一种改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法

摘要

本发明公开了一种改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法，其特征是：所述微网逆变器是通过自身控制独立工作实现微网母线电压质量改善，以及单元之间功率分配；并能够接受上层中央管理系统调度，根据上层管理系统的调度指令调整微网逆变器输出电压，实现母线电压控制与电压质量改善。本发明利用微网逆变器参与微网母线电压质量控制，通过控制逆变器输出阻抗吸收负载谐波电流，不仅可以减少微网专门用于电能质量改善电力电子装置的投入，而且由于微网逆变器安装的分散性使得控制更加灵活。

权利要求

1.一种改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法，其特征是：所述微网逆变器是通过自身控制独立工作实现微网母线电压质量改善，以及微网逆变器之间功率分配；并能够接受上层中央管理系统调度，根据上层中央管理系统的调度指令调整微网逆变器输出电压，实现母线电压控制与电压质量改善；在微网逆变器的电压控制环增加谐波阻抗控制，通过模拟谐波负阻抗吸收负载谐波电流，改善微网母线电压质量；

所述微网逆变器输出电压的控制算法是：

采用下垂控制计算获得微网逆变器基波参考电压ureff；

由馈线电流io经低通滤波器LPF提取出基波电流io1，将所述基波电流io1乘以虚拟阻抗Zv获得虚拟阻抗电压uv；

由馈线电流io经谐波提取获得谐波电流分量iom,m＝6n±1，n＝1,2,3...，将所述谐波电流分量iom与m次谐波电抗Xm相乘获得m次谐波电压参考值urefm,m＝6n±1；

由馈线电流io经高通滤波器HPF滤除基波分量得到谐波电流ih，将所述谐波电流ih乘以谐波电阻Rh得到谐波电阻参考电压值urefR；

则，谐波阻抗电压参考值urefh为：

其中，虚拟阻抗Zv、谐波补偿次数m、谐波电抗Xm以及谐波电阻Rh接受上层中央管理系统的调度，能够在线修改。

2.根据权利要求1所述的改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法，其特征是：由式(1)计算获得微网逆变器参考给定电压uref：

uref＝ureff+uv+urefh   (1)

将所述微网逆变器参考给定电压uref旋转变换至旋转坐标系下参考电压交直轴分量将微网逆变器输出电压uo旋转变换为旋转坐标系下电压交直轴分量uodq，则电压误差Δudq为：将所述电压误差Δudq利用由式(2)表征的基波控制器得到基波电流参考值(ifdq)k：(ifdq)k＝a0(Δudq)k+a1(Δudq)k-1-b1(ifdq)k-1   (2)式(2)中，k为第k次采样时刻，k-1为第k-1次采样时刻，b1＝-1，kvP为基波控制器比例系数、kvI为基波控制器积分系数，Ts为采样周期；

所述电压误差Δudq经由式(3)表征的m次谐波控制器得到m次谐波电流参考值(imdq)k：(imdq)k＝c1(Δudq)k+c2(Δudq)k-2-d1(imdq)k-1-d2(imdq)k-2   (3)式(3)中：

其中，m为对应的各谐波次数，kRh为谐波控制器比例系数、ωc为谐波控制器截止频率、ω0为基波电压频率；

基于各次谐波电流参考值(imdq)k计算获得谐波电流参考值(ihdq)k为：则有：电流参考值 为：

将微网逆变器电流iL旋转变换至旋转坐标系下电流交直轴电流iLdq，将电流参考值与旋转坐标系下电流交直轴电流iLdq作差，再经电流控制器输出电压参考值Udq，将所述电压参考值Udq经旋转变换至静止坐标系下uabc，以所述uabc参与SPWM调制，控制微网逆变器功率开关管的通断。

说明书

一种改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法。

背景技术

[0002] 微网作为一个既可并网运行亦可脱网独立运行的小型发电系统，其网内负荷形式具有很大的随机性和多样性。而网内大量民用和工业用设备均带有电力电子器件接口，使得负荷主要表征为非线性特性。非线性负载引起的谐波电流在线路阻抗及逆变器输出阻抗上产生谐波压降，会导致母线电压的畸变，影响母线负载供电质量，严重时甚至可能引起系统失稳。为改善微网供电质量，一种常用方法是加装电能质量改善装置，如有源滤波器。然而，微电网中母线上的用电负荷类型和容量具有很大的不确定性，这给电能质量治理装置的接入位置选择带来困难。要确保负荷供电电能质量就需要大量的电能质量调节装置，这无疑会极大增加微电网系统建设和运行成本。通过微网逆变器增加电能质量控制功能，可很容易地实现谐波的就地补偿治理。因此，通过微网逆变器控制使逆变器具备谐波抑制功能，对减少微网中专门用于电能质量改善电力电子装置的投入，以及改善微电网母线电压质量提高系统可靠性，具有重要的理论和现实意义。非线性负载条件下微网母线电压控制，主要是在静止坐标系下采用多谐振控制器的控制方式。针对每个频次的谐波分量进行控制，每增加一个频次谐波分量的控制，便需要增加一个谐振控制器，而且所有逆变器均参与电压质量的控制。这一控制方案，所有逆变器均参与谐波电压的控制，逆变器参与电压质量控制没有选择性。然而，微电网中并非所有逆变器均适合参与电压质量调节，当并网逆变器自身满容量输出时，则难以参与电压质量的控制。另外，每增加一次谐波电压控制，便需增加一个谐振控制器，逆变器电压控制器复杂。

发明内容

[0003] 本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种系统控制灵活、控制方法简洁的非线性负载下改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法。

[0004] 本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

[0005] 本发明改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法的特点是：所述微网逆变器是通过自身控制独立工作实现微网母线电压质量改善，以及微网逆变器之间功率分配；并能够接受上层中央管理系统调度，根据上层中央管理系统的调度指令调整微网逆变器输出电压，实现母线电压控制与电压质量改善。

[0006] 本发明改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法的特点也在于：在微网逆变器的电压控制环增加谐波阻抗控制，通过模拟谐波负阻抗吸收负载谐波电流，改善微网母线电压质量。

[0007] 本发明改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法的特点也在于：实时监测微网逆变器输出电流，提取微网逆变器输出电流的谐波成分，根据虚拟阻抗及线路阻抗计算获得谐波参考电压，将所述谐波参考电压叠加至基波参考电压，进而控制逆变器输出电压，使逆变器具备负谐波阻抗特性，以此改善母线电压质量；同时，所述微网逆变器接受上层管理系统的调度，实时修改虚拟阻抗及线路阻抗的大小以适应系统不同运行工况。

[0008] 本发明改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法的特点也在于：所述微网逆变器输出电压的控制算法是：

[0009] 采用下垂控制计算获得微网逆变器基波参考电压ureff；

[0010] 由馈线电流io经低通滤波器LPF提取出基波电流io1，将所述基波电流io1乘以虚拟阻抗Zv获得虚拟阻抗电压uv；

[0011] 由馈线电流io经谐波提取获得谐波电流分量iom,m＝6n±1，n＝1,2,3…，将所述谐波电流分量iom与m次谐波电抗Xm相乘获得m次谐波电压参考值urefm,m＝6n±1；

[0012] 由馈线电流io经高通滤波器HPF滤除基波分量得到谐波电流ih，将所述谐波电流ih乘以谐波电阻Rh得到谐波电阻参考电压值urefR；

[0013] 则，谐波阻抗电压参考值urefh为：

[0014] 其中，虚拟阻抗Zv、谐波补偿次数m、谐波电抗Xm以及谐波电阻Rh接受上层中央管理系统的调度，能够在线修改。

[0015] 本发明改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法的特点也在于：

[0016] 由式(1)计算获得微网逆变器参考给定电压uref：

[0017] uref＝ureff+uv+urefh   (1)

[0018] 将所述微网逆变器参考给定电压uref旋转变换至旋转坐标系下参考电压交直轴分量 将微网逆变器输出电压uo旋转变换为旋转坐标系下电压交直轴分量uodq，则电压误差Δudq为：

[0019]

[0020] 将所述电压误差Δudq利用由式(2)表征的基波控制器得到基波电流参考值(ifdq)k：

[0021] (ifdq)k＝a0(Δudq)k+a1(Δudq)k-1-b1(ifdq)k-1   (2)

[0022] 式(2)中，k为第k次采样时刻，k-1为第k-1次采样时刻，b1＝-1，kvP为基波控制器比例系数、kvI为基波控制器积分系数，Ts为采样周期。

[0023] 所述电压误差Δudq经由式(3)表征的m次谐波控制器得到m次谐波电流参考值(imdq)k：

[0024] (imdq)k＝c1(Δudq)k+c2(Δudq)k-2-d1(imdq)k-1-d2(imdq)k-2   (3)[0025] 式(3)中：

[0026]

[0027]

[0028] 其中，m为对应的各谐波次数，kRh为谐波控制器比例系数、ωc为谐波控制器截止频率、ω0为基波电压频率；

[0029] 基于各次谐波电流参考值(imdq)k计算获得谐波电流参考值(ihdq)k为：

[0030]

[0031] 则有：电流参考值 为：

[0032] 将微网逆变器电流iL旋转变换至旋转坐标系下电流交直轴电流iLdq，将电流参考值 与旋转坐标系下电流交直轴电流iLdq作差，再经电流控制器输出电压参考值Udq，将所述电压参考值Udq经旋转变换至静止坐标系下uabc，以所述uabc参与SPWM调制，控制微网逆变器功率开关管的通断。

[0033] 本发明针对非线性负载条件下微网母线电压控制，给出了逆变器是否参与电压质量控制可控、参与谐波电压次数改善可选的系统控制方法，以及单坐标变换下谐波控制算法；其微网逆变器既可以接受上层管理系统调度控制，又可脱离上层控制独立运行。基于单坐标变换谐振控制，一个谐振控制器可以实现对两次谐波分量的控制，并且可以接受上层调度，参与指定次谐波电压控制；与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

[0034] 1、本发明系统可减少专用微网电能治理装置的投入；

[0035] 2、本发明系统在母线电压质量控制方面更加灵活；

[0036] 3、本发明系统的微网逆变器电压控制算法更为简洁。

附图说明

[0037] 图1为本发明所涉及的微电网系统结构框图

[0038] 图2为本发明母线电压系统控制结构示意图；

[0039] 图3为本发明控制方法流程图；

具体实施方式

[0040] 参见图1，本实施例中微电网系统包括若干个分布式发电单元、线性及非线性负载、驱动电路、采样调理电路以及保护电路，在若干个分布式发电单元之间并联连接，包括主电路、本地控制器，通过馈线连接至公共母线；主电路包括顺次连接的微源、三相全桥逆变器、滤波电感L、滤波电容C、馈线，三相全桥逆变器电路包括六个功率开关管，公共母线还连接线性和非线性负载；若干个分布式发电单元、线性和非线性负载组成独立微电网，系统还包括连接本地控制器与微网中央控制器的通讯系统。

[0041] 本实施例中改善微网母线电压质量的微网逆变器的控制方法是：微网逆变器是通过自身控制独立工作实现微网母线电压质量改善，以及微网逆变器之间功率分配；并能够接受上层中央管理系统调度，根据上层中央管理系统的调度指令调整微网逆变器输出电压，实现母线电压控制与电压质量改善。

[0042] 在微网逆变器的电压控制环增加谐波阻抗控制，通过模拟谐波负阻抗吸收负载谐波电流，改善微网母线电压质量。通过提取馈线上谐波电流，考虑线路阻抗及虚拟阻抗，计算求取相应次谐波电压参考值，控制微网逆变器输出电压间接实现微网母线电压质量的改善。

[0043] 具体实现通过实时监测微网逆变器输出电流，提取微网逆变器输出电流的谐波成分，根据虚拟阻抗及线路阻抗计算获得谐波参考电压，将谐波参考电压叠加至基波参考电压，进而控制逆变器输出电压，使逆变器具备负谐波阻抗特性，以此改善母线电压质量；同时，微网逆变器能够接受上层中央控制器的管理调度，实时修改虚拟阻抗及线路阻抗的大小以适应系统不同运行工况。上层中央控制器可以根据系统母线电压情况，在线确定修改微网逆变器参与谐波电压系数、各频次谐波阻抗大小、虚拟阻抗大小等变量，这使得系统控制更为灵活，可适应不同组网结构的微网系统以及不用运行工况。微网逆变器的控制流程如图3所示。

[0044] 针对谐波电流的控制，一般在静止坐标系下实现，针对每次谐波采用一个控制器。本发明中通过将谐波变换至旋转坐标系下实现，由于相邻次谐波在旋转坐标系下表征为同一频率交流量，一个控制器可实现对两个频次谐波分量的控制。与静止坐标系下控制相比，可减少一半谐波控制器的使用，控制器更为简洁、运算量小。

[0045] 微网逆变器输出电压的控制算法是：

[0046] 采用下垂控制计算获得逆变器基波参考电压ureff；

[0047] 由馈线电流io经低通滤波器LPF提取出基波电流io1，将基波电流io1乘以虚拟阻抗Zv获得虚拟阻抗电压uv；

[0048] 由馈线电流io经谐波提取获得谐波电流分量iom,m＝6n±1，n＝1,2,3…，将所述谐波电流分量iom与m次谐波电抗Xm相乘获得m次谐波电压参考值urefm,m＝6n±1；

[0049] 由馈线电流io经高通滤波器滤除基波分量得到谐波电流ih，将谐波电流ih乘以谐波电阻Rh得到谐波电阻参考电压值urefR；

[0050] 则，谐波阻抗电压参考值urefh为：

[0051] 其中，虚拟阻抗Zv、谐波补偿次数m、谐波电抗Xm以及谐波电阻Rh接受上层中央管理系统的调度，能够在线修改。

[0052] 具体实施中是按如下方式进行：

[0053] 由式(1)计算获得微网逆变器参考给定电压uref：

[0054] uref＝ureff+uv+urefh   (1)

[0055] 将微网逆变器参考给定电压uref旋转变换至旋转坐标系下参考电压交直轴分量将微网逆变器输出电压uo旋转变换为旋转坐标系下电压交直轴分量uodq，则电压误差Δudq为：

[0056]

[0057] 将所述电压误差Δudq利用由式(2)表征的基波控制器得到基波电流参考值(ifdq)k：

[0058] (ifdq)k＝a0(Δudq)k+a1(Δudq)k-1-b1(ifdq)k-1   (2)

[0059] 式(2)中，k为第k次采样时刻，k-1为第k-1次采样时刻，b1＝-1，kvP为基波控制器比例系数、kvI为基波控制器积分系数，Ts为采样周期。

[0060] 电压误差Δudq经由式(3)表征的m次谐波控制器得到m次谐波电流参考值(imdq)k：

[0061] (imdq)k＝c1(Δudq)k+c2(Δudq)k-2-d1(imdq)k-1-d2(imdq)k-2   (3)[0062] 式(3)中：

[0063]

[0064]

[0065] 其中，m为对应的各谐波次数，kRh为谐波控制器比例系数、ωc为谐波控制器截止频率、ω0为基波电压频率；

[0066] 基于各次谐波电流参考值(imdq)k计算获得谐波电流参考值(ihdq)k为：

[0067]

[0068] 则有：电流参考值 为：

[0069] 将微网逆变器电流iL旋转变换至旋转坐标系下电流交直轴电流iLdq，将电流参考值 与旋转坐标系下电流交直轴电流iLdq作差，再经电流控制器输出电压参考值Udq，将电压参考值Udq经旋转变换至静止坐标系下uabc，以uabc参与SPWM调制，控制微网逆变器功率开关管的通断。