提高柔性微电网电能质量的自适应电压电流协同控制器的制作方法

1.本发明属于配电网运行控制领域，尤其是提高柔性微电网电能质量的自适应电压电流协同控制器。


背景技术：

2.基于可再生能源(res)的分布式发电(dg)机组越来越多地融入到配电系统中，各种负荷中非线性负荷比例越来越高，与此同时，电网中非线性负荷的应用会导致配电网的谐波污染。带有lcl滤波器的电力电子转换器被用作可再生能源与电网之间的有效接口，接口变换器通常有更高的控制带宽，可以在不使用任何额外谐波滤波设备的情况下主动调节配电系统的电能质量。
3.dg机组的控制方案分为电流控制法(ccm)和电压控制法(vcm)两种。其中，ccm采用鲁棒控制方案，可以实现优良的谐波补偿性能。但是当分布式发电机组转换为独立孤岛运行时，ccm的控制存在困难；vcm被认为是应用于双模式(网连当微电网出现频率偏差时，利用所提出的频率自适应电压电流协同控制器，使分布式发电机组在不同的微电网频率条件下也能实现优良的系统谐波补偿控制性能模式和孤岛模式)微电网的一种有效解决方案。此外，dg虚拟阻抗和下垂控制的结合进一步确保了dg机组之间的负荷共享。然而，传统的vcm很难调节dg机组线路的谐波电流。因此，vcm很少用于解决系统谐波问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出提高柔性微电网电能质量的自适应电压电流协同控制器，利用频率自适应电压电流协同控制器取代传统电压电流协同控制中的固定频率谐振控制器，当微电网出现频率偏差时，使分布式发电单元在不同的微电网频率条件下也能实现优良的系统谐波补偿控制。
5.本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：提高柔性微电网电能质量的自适应电压电流协同控制器，包括微电网电路、改进功率控制回路、改进虚拟阻抗回路、模式选择模块和频率自适应电压电流协同控制器，所述微电网电路分别连接改进功率控制回路和频率自适应电压电流协同控制器，改进功率控制回路、改进虚拟阻抗回路和模式选择模块分别连接频率自适应电压电流协同控制器。
6.而且，所述微电网电路包括：分布式发电单元、lcl滤波器以及本地负载或者接入配电网或微电网的公共耦合点pcc，所述分布式发电单元通过lcl滤波器连接本地负载或者接入配电网或微电网的公共耦合点pcc。
7.而且，所述改进功率控制回路由如下数学模型构成：
其中，为分布式发电单元参考频率，为分布式发电单元的标称频率，为实功率控制的下垂系数，为系统输出的额定有功功率，为系统输出的实时有功功率，为分布式发电单元参考电压幅值，为分布式发电单元标称电压，为无功控制的下垂系数，增益系数为和，为系统输出的额定无功功率，为系统输出的实时无功功率，为截止频率，为滤波电容电压，为分布式发电单元的线电流，为滤波电容电压的正交分量，为分布式发电单元线电流的正交分量。
8.而且，所述改进虚拟阻抗回路由如下数学模型构成：而且，所述改进虚拟阻抗回路由如下数学模型构成：其中，为分布式发电单元控制产生的虚拟电阻，为分布式发电单元控制产生的虚拟电感，为基波成分提取器，为由基波成分提取器提取的基波电流，为基波电流的正交分量，通过推迟四分之一周期得到，为分布式发电单元的线电流，为分布式发电单元的标称频率。
9.而且，所述模式选择模块包括：第一种选择模式、第二种选择模式、第三种选择模式和第四种选择模式；第一种选择模式为：当参考电流被选为局部非线性负载谐波电流，分布式发电单元工作在局部谐波补偿模式，注入pcc的电流是正弦的；第二种选择模式为：当参考电流设置为零时，分布式发电单元工作于谐波抑制方式，此时线电流为正弦电流；第三种选择模式为：当电流控制支路的输入从参考电流线电流变为参考电压滤波电容电压，此时系统切换到传统的vcm模式；第四种选择模式为：获得pcc的谐波电压，得到hcm的参考电流为：
，其中为电网合成电阻，分布式发电单元在选定的谐波频率上起阻尼电阻的作用。
10.而且，所述频率自适应电压电流协同控制器由如下数学模型构成：其中，电压控制支路的数学模型为：；电流控制支路的数学模型为：；有源阻尼项的数学模型为：；其中，为电压控制参考值，为滤波电容电压，为参考电流，为变流器侧输出线电流，为线电流，为基频和谐振调节器的增益，为谐振调节器的带宽，为分布式发电单元参考频率，分别为谐振调节器的增益，是谐波阶数，为电流控制支路的比例增益，为比例系数。
11.本发明的优点和积极效果是：1、本发明通过对传统电压电流协同控制器的接口转换器中功率控制回路中增加积分项，并构造了频率自适应电压电流协同控制器，实现了在微电网频率变化的情况下，分布式发电单元也能够良好的实现系统谐波补偿性能，并提高了分布式发电单元机组在微电网出现频率扰动时的功率控制精度。
12.2、本发明采用改进功率控制回路，通过在传统的有功功率频率控制方案中增加了一个简单的积分项，保证了控制器在电网电压频率扰动下的精确功率控制。
13.3、本发明通过构造频率自适应电压电流协同控制器，使得即使由于微电网基频变化，谐波畸变的频率受到影响时，分布式发电单元机组也能准确跟踪电流。
附图说明
14.图1为本发明的结构图图2为利用二阶广义积分实现频率自适应电压电流协同控制控制器框图；图3为传统电压电流协同控制器的接口转换器结构示意图；图4为频率自适应电压电流协同控制器工作在谐波无控制模式下的控制性能波形图；图5为频率自适应电压电流协同控制器控制波形图。
具体实施方式
15.以下结合附图对本发明做进一步详述。
16.提高柔性微电网电能质量的自适应电压电流协同控制器，如图1所示，包括微电网电路、改进功率控制回路、改进虚拟阻抗回路、模式选择模块和频率自适应电压电流协同控制器，所述微电网电路分别连接改进功率控制回路和频率自适应电压电流协同控制器，改进功率控制回路、改进虚拟阻抗回路和模式选择模块分别连接频率自适应电压电流协同控
制器。
17.微电网电路包括：分布式发电单元、lcl滤波器以及本地负载或者接入配电网或微电网的公共耦合点pcc，所述分布式发电单元通过lcl滤波器连接本地负载或者接入配电网或微电网的公共耦合点pcc。实施例中以单相分布式发电单元为例进行说明，分布式发电单元的直流侧经过逆变变流器将直流电转变为交流电形式输出，因输出为脉冲形式，含有较多谐波分量，为降低谐波的不良影响，采用lcl滤波器对输出电压进行滤波处理；lcl滤波器包含变流器测感抗和1、滤波电容以及网侧感抗和三部分，经过滤波处理后的交流电提供给本地负载或者通过公共耦合点pcc接入配电网或微电网，实施例中以不控二极管整流带电阻负载代表典型非线性本地负荷。
18.如图3所示的传统功率控制回路，但在并网运行时，上述传统功率控制方案只有在主电网频率固定在标称值时才能实现零稳态有功功率控制误差。为了保证在电网电压频率扰动下的精确有功功率控制，本发明的改进功率控制回路在传统的有功功率频率控制方案中增加了一个简单的积分项，同时选择一阶低通滤波器作为滤波器，本发明改进功率控制回路由如下数学模型构成：回路由如下数学模型构成：回路由如下数学模型构成：其中，为分布式发电单元参考频率，为分布式发电单元的标称频率，为实功率控制的下垂系数，为系统输出的额定有功功率，为系统输出的实时有功功率，为分布式发电单元参考电压幅值，为分布式发电单元标称电压，为无功控制的下垂系数，增益系数为和，为系统输出的额定无功功率，为系统输出的实时无功功率，为截止频率，为滤波电容电压，为分布式发电单元的线电流，为滤波电容电压的正交分量，为分布式发电单元线电流的正交分量。
19.其工作过程包括以下步骤：步骤1、对微电网电路中lcl滤波器中电容电压及网侧感抗电流进行采样，得到滤波电容电压和分布式发电单元的线电流，计算系统输出的实时有功功率和无功功率。
20.步骤2、系统输出额定有功功率和无功功率与实时有功功率和无功功率做差后，通过一阶低通滤波器滤除实测实时有功功率和无功功率中的波纹。
21.步骤3、根据计算得到的实时有功功率和无功功率，使用有功功率频率pi控制和无功功率电压幅值pi控制，得到电压幅值和频率的参考值。
22.步骤4、通过分布式发电单元参考频率计算角度，通过参考发生器输出虚阻抗上的电压降。
23.改进虚拟阻抗回路是为了改进上述功率控制环路的不良影响而提出的。上述方案的功率控制方案是基于分布式发电单元电感馈线和的假设设计的。为了补偿一些使用输出lcl滤波器对分布式发电单元中的影响，通常通过控制接口变换器产生虚拟阻抗来降低其影响。改进虚拟阻抗回路由如下数学模型构成：低其影响。改进虚拟阻抗回路由如下数学模型构成：其中，为分布式发电单元控制产生的虚拟电阻，为分布式发电单元控制产生的虚拟电感，为基波成分提取器，为由基波成分提取器提取的基波电流，为基波电流的正交分量，通过推迟四分之一周期得到，为分布式发电单元的线电流。
24.改进虚拟阻抗回路最终得到电压控制参考：。
25.模式选择模块包括：第一种选择模式、第二种选择模式、第三种选择模式和第四种选择模式，所述第一种选择模式为：当参考电流被选为局部非线性负载谐波电流，分布式发电单元工作在局部谐波补偿模式，注入pcc的电流是正弦的。
26.第二种选择模式为：当参考电流设置为零时，分布式发电单元工作于谐波抑制方式，此时线电流为正弦电流。
27.第三种选择模式为：当电流控制支路的输入从参考电流线电流变为参考电压滤波电容电压，此时系统切换到传统的vcm模式；考虑到谐波无控制模式下的控制目标是减小滤波电容的电压畸变，可以简单地将电流控制支路的输入设置为。
28.当参考电压中的波纹由电流控制分支中的谐波谐振控制器进行调节。若参考电压扰动增加，那么分布式发电单元电压也会出现很大的扰动。
29.本发明增加第四种选择模式为：获得pcc的谐波电压，得到hcm的参考电流为：，分布式发电单元在选定的谐波频率上起阻尼电阻的作用，其中系数r
v
为电网合成电阻，用于确定hcm中的参考电流。
30.定频电压电流协同控制器包含电压控制支路、电流控制支路和主动阻尼项，由三个平行控制分支组成，表达式为：其中电压控制支路用于实现基波电容电压的闭环调节，电流控制支路用于调节dg线路的谐波电流，第三项为有源阻尼项，其详细表达式为：
传统定频电压电流协同控制器被设计用来补偿微电网中的固定频率谐波，但是当微电网基频变化时，谐波畸变的频率也会受到影响。一旦谐波频率变化超出了相应谐振控制器的带宽，谐波补偿性能将受到影响。为了保证在频率扰动条件下也能准确跟踪电流，本发明提出了频率自适应电压电流协同控制器。考虑分布式发电单元电压必须与微网电压同步，即系统参考频率总是等于稳态时的微网频率，因此自适应电压电流谐振控制器与定频电压电流谐振控制器有所不同，在自适应电压电流谐振控制器中，可以直接采用参考频率来构造自适应电压电流谐振控制器。
31.如图4所示，频率自适应电压电流协同控制器由如下数学模型构成：其中，电压控制支路的数学模型为：；电流控制支路的数学模型为：；有源阻尼项的数学模型为：。
32.最后，分布式发电单元接口变流器通过改进功率控制回路和频率自适应电压电流协同控制器进行控制，其对微电网的频率依赖度低，可以去除功率控制器和虚拟阻抗回路中的部分低通和高通滤波器，进一步简化控制器。
33.功率和虚拟阻抗控制回路的参考电压由电压电流协同控制器中的电压控制分支调节，且采用基频谐振控制器，参考电压中的波纹将被自动过滤掉。由于这一特性，可以通过在虚拟阻抗控制环路中设置和来替代无功电压幅值控制方案中的低通滤波器和虚拟阻抗环路中的基频分量提取器。
34.如图4所示为使用所提出的频率自适应电压电流协同控制器的控制性能波形图。波形a为dg1机组电压，250v/格；波形b为dg2机组电压，250v/格；波形c为pcc电压，250v/格。在控制器中，将电流控制支路的输入设置为，两个分布式发电单元都在谐波不可控模式下工作，同时去除控制器中的基波分量提取器和高通滤波器。实验中两组分布式发电机组的电压thd分别为2.91%和2.48%，可以达到预期的效果。如图5所示为使用改进功率控制回路和频率自适应电压电流协同控制器的控制性能波形图。波形a为dg机组有功功率，100w/格；波形b为dg机组无功功率，100var/格；波形c为dg机组参考频率扰动，0.5hz/格；波形d为dg机组电压，250v/格。从图中可以看出，当电网电压频率有一定扰动时，该方法可以避免分布式发电单元机组的保护，提高了分布式发电单元机组在微电网出现频率扰动时的
功率控制精度，分布式发电单元实现了良好的系统谐波补偿性能。
35.综上，本发明所提出的频率自适应电压电流协同控制器，当dg机组在不同的微电网频率条件下也能实现优良的系统谐波补偿性能，是一种值得推广的新型分布式微电网谐波补偿和电能质量改善的控制策略。
36.需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。