各自对应的设定限值进行比较；

28、s3.2：若各项比较结果均未越限，则判定台区电能质量正常，维持当前运行状态，并返回s1继续进行状态监测；

29、s3.3：若任意一项比较结果越限，则判定发生电能质量越限事件，进入s4建立的多目标优化模型进行求解。

30、所述s4包括：

31、s4.1：基于s2计算得到的各项电能质量指标，分别构建电压偏差指标项、谐波畸变指标项、无功补偿指标项、三相不平衡指标项、直流母线电压偏差指标项和储能荷电状态偏差指标项；

32、s4.2：对s4.1构建的各指标项赋予相应权重并加权求和，构建多目标优化目标函数：

33、；

34、式中，j为综合目标函数，~分别为各指标项对应的权重系数；

35、s4.3：以s4.2构建的综合目标函数j最小化为优化目标，求解得到s4所述的各项指令。

36、所述s4.3中，求解所述多目标优化模型的约束条件包括：

37、（1）upqc容量约束：各串联补偿单元和公共并联补偿单元输出的补偿功率均不超过各自的额定容量；

38、（2）光伏出力约束：所述光伏功率指令不超过光伏阵列当前的最大可发功率；

39、（3）储能荷电状态约束：，且；式中，、分别为电池储能荷电状态的下限和上限，、分别为超级电容荷电状态的下限和上限；

40、（4）充放电功率约束：，且；

41、式中，、分别为电池储能和超级电容的实际充放电功率，、分别为电池储能和超级电容的最大充放电功率；

42、（5）充电负荷调节约束：所述充电负荷调节指令对应的调节量不超过充电桩的可调节功率范围；

43、（6）直流母线电压约束：；

44、式中，、分别为公共直流母线电压允许的下限和上限。

45、所述s5包括：

46、s5.1：根据各馈线的串联补偿电压指令，分别生成各串联补偿单元的补偿电压参考值、、，、、分别为三条馈线对应的串联补偿单元的补偿电压参考值；将各补偿电压参考值与对应馈线实际电压之间的偏差经电压外环比例谐振（pr）控制后进行脉宽调制（pwm），生成各串联补偿单元的驱动信号，驱动各串联补偿单元向对应馈线注入串联补偿电压；

47、s5.2：根据补偿电流指令生成公共并联补偿单元的谐波电流、无功电流及不平衡电流的补偿参考值，将所述补偿参考值与公共并联补偿单元实际输出电流之间的偏差经电流外环比例谐振（pr）控制后进行脉宽调制（pwm），生成公共并联补偿单元的驱动信号，驱动公共并联补偿单元向低压公共母线注入补偿电流；

48、s5.3：根据s5.1的串联补偿和s5.2的并联补偿所需的有功功率以及所述光伏功率指令，合成公共直流母线的功率需求，并据以控制混合储能单元经公共直流母线释放或吸收功率，维持公共直流母线的电压稳定。

49、所述s5.3包括：

50、s5.3.1：将公共直流母线电压的参考值与实际值之间的偏差经比例积分（pi）控制，并与s5.1的串联补偿和s5.2的并联补偿所需的有功功率以及光伏功率指令的前馈分量合成，得到公共直流母线的功率需求；

51、s5.3.2：对s5.3.1得到的公共直流母线的功率需求进行低通滤波，将其中的低频持续功率分量作为电池储能的功率指令：

52、；

53、式中，为电池储能功率指令，表示低通滤波环节，上标"*"表示指令值，用于与实际值相区分；

54、s5.3.3：将所述功率需求与电池储能的功率指令的差值作为超级电容的功率指令，使电池储能承担低频持续功率分量、所述超级电容承担高频瞬时功率分量：

55、；

56、式中，为超级电容功率指令；

57、上述两式满足：

58、；

59、s5.3.4：根据电池储能荷电状态、超级电容荷电状态以及充放电功率限值对所述电池储能功率指令、超级电容功率指令进行约束修正，并将修正后的功率指令分别转换为电池储能侧双向dc/dc变换器的占空比和超级电容侧双向dc/dc变换器的占空比，驱动对应的双向dc/dc变换器工作。

60、所述s6包括：

61、s6.1：在s5的各项指令执行完成后，重新采集各馈线、多馈线upqc装置、光伏阵列、混合储能单元和充电桩的运行状态；

62、s6.2：以s6.1重新采集的运行状态更新台区全局状态向量，得到更新后的台区全局状态向量，其中，为第k+1个控制周期的台区全局状态向量；

63、s6.3：以第k+1个控制周期的台区全局状态向量作为下一控制周期的初始状态返回s1，循环执行s1~s6，实现连续监测与动态修正的滚动优化控制。

64、一种面向多馈线台区的光储充-upqc全局协同控制与电能质量治理系统，该系统包括：

65、多馈线统一电能质量调节器（upqc）装置、公共直流母线、光伏阵列、混合储能单元、充电桩、台区级协同控制器；其中：

66、所述多馈线统一电能质量调节器（upqc）装置包括分别串接于多馈线台区各条馈线中的多个串联补偿单元、以及并接于所述多馈线台区的低压公共母线的公共并联补偿单元，各所述串联补偿单元与所述公共并联补偿单元的直流侧均连接于所述公共直流母线；

67、所述光伏阵列经直流/直流（dc/dc）变换器、所述混合储能单元经双向dc/dc变换器、所述充电桩经dc/dc变换器分别接入所述公共直流母线；

68、所述台区级协同控制器包括：

69、状态感知模块，用于采集各条馈线的电压和电流、所述公共直流母线的电压、光伏出力、充电负荷功率以及储能荷电状态，构建台区全局状态向量；

70、指标评估模块，用于根据台区全局状态向量计算各项电能质量指标，所述电能质量指标包括各馈线的电压偏差、电流总谐波畸变率和三相电压不平衡度，以及无功功率、直流母线电压偏差和储能荷电状态；

71、越限判断模块，用于将各项电能质量指标分别与对应的设定限值进行比较，判断是否发生越限，若均未越限，则维持当前运行状态；

72、协同优化模块，用于在任一电能质量指标越限时，以各项电能质量指标为优化目标建立多目标优化模型，并在约束条件下求解多目标优化模型，得到各串联补偿单元的串联补偿电压指令、所述公共并联补偿单元的补偿电流指令、光伏功率指令、混合储能功率指令以及充电负荷调节指令；

73、指令分配模块，用于将各指令对应下发至各串联补偿单元、公共并联补偿单元、以及光伏阵列、混合储能单元和充电桩各自的变换器执行，使各串联补偿单元向对应馈线注入补偿电压、公共并联补偿单元向低压公共母线注入补偿电流、混合储能单元经公共直流母线释放或吸收功率；

74、反馈更新模块，用于采集执行后的运行状态反馈，更新所述台区全局状态向量，并触发状态感知模块进入下一控制周期，实现滚动优化控制。

75、本发明一种面向多馈线台区的光储充-upqc全局协同控制与电能质量治理方法及系统，技术效果如下：

76、1）针对多馈线台区中各馈线经公共母线相互耦合，扰动跨馈线传播，而现有upqc多以单台装置、单个公共连接点为对象，难以适应多馈线耦合场景。本发明中“多个串联补偿单元分别串接于各条馈线＋公共并联补偿单元并接于低压公共母线＋公共直流母线”的多馈线upqc结构，以及台区全局状态向量统一感知机制。使得各串联补偿单元依据本馈线电压状态就地注入补偿电压，实现“一馈线一补偿”的分布式电压治理；公共并联补偿单元统一治理公共母线侧电流质量；二者经公共直流母线实现功率互济，使任一馈线的扰动不再经公共母线无约束传播。与现有单点治理技术相比，本发明将电压补偿能力由“单个连接点”"扩展至“多馈线全域”。

77、2）针对ppf、apf、dvr、svg功能各有侧重，分别独立配置不仅投资和运维成本高，且因缺少协调控制易产生补偿冲突。本发明中采用多目标优化模型以一套多馈线upqc装置在统一优化框架下同时达成谐波抑制、无功补偿与不平衡治理，从根本上消除了多装置间的补偿冲突，并显著降低设备重复投资。

78、3）针对现有upqc受直流侧储能容量限制，在深度电压暂降等需要持续有功支撑的工况下补偿能力受限，且充电负荷突变、光伏波动直接冲击直流母线。本发明中混合储能单元经双向dc/dc变换器接入公共直流母线的结构，以及功率分频分配机制。超级电容以毫秒级响应优先平抑充电负荷阶跃、非线性负荷冲击等瞬时功率突变，电池储能随后承担秒级至分钟级持续功率支撑，二者按时间尺度接力，使补偿所需有功功率不再依赖交流侧即时交换。

79、4）针对现有光伏接入型upqc仅为并网功能与治理功能的简单叠加，光伏间歇性与补偿需求之间缺乏储能缓冲与全局协调；各设备独立本地控制，储能存在过充过放风险。本发明中记载的光伏阵列、充电桩经各自变换器接入公共直流母线参与功率协调的结构；储能荷电状态约束、充放电功率约束；soc约束与功率限幅修正环节。使得在模式b下光伏出力升高时优先支撑直流母线与负荷需求，充电功率突增或光伏出力下降时由超级电容、电池储能按序递补；仿真全程电池储能与超级电容的荷电状态均未越限。与现有技术相比，本技术使光伏由“单纯的被消纳电源”、充电桩由“单纯的被治理对象”转变为可参与台区功率协调的资源，且储能全程运行于安全区间。

80、5）针对光伏逆变器、储能变流器、充电桩与upqc各自采用独立本地控制，缺乏台区级统一的状态感知与多目标优化分配机制，无法适应扰动随机多变的运行工况。本发明中越限判断触发机制、“执行反馈→状态向量更新→下一周期”滚动优化机制；系统侧对应的状态感知、越限判断、反馈更新模块。使得各项指标未越限时系统维持常规运行，避免优化控制器持续满负荷运算；任一指标越限即触发多目标优化；指令执行后重新采集状态并滚动修正，形成“监测-判断-优化-执行-反馈”的闭环，使控制策略随光伏波动、充电负荷阶跃等时变工况动态调整。