CN103715704B - 一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于微电网***中分布式电源控制技术领域，涉及一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法，该方法对微电网***PCC节点处母线负序电压进行直接补偿，微电网中的各个分布式电源能够自动响应微电网PCC节点处母线电压不平衡度的变化，自适应调整负序电压补偿控制器（UVC），使得各个分布式电源按照其额定负序无功容量输出负序无功，维持PCC节点处母线的电压平衡度。本发明可以使得微电网中并联的分布式电源具有抑制微电网电压不平衡的功能。

Description

一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法

技术领域

本发明属于微电网***中分布式电源控制技术领域，涉及一种基于多分布式电源并联的公共母线电压不平衡抑制方法。

背景技术

新能源发电***的广泛使用，使得基于多种分布式电源，负载以及储能装置的微电网***成为智能电网的基本单元。微电网***一般为低压***，在低压***中单相负荷是广泛存在的，导致了三相逆变器三相输出电压的不对称，从而造成较大的能量损失，影响微电网***的稳定性。因此，必须采取措施加以抑制，保证分布式电源在不平衡负载下保持输出电压的相对平衡。

IEEE和IEC均对电压不平衡度的定义、最大允许值等作出了明确的规定^[1]。我国国家技术监督局颁布的国家标准GB/T15543-2008《电能质量三相电压不平衡》中规定，电力***公共连接点（PointofCommonCoupling，PCC）正常电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%^[2]。因此，微电网电压不平衡补偿极其重要。

现有的低压微电网不平衡电压补偿主要有两种方式，一种是通过串联电能质量调节器，向线路注入负序电压实现；另外一种是采用并联电能质量调节器，通过向线路注入负序电流实现。前者由于成本高和影响线路参数而应用较少，后者当线路出现严重不平衡时其输入到***的负序电流将快速增加，严重时会超过电能质量调节器的输出极限，造成事故。不仅如此，这两种常见的不平衡补偿装置只在电压不平衡出现时投入，而在***正常运行时是不起作用的，设备利用率低，经济效益较差。

微电网中大量的分布式电源通过三相并网逆变器接入***，其逆变器的结构和电能质量调节装置类似，因此利用微电网中的分布式电源实现电压不平衡抑制是一种经济有效的电压质量改善方案。

参考文献

PillayP,ManyageM.Definitionsofvoltageunbalance[J].IEEEPowerEngineeringReview,2001,21(5):50-51.

中国国家标准GB/T15543-2008：电能质量三相电压不平衡[S].北京：中国标准出版社，2008.

林新春,段善旭,康勇,陈坚.基于下垂特性控制的无互联线并联UPS建模与稳定性分析[J].中国电机工程学报,2004,24(2),34-39.

鲍薇,胡学浩,李光辉,鲍威宇.独立型微电网中基于虚拟阻抗的改进下垂控制[J].电力***保护与控制,2013,41(16),7-13.

WangX,BlaabjergF,ChenZ.SynthesisofVariableHarmonicImpedanceinInverter-InterfacedDistributedGenerationUnitforHarmonicDampingThroughoutaDistributionNetwork[J].IndustryApplications,IEEETransactionson,2012,48(4),1407-1417.

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述不足，提供一种利用微电网中的分布式电源实现电压不平衡抑制，是一种经济有效的电压质量改善方案。本发明的技术方案如下：

一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法，其特征是，该方法对微电网***PCC节点处母线负序电压进行直接补偿，微电网中的各个分布式电源能够自动响应微电网PCC节点处母线电压不平衡度的变化，自适应调整负序电压补偿控制器（UVC），使得各个分布式电源按照其额定负序无功容量输出负序无功，维持PCC节点处母线的电压平衡度，包括以下步骤：

1)步骤1，实时检测微电网PCC节点处母线的正序电压和负序电压计算微电网PCC节点处母线的实时电压不平衡度系数

2)步骤2，实时检测微电网中第i个分布式电源DG_i的负序输出无功

3)步骤3，当VUB_pcc大于某个预设的百分比时，投入负序电压补偿控制器（UVC）：设为微电网公共连接点（PCC）的额定电压不平衡度系数；n_i为DG_i的负序无功分配系数；k_e为电压不平衡度误差比例系数；k_P，k_I为PI控制的比例系数和积分系数，则DG_i的UVC的负序电压补偿系数：

${\mathrm{VCR}}_i=(k_P+\frac{k_I}{s})\mathrm{\Δ}{\mathrm{VCR}}_i,$

其中， $\mathrm{\Δ}{\mathrm{VCR}}_i=k_e({\mathrm{VUB}}_{\mathrm{pcc}}-{\mathrm{VUB}}_{\mathrm{pcc}}^{*})-n_i{Q}_i^{-};$

4)步骤4，将VCR_i与DG_i输出的负序电压相乘得到DG_i的负序电压补偿的参考值；

5)步骤5，得到DG_i的负序电压补偿的参考值后，配合其正序有功/频率和无功/电压下垂控制，虚拟阻抗控制，合成DG_i控制***的参考电压，经过电压电流双环控制后进行脉冲宽度调制。

本发明通过改变微电网中接入的分布式电源的控制***，使得微电网中并联的分布式电源具有抑制微电网电压不平衡的功能，各个分布式电源通过各自传输线并联，在进行PCC节点处母线电压不平衡抑制控制时各分布式电源之间无需信号传输线。同时实现了两个独立控制目标：（1）确保了微电网PCC节点处母线的电压质量；（2）并联的分布式电源按照自身的额定负序补偿能力分配输出的负序无功。该方法不仅适用于并网运行方式下的微电网***，也适用于独立运行的微电网***，增强了分布式电源对微电网电压质量的控制能力，提高了微电网的电压质量，实现了微电网的经济和稳定运行。

附图说明

图1为含有多个分布式电源的微电网***示意图；

图2为一个分布式电源的一次电路结构和控制***结构；

图3为PSCAD仿真模型示意图；

图4为PCC节点处母线电压不平衡度变化曲线；

图5为两台分布式电源输出负序无功曲线；

图6为负序电压补偿控制器投入前PCC电压曲线；

图7为负序电压补偿控制器投入后PCC电压曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明一实施例多分布式电源并联***包括若干个并联的分布式电源通过PCC连接在同一微电网母线上，母线电压为400V，如图1所示。分布式电源包括直流微源，三相全桥逆变器，LC滤波电路以及控制***。如图2所示，每台分布式电源的控制策略包括正序有功/频率和无功/电压下垂控制，虚拟阻抗控制以及电压不平衡抑制控制。正序有功/频率和无功/电压下垂控制确保各个分布式电源的输出电压水平和功率水平；虚拟阻抗控制通过在分布式电源控制***中附加阻抗保证正序有功/频率和无功/电压下垂控制的控制效果；电压不平衡抑制控制实时检测PCC处的电压不平衡度VUB_pcc，当VUB_pcc≥2%时启动，各个分布式电源通过快速调节维持PCC处的电压不平衡度维持在设定水平。

1.微电网中的多分布式电源并联的电压不平衡抑制方法，包括以下步骤：

（1）如图2所示，各个分布式电源实时检测微电网PCC节点处母线的正序电压和负序电压形成微电网PCC节点处母线的实时电压不平衡度常数

1)分布式电源的控制***采集出口电压v_Cabc＝[v_Cav_Cbv_Cc]^T和出口电流i_Cabc＝[i_Cai_Cbi_Cc]^T。根据对称分量法，在三相电路中，任意不对称的三相电压或电流均可通过对称分量法分解成三组三相对称的分量，即正序，负序和零序分量。在三相三线电路中，由于没有零序通路，因此不存在零序电流，且零序电压对微电网***的影响也可忽略。由瞬时对称分量法可知，瞬时电压正序分量和负序分量可以分别表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{Cabc}}^{+}={\[v_{\mathrm{Ca}}^{+}{v}_{\mathrm{Cb}}^{+}{v}_{\mathrm{Cc}}^{+}\]}^T=T_{+}{\[v_{\mathrm{Ca}}{v}_{\mathrm{Cb}}{v}_{\mathrm{Cc}}\]}^T\\ v_{\mathrm{Cabc}}^{-}={\[v_{\mathrm{Ca}}^{-}{v}_{\mathrm{Cb}}^{-}{v}_{\mathrm{Cc}}^{-}\]}^T=T_{-}{\[v_{\mathrm{Ca}}{v}_{\mathrm{Cb}}{v}_{\mathrm{Cc}}\]}^T\end{array}\right.,$

瞬时电流正序分量和负序分量可以分别表示为，

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{Cabc}}^{+}={\[i_{\mathrm{Ca}}^{+}{i}_{\mathrm{Cb}}^{+}{i}_{\mathrm{Cc}}^{+}\]}^T=T_{+}{\[i_{\mathrm{Ca}}{i}_{\mathrm{Cb}}{i}_{\mathrm{Cc}}\]}^T\\ i_{\mathrm{Cabc}}^{-}={\[i_{\mathrm{Ca}}^{-}{i}_{\mathrm{Cb}}^{-}{i}_{\mathrm{Cc}}^{-}\]}^T=T_{-}{\[i_{\mathrm{Ca}}{i}_{\mathrm{Cb}}{i}_{\mathrm{Cc}}\]}^T\end{array}\right..$

其中 $T_{+}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a& a^2\\ a^2& 1& a\\ a& a^2& 1\end{array}\right],$ $T_{-}=\frac{1}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& a^2& a\\ a& 1& a^2\\ a^2& a& 1\end{array}\right],$ 且 $a=e^{j\frac{2}{3}\mathrm{\π}}.$

2)通过abc→αβ变换将该输出电压和输出电流转化为v_Cαβ以及i_Cαβ：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{C\α\β}}={\[v_{\mathrm{C\α}}{v}_{\mathrm{C\β}}\]}^T=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{\[v_{\mathrm{Ca}}{v}_{\mathrm{Cb}}{v}_{\mathrm{Cc}}\]}^T\\ i_{\mathrm{C\α\β}}={\[i_{\mathrm{C\α}}{i}_{\mathrm{C\β}}\]}^T=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{\[i_{\mathrm{Ca}}{i}_{\mathrm{Cb}}{i}_{\mathrm{Cc}}\]}^T\end{array}\right.,$ 其中 $T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}1& -1/2& -1/2\\ 0& \sqrt{3}/2& \sqrt{3}/2\end{array}\right].$

3)利用v_Cαβ以及i_Cαβ分别计算出基波正序输出电压基波负序输出电压基波正序输出电流基波负序输出电流其中，

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{C\α\β}}^{+}={\[v_{\mathrm{C\α}}^{+}{v}_{\mathrm{C\β}}^{+}\]}^T=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{v}_{\mathrm{Cabc}}^{+}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{+}{v}_{\mathrm{Cabc}}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{+}{T}_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}^T{v}_{\mathrm{C\α\β}}\\ v_{\mathrm{C\α\β}}^{-}={\[v_{\mathrm{C\α}}^{-}{v}_{\mathrm{C\β}}^{-}\]}^T=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{v}_{\mathrm{Cabc}}^{-}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{-}{v}_{\mathrm{Cabc}}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{-}{T}_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}^T{v}_{\mathrm{C\α\β}}\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{C\α\β}}^{+}={\[i_{\mathrm{C\α}}^{+}{i}_{\mathrm{C\β}}^{+}\]}^T=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{i}_{\mathrm{Cabc}}^{+}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{+}{i}_{\mathrm{Cabc}}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{+}{T}_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}^T{i}_{\mathrm{C\α\β}}\\ i_{\mathrm{C\α\β}}^{-}={\[i_{\mathrm{C\α}}^{-}{i}_{\mathrm{C\β}}^{-}\]}^T=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{i}_{\mathrm{Cabc}}^{-}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{-}{i}_{\mathrm{Cabc}}=T_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}{T}_{-}{T}_{\mathrm{abc}\→\mathrm{\α\β}}^T{i}_{\mathrm{C\α\β}}\end{array}\right..$

4)PCC节点处母线的正序电压 $V_{\mathrm{pcc}}^{+}=\sqrt{{\left(v_{\mathrm{C\α}}^{+}\right)}^2+{\left(v_{\mathrm{C\β}}^{+}\right)}^2}$ ，负序电压 $V_{\mathrm{pcc}}^{-}=\sqrt{{\left(v_{\mathrm{C\α}}^{-}\right)}^2+{\left(v_{\mathrm{C\β}}^{-}\right)}^2}$ 。则微电网PCC节点处母线的实时电压不平衡度系数

（2）实时检测微电网中第i个分布式电源DG_i的负序输出无功

$Q_i^{-}=v_{\mathrm{C\α}}^{-}{i}_{\mathrm{C\β}}^{-}-v_{\mathrm{C\β}}^{-}{i}_{\mathrm{C\α}}^{-}.$

（3）当VUB_pcc≥2%时，投入UVC。设为微电网PCC节点处母线的额定电压不平衡度系数；n_i为DG_i的负序无功分配系数；k_e为电压不平衡度误差比例系数；k_P，k_I为PI控制的比例系数和积分系数。则DG_i的UVC的负序电压补偿系数：

${\mathrm{VCR}}_i=(k_P+\frac{k_I}{s})\mathrm{\Δ}{\mathrm{VCR}}_i,$ 其中 $\mathrm{\Δ}{\mathrm{VCR}}_i=k_e({\mathrm{VUB}}_{\mathrm{pcc}}-{\mathrm{VUB}}_{\mathrm{pcc}}^{*})-n_i{Q}_i^{-}.$

在***进入稳态时，由于各个DG的VUB_pcc和对应同一个PCC节点，而k_e为固定常数，因此（下标i，j分别代表微电网中不同的两个分布式电源DG_i和DG_j），按照DG_i的额定负序无功容量设置n_i，则任意两个不同的分布式电源将按照各自额定负序无功容量成比例输出负序无功。

（4）将步骤（3）中计算出的VCR_i与DG_i输出的负序电压相乘得到负序电压补偿的参考值（将VCR_i与DG_i输出的负序电压相乘保证DG_i的负序电压补偿的参考值和微电网***PCC节点处母线的实际负序电压的相位一致）：

$v_{\mathrm{C\α\β}}^{-*}={\mathrm{VCR}}_i\·v_{\mathrm{C\α\β}}^{-}.$

（5）得到负序电压补偿的参考值后，配合正序有功/频率和无功/电压下垂控制[3]，虚拟阻抗控制[4]，合成逆变器的参考电压，经过内环电压电流双环控制^[5]后进行脉冲宽度调制。

1)正序有功/频率和无功/电压下垂控制的正序有功和正序无功的求解方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_i^{+}=v_{\mathrm{C\α}}^{+}{i}_{\mathrm{C\α}}^{+}+v_{\mathrm{C\β}}^{+}{i}_{\mathrm{C\β}}^{+}\\ Q_i^{+}=v_{\mathrm{C\α}}^{+}{i}_{\mathrm{C\β}}^{+}-v_{\mathrm{C\β}}^{+}{i}_{\mathrm{C\α}}^{+}\end{array}\right..$

得到了正序有功和正序无功后，有功/频率和无功/电压下垂控制的控制方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_i^{*}={\mathrm{\ω}}_0-m_{\mathrm{pi}}{P}_i^{+}\\ E_i^{*}=E_0-n_{\mathrm{qi}}{Q}_i^{+}\end{array}\right.,$

其中，为DGi输出正序电压的参考值和幅度参考值；ω₀和E₀为DG_i的额定频率和额定电压幅值；m_pi和n_qi分别为有功和无功下垂系数。得到了DG_i输出正序电压的参考值和幅度参考值后，通过abc→αβ变换得到DG_i输出正序电压的参考值

2)虚拟阻抗控制通过在分布式电源控制***中附加阻抗保证正序电压、频率下垂控制的控制效果，其控制方法为：

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{Cf\α}}=i_{\mathrm{C\α}}{R}_{\mathrm{vi}}-i_{\mathrm{C\β}}{\mathrm{\ω}}_i^{*}{L}_{\mathrm{fi}}\\ v_{\mathrm{Cf\β}}=i_{\mathrm{C\β}}{R}_{\mathrm{vi}}+i_{\mathrm{C\α}}{\mathrm{\ω}}_i^{*}{L}_{\mathrm{fi}}\end{array}\right.,$

其中，v_Cfαβ=[v_Cfαv_Cfβ]^T为虚拟阻抗控制的输出参考值，R_vi和L_fi为在控制环节中虚拟出的等效输出电阻值和输出电感值。

3)综合每台分布式电源的正序有功/频率和无功/电压下垂控制，虚拟阻抗控制以及电压不平衡抑制控制，得到电压外环的输入参考值

$U_{\mathrm{\α\β}}^{*}=v_{\mathrm{C\α\β}}^{+*}-v_{\mathrm{Cf\α\β}}-v_{\mathrm{C\α\β}}^{-*}.$

4)电压电流双环控制采用了比例谐振控制器（PR），和v_Cαβ通过PR控制器，得到静止坐标下的电流参考值减去i_Lαβ，经过PR控制器，得到静止坐标系下的PWM控制输入信号U_PWMαβ；U_PWMαβ经过αβ→abc变换得到三相坐标系下的PWM控制输入信号U_PWMabc，输入值PWM生成单元进行脉冲宽度调制。PR控制的传递函数为：

$G\left(s\right)=k_{\mathrm{PRp}}+\frac{{2k}_{\mathrm{PRr}}{\mathrm{\ω}}_{c}s}{s^2+{2\mathrm{\ω}}_{c}s+{\left({\mathrm{\ω}}_i^{*}\right)}^{2}s},$

其中，k_PRp和k_PRr分别是PR控制的比例系数和谐振增益，ω_c为截止频率。

2.为了验证本发明所提方法的正确性，参照图3，在PSCAD仿真平台上搭建了含有两个分布式电源的微电网***，***电压为400V，负载为一个接在PCC母线上A相和B相之间的10Ω电阻，不平衡度为2.5%。两个分布式电源的***参数是相同的，控制参数和负载情况如表1所示。在t=0.5秒时，加入负序电压补偿控制器。载波频率设为12.8kHz。由图可见，加入负序电压补偿控制器之后，电压不平衡度降低至1.6%，两个分布式电源输出的负序无功之比和负序无功分配系数之比相反，证明了本发明所提方法的有效性。表1控制***参数：

Claims (2)

1.一种微电网公共母线电压不平衡抑制方法，其特征是，该方法对微电网***公共连接点(PCC)处母线负序电压进行直接补偿，微电网中的各个分布式电源能够自动响应微电网公共连接点(PCC)处母线电压不平衡度的变化，自适应调整负序电压补偿控制器(UVC)，使得各个分布式电源按照其额定负序无功容量输出负序无功，维持公共连接点(PCC)处母线的电压平衡度，包括以下步骤：

1)步骤1，实时检测微电网公共连接点(PCC)处母线的正序电压和负序电压计算微电网公共连接点(PCC)处母线的实时电压不平衡度系数

2)步骤2，实时检测微电网中第i个分布式电源DG_i的负序输出无功

3)步骤3，当VUB_pcc大于某个预设的百分比时，投入负序电压补偿控制器(UVC)：设为微电网公共连接点(PCC)处母线的额定电压不平衡度系数；n_i为DG_i的负序无功分配系数；k_e为电压不平衡度误差比例系数；k_P，k_I为PI控制的比例系数和积分系数，则DG_i的负序电压补偿控制器(UVC)的负序电压补偿系数：

${\mathrm{VCR}}_i=(k_P+\frac{k_I}{s}){\mathrm{\ΔVCR}}_i,$

其中， ${\mathrm{\ΔVCR}}_i=k_e({\mathrm{VUB}}_{pcc}-{\mathrm{VUB}}_{pcc}^{*})-n_i{Q}_i^{-};$

4)步骤4，将VCR_i与DG_i输出的负序电压相乘得到DG_i的负序电压补偿的参考值；

5)步骤5，得到DG_i的负序电压补偿的参考值后，配合其正序有功/频率和无功/电压下垂控制，虚拟阻抗控制，合成DG_i控制***的参考电压，经过电压电流双环控制后进行脉冲宽度调制。

2.根据权利要求1所述的微电网公共母线电压不平衡抑制方法，其特征是，当VUB_pcc≥2％时，投入负序电压补偿控制器(UVC)。