一种基于UPFC的微网电源及负载不平衡补偿方法与流程

一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法
技术领域
1.本发明涉及微电网领域，具体涉及微网不平衡补偿。


背景技术：

2.随着全球经济迅猛发展，对能源的需求也剧烈增长，由此导致的环境问题也日益突出，我国于2020年12月提出了“双碳”目标。实现“双碳”目标的一个重要途径则是新能源分布式发电的大量推广，而为了充分利用分布式发电区域性强的优点、避免其出力不稳定的缺点，微网成为其一大承载形式。并网型微网与公共电网相连，进行功率交换，既可以在微网发电不足时保证本地负载用电，也可以在微网发电过剩时将多余能源输送至公共电网，实现清洁能源的有效消纳。
3.但是微网的发电特性和控制方法与传统电网截然不同，大量的微网接入公共电网会对公共电网的稳定性和电能质量造成影响。这些影响中，一方面，由于微网的发电容量相比公共电网较小，且由于微网的特殊性，馈线的长度差异以及单相负荷占据较大负荷比例，导致供电电压和电流的不平衡问题在微网之中更加突出，微网的电能质量下降必然又反过来对公共电网的电压造成影响。
4.随着柔性交流输电技术的发展，许多应用于交流输电系统的电力电子装置（facts）应运而生，其中主要包含：串联补偿装置如晶闸管控制串联电容器（tcsc）、晶闸管控制串联电抗器（tcsr）、静止同步串联补偿器（sssc）等，并联补偿装置如静止无功补偿器（svc）、晶闸管控制制动电阻器（tcbr）、静止同步补偿器（statcom）等，综合控制装置如统一潮流控制器（upfc）等。其中，统一潮流控制器综合了串、并联补偿的功能和特点，还能有效控制线路潮流，实现单位功率因数调节，通过合理的控制，可以实现多种功能。因此统一潮流控制器也被称作功能最强大、特性最优越的新一代柔性交流输电装置。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法，有效地补偿微网负载所需的不平衡电流、并且补偿微网电源和公共电网连接处的不平衡电压，使得负载所需的不平衡功率、微网电源电压电流的平衡度和公共电网电压电流的平衡度同时得到满足。
6.本发明采取的技术方案为：它包括微网电源、微网负载、公共电网连接点pcc1、微网连接点pcc2、upfc并联侧一次绕组和二次绕组、串联侧一次绕组和二次绕组、并联侧电力电子变换器、串联侧电力电子变换器、直流侧电容、控制器；其特征在于：所述的upfc并联侧一次绕组a、b、c相分别并联于pcc1处线路的a、b、c相；所述的upfc串联侧二次绕组对应的一次绕组为upfc串联侧一次绕组，串联于pcc1和pcc2之间；所述的微网电源并联于pcc2上；所述的微网负载并联与pcc2上；所述的upfc并联侧二次绕组对应的一次绕组为upfc并联侧一次绕组，与并联侧变换器串联；所述的并联侧电力电子变换器串联于upfc并联侧二次绕组和直流侧电容之间；所述的直流侧电容串联于并联侧电力电子变换器和串联侧电力电子变
换器之间；所述的串联侧电力电子变换器串联于直流侧电容和upfc串联侧一次绕组之间；所述的upfc串联侧一次绕组与串联侧电力电子变换器串联；所述的控制器分别向并联侧电力电子变换器、串联侧电力电子变换器发送6路并联侧变换器开关管信号和6路串联侧变换器开关管信号。
7.所述的upfc并联侧一次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组联结方式为星形不接地联结。
8.所述的upfc串联侧一次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组联结方式为星形不接地联结。
9.所述的upfc并联侧二次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组联结方式为星形不接地联结。
10.所述的upfc串联侧二次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组分别串联在三相线路中。
11.所述的并联侧电力电子变换器采用三相可控全桥加lc滤波结构。
12.所述的串联侧电力电子变换器采用三相可控全桥加lc滤波结构。
13.所述的控制器包含并联侧电力电子变换器控制器、串联侧电力电子变换器控制器；控制方法包括upfc并联侧不平衡电流补偿控制、upfc串联侧不平衡电压补偿控制；具体控制结构为：upfc并联侧不平衡电流补偿控制采用dq轴解耦的负序线路电流外环和负序变换器电流内环pi控制，upfc串联侧不平衡电压补偿控制采用dq轴解耦的负序pcc2电压外环、负序线路电压中环和负序变换器电流内环pi控制。
14.本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的优点在于：通过本方法对微网电源及负载不平衡电压电流进行补偿，首先，针对微网中的不平衡负载，可以保证其所需的不平衡功率得到满足；同时，微网电源的电能质量能够得到保证，即微网电源输出电流和微网连接点pcc2处的电压平衡度能得到有效提高；再者，公共电网的电能质量也能够得到保证，即公共电网输出电流和公共电网连接点pcc1处的电压平衡度也能够得到有效提高。
15.为更清楚的说明本发明所提出的一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
16.图1为本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的拓扑结构图。
17.图2为本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的串联侧简化图。
18.图3为本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的upfc串联侧不平衡电压补偿控制器的结构图。
19.图4为本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的并联侧简化图。
20.图5为本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的upfc并联侧不平衡电流补偿控制器的结构图。
21.图6为图1所示pcc1处电压电流不平衡度仿真结果。
22.图7为图1所示微网电源电压电流不平衡度仿真结果。
23.图8为图1所示微网负载电压电流不平衡度仿真结果。
具体实施方式
24.图1所示为本发明一种基于upfc的微网电源及负载不平衡补偿方法的结构图。其具体结构如下：它包括微网电源、微网负载、公共电网连接点pcc1、微网连接点pcc2、upfc并联侧一次绕组和二次绕组、串联侧一次绕组和二次绕组、并联侧电力电子变换器、串联侧电力电子变换器、直流侧电容、控制器；其特征在于：所述的upfc并联侧一次绕组a、b、c相分别并联于pcc1处线路的a、b、c相；所述的upfc串联侧二次绕组对应的一次绕组为upfc串联侧一次绕组，串联于pcc1和pcc2之间；所述的微网电源并联于pcc2上；所述的微网负载并联与pcc2上；所述的upfc并联侧二次绕组对应的一次绕组为upfc并联侧一次绕组，与并联侧变换器串联；所述的并联侧电力电子变换器串联于upfc并联侧二次绕组和直流侧电容之间；所述的直流侧电容串联于并联侧电力电子变换器和串联侧电力电子变换器之间；所述的串联侧电力电子变换器串联于直流侧电容和upfc串联侧一次绕组之间；所述的upfc串联侧一次绕组与串联侧电力电子变换器串联；所述的控制器分别向并联侧电力电子变换器、串联侧电力电子变换器发送6路并联侧变换器开关管信号和6路串联侧变换器开关管信号。
25.所述的upfc并联侧一次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组联结方式为星形不接地联结。
26.所述的upfc串联侧一次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组联结方式为星形不接地联结。
27.所述的upfc并联侧二次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组联结方式为星形不接地联结。
28.所述的upfc串联侧二次绕组为不带分接头绕组，且三相绕组分别串联在三相线路中。
29.所述的并联侧电力电子变换器采用三相可控全桥加lc滤波结构。
30.所述的串联侧电力电子变换器采用三相可控全桥加lc滤波结构。
31.所述的控制器包含并联侧电力电子变换器控制器、串联侧电力电子变换器控制器；控制方法包括upfc并联侧不平衡电流补偿控制、upfc串联侧不平衡电压补偿控制；具体控制结构为：upfc并联侧不平衡电流补偿控制采用dq轴解耦的负序线路电流外环和负序变换器电流内环pi控制，upfc串联侧不平衡电压补偿控制采用dq轴解耦的负序pcc2电压外环、负序线路电压中环和负序变换器电流内环pi控制。
32.接着，请参考图2，以下对upfc串联侧不平衡电压补偿控制器的工作原理做出解释。为方便描述，图2为图1中三相系统串联侧在dq坐标系下的简化示意图，其中r1、l1为pcc1和pcc2之间的线路阻抗，l、c为串联侧变换器的滤波电感和滤波电容，串联侧一、二次侧绕组变比为k:1，系统的负序方程如下：侧绕组变比为k:1，系统的负序方程如下：侧绕组变比为k:1，系统的负序方程如下：
upfc串联侧不平衡电压补偿控制器的控制目标为：将pcc2处电压的负序分量和微网电源输出负序电流控制为0，补偿微网电源电压和电流的不平衡，同时满足微网负载的不平衡功率需求。要实现此目标，只需要使得upfc串联侧输出负序电流等于负载所需负序电流即可，即：i
dn
‑ꢀ
= i
dl
‑
，i
qn
‑ꢀ
= i
ql
‑
。在此基础上，再考虑串联侧一、二次侧绕组变比关系，采用pi控制器，可以推导出upfc串联侧不平衡电压补偿控制器的dq轴解耦的负序pcc2电压外环、负序线路电压中环和负序变换器电流内环的pi控制器方程分别如下：环、负序线路电压中环和负序变换器电流内环的pi控制器方程分别如下：环、负序线路电压中环和负序变换器电流内环的pi控制器方程分别如下：其控制器结构图对应如图3所示。
33.然后，请参考图4，以下对upfc并联侧不平衡电流补偿控制器的工作原理做出解释。为方便描述，图4为图1中三相系统并联侧在dq坐标系下的简化示意图，其中l、c为并联侧变换器的滤波电感和滤波电容，并联侧一、二次侧绕组变比为k:1，系统的负序方程如下：侧变换器的滤波电感和滤波电容，并联侧一、二次侧绕组变比为k:1，系统的负序方程如下：upfc并联侧不平衡电压补偿控制器的控制目标为：将pcc1处电压的负序分量控制为0，补偿公共电网电压和电流的不平衡，避免微网的不平衡问题影响公共电网电能质量。要实现此目标，只需要使得upfc并联侧输出负序电流等于后续线路所需负序电流即可，考虑串联侧一、二次侧绕组变比关系，即：i
dn
‑ꢀ
= i
d
‑
/k，i
qn
‑ꢀ
= i
q
‑
/k。在此基础上，采用pi控制器，可以推导出upfc并联侧不平衡电流补偿控制器的dq轴解耦的负序线路电流外环和负序变换器电流内环的pi控制器方程分别如下：变换器电流内环的pi控制器方程分别如下：
其控制器结构图对应如图5所示。
34.图6、图7、图8分别为图1所示pcc1处电压电流波形、微网电源电压电流波形、微网负载电压电流的仿真结果波形，0.05s前upfc串、并联侧不平衡补偿均未工作，0.05s到0.5s并联侧不平衡补偿部分工作，使得pcc1处电流不平衡度明显降低，0.5s后串联侧不平衡补偿部分和并联侧补偿部分共同工作，使得pcc1处、微网电源和微网负载电压不平衡度都明显降低，且pcc1处和微网电源输出的电流不平衡度也明显降低，同时微网负载的不平衡度明显升高，说明微网负载的不平衡功率需求得到了满足的同时，全网电压的不平衡度都得到了明显改善，公共电网和微网电源的输出电流不平衡度也得到了明显改善。由图可见，通过上述的拓扑结构和控制方法，即可同时实现：微网负载不平衡电流补偿、微网电源不平衡电压补偿，以及维持公共电网电压的三相平衡，从而有效提高微电网的供电电能质量和并网微网系统的稳定性。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，但并非用以限定本发明，对于熟悉本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内都可以做各种改动和修饰，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。