CN106571643A - 一种光储微电网***控制方法 - Google Patents

Abstract

一种光储微电网***控制方法，利用光储微网***能量管理***检测光储微网***公共连接点处谐波含量和功率因数，采用旋转坐标下的多重比例谐振控制器实现对基波电流和谐波电流的无静差控制；通过对光储微电网***储能变流器优化控制，实现光储微网***在并网模式下的无功电流补偿及谐波电流补偿功能，消除光储微网***内指定次谐波，改善微网***电能质量。

Description

一种光储微电网***控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于光储微电网***的控制方法。

背景技术

随着新能源的快速发展，由外界环境条件造成的输出功率波动，对电网造成了很大的冲击，使集中式新能源发展受到原来越多的挑战。微电网***应运而生，微电网(简称微网)是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置和相关负荷组成的能够实现自我控制、保护和管理的自治***，微网的出现很好地解决了新能源和电网之间的矛盾，使分布式电源输出功率可控，因而对电网具有友好性。微电网运行在并网模式时，光储微电网***中的主控单元储能变流器可以根据能量管理***运行管理策略经行功率调度，可以执行相应的能量管理策略。

随着非线性负荷和感应电机等用电设备越来越多，光储微网***存在功率因数较低、谐波污染严重等问题，使微网***内电能的利用效率降低、电气设备过热、电气元件使用寿命缩短。考虑到微网***中的储能变流器和有源电力滤波装置有相同的***拓扑，可以通过对储能变流器进行功能优化，在执行能量管理***调度提供有功功率的同时实施补偿***谐波和无功功率，在不增加投资的基础上提高微网***内负荷电能质量。

微网***内谐波治理和无功补偿可以采用无源器件方案和有源器件方案。无源器件方案主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC串联回路，并联于***中，LC回路谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，达到滤除制定此谐波的目的。其优点是成本低，但是不能对谐波的完全补偿，滤波效果不好，并且设备设计完成之后补偿频率已经固定不能变动，如果谐振频率设定不好，会与***产生谐振，影响微网***稳定性。

传统电力有源滤波器采用负载电流谐波补偿方法，通过检测负载电流提取谐波电流，谐波电流作为控制指令参考值。电流跟踪控制一般基于单同步选择坐标系下PI控制器，由于PI控制器对谐波控制存在稳态误差，因此次电流滤波器补偿效果有限；有文献提出了基于多同步旋转坐标系下的PI控制，但是由于大量的坐标变换量导致计算复杂，对控制器的实时性要求较高。

发明内容

本发明的目的是克服非线性负载造成微网***内电能质量较差，功率因数较低，单独治理需要硬件投入，并且传统有源滤波装置不能消除指定次谐波的缺点，提出一种光储微电网***的控制方法。本发明可以对微电网***内储能变流器优化控制，实现微网***在并网模式下的无功电流补偿及谐波电流补偿功能，理论上可以完全消除光储微网***内指定次谐波，在改善微网***内部电能质量的同时，体现微网***对电网的友好性。

本发明利用光储微网***能量管理***检测光储微网***公共连接点(PCC，Point of Common Coupling)处谐波含量和功率因数，采用旋转坐标下的多重比例谐振控制器实现对基波电流和谐波电流的无静差控制；通过对光储微电网***储能变流器优化控制，实现光储微网***在并网模式下的无功电流补偿及谐波电流补偿功能，消除光储微网***内指定次谐波，改善微网***电能质量。

应用本发明所述的光储微电网***包含光伏发电***、蓄电池、储能变流器、谐波检测仪、能量管理***和负荷。其中，储能变流器为3端口设备，包含1个直流端口和2个交流端口，直流端口接蓄电池，2个交流端口分为并网侧和离网侧，并网侧连接大电网，离网侧连接光伏发电***和负荷。谐波检测仪对光储微网***公共连接点处电量信息进行检测。能量管理***采集光储微网***内各点电气信息，并对光储微网***进行控制，当电网故障时，储能变流器运行于离网模式，为光储微网***建立电压和频率；当电网正常时，储能变流器运行于并网模式，接受能量管理***的功率调度，执行不同的能量管理策略。

本发明采用旋转坐标下的多重比例谐振控制器实现对基波电流和谐波电流的无静差控制。所述的多重比例谐振控制器包含电压检测单元、电流检测单元、PLL锁相单元、正负序分离单元、多重比例谐振控制单元和PWM控制单元。所述的电压检测单元和电流检测单元分别检测光储微网***PCC点电压和电流，通过正负序分离单元分别提取出电压正、负序分量和电流正、负序分量。光储微网***PCC点的电压正序分量经过PLL锁相单元获取电网电压角频率和相位。光储微网***PCC点电流经过正负序分离单元后分离成正序电流 和负序电流将正序电流和负序电流分别通过Clark变换到正序αβ^P和负序αβ^N轴系，正序αβ^P轴系经过Park变化到正序dq^P轴系，dq^P轴系下有功电流参考值和无功电流参考值经过反park变换为正序αβ^P轴系下的有功电流给定和无功电流给定由于dq^P轴系下的有功电流、无功电流的直流量给定为αβ^P轴系下的基波正弦量，因此如果dq^P轴的有功电流和无功电流给定为直流量，相当于αβ^P轴系下基波电流给定为正弦量且所有高次谐波电流给定为0，当光储微网***PCC点电流存在不同次谐波时，所述的多重比例谐振控制单元增加指定次谐波的比例谐振控制器，由于比例谐波控制器对对应词谐波可以实现无静差跟踪，因此能够完全消除该次谐波。同时，负序αβ^N轴系下负序电流分量和参考值电流给定为0，负序采用和正序相同的控制器，可以实现负序电流的指定次谐波消除。

多重比例谐振谐波控制器的传递函数G_PR表达式如下：

公式(1)中，ω₀为基波角频率，n为谐波次数，k_p为比例系数，k_n为n次谐波谐振系数。

在同步旋转dq轴系下，有功电流和无功电流存在耦合，采用有功无功解耦，实现有功电流和无功电流单独控制，在抑制并网谐波电流的同时，提供无功补偿。

本发明采用的多重比例谐振谐波控制方法不需要复杂的同步旋转坐标系变换，通过多重比例谐振控制器实现交流信号实现无静差跟踪，对所述储能变流器控制方法步骤为：

1、电压检测单元检测光储微网***PCC点电压，经过正负序分离单元分别提取出正序电压分量和负序电压分量，对电网正序电压经过PLL数字锁相环单元，获取光储微网***PCC点基波电压相位；

2、电流检测单元检测光储微网***PCC点相电流分别为i_a、i_b、i_c，经过正负序分离单元，分别提取出正序电流分量和负序电流分量

3、基波正序电流分量经坐标变换，变换到两相同步旋转坐标系下其中代表有功电流分量，代表无功电流分量，和经过反park变化到静止αβ^P轴系下为正弦量。多重比例谐振控制器包含基波电流控制和谐波电流控制，由于比例谐振控制器在基波和对应次谐波频率处有无穷大增益，理论上可以实现基波电流和对应次谐波电流的无静差控制；

4、所述的储能变流器根据光储微网***的能量管理***的调度输出有功功率和无功功率，并对指定次谐波进行消除。正序基波电流给定为有功和无功给定，正序谐波电流控制为0，负序基波及谐波电流给定均为0，实现负序电流控制为0；

5、所述的能量管理***实时检测光储微网***公共连接点PCC谐波含量和功率因数，能量***和光储微网***的储能变流器通过Modbus协议进行信息交换，储能变流器根据能量管理策略对微网***内无功功率和谐波电流进行补偿，满足微网***电能质量要求。

能量管理***通过电能质量分析仪实时监测并网点谐波和功率因数，当并网点谐波超过设定的阈值时，通过对谐振系数k_n设置非零值来使能指定次谐波控制，可以消除该次谐波，同时可以通过能量管理******手动设定消除在储能变流器消除能量范围内的谐波。光储微网***中的非线性整流负载是典型的谐波源，本发明对微网***内电视机、节能灯、计算机、充电器等非线性家用负荷产生最大谐波含量的5、7、11、13次谐波进行默认消除，其他次谐波根据能量管理策略进行消除，当微网***中谐波电流超出储能变流器的补偿容量时，可以只选择补偿其中危害比较大的特征次谐波。如果微网***内已经安装有无源滤波装置，可以选择补偿无源滤波器补偿不到的特征次谐波，多重比例谐振谐波控制理论上可以实现对任意次谐波进行消除，但是受限于数字信号处理器的频率，在光储微网***中考虑最大消除25次谐波。

本发明所采用的多重比例谐振控制为基波比例谐振控制和谐波比例谐振控制的叠加。储能变流器采集PCC点电压，经过正负序分离后锁相获取电网基波角频率和相位，采集PCC点电流，利用正负序分离控制分离出电流正序和负序分量，正序基波三相电流经坐标变换，变换到两相同步旋转坐标系下其中代表有功电流分量，代表无功电流分量。在同步旋转坐标系下有功给定电流和无功给定电流经过反park变化，变换到两相正序静止坐标系αβ^P轴系下进行控制，同时控制负序基波电流和谐波电流为零。多重比例谐振谐波控制为基波比例谐振控制和多次谐波比例谐振控制并联，由于多重比例谐振谐波控制在基波和谐波处无穷大增益，因此多重比例谐振控制可以实现对基波和指定次谐波的无差控制。

现有对PCC点谐波进行闭环消除的方法，一般是检测谐波源处的谐波电流，由控制设备发出反向输出电流进行补偿，如有多处谐波源，要对每一个谐波源进行电流检测。本发明的优势是无论光储微电网***内有多少谐波源，只对光储微网***PCC点一处进行检测控制即可。

本发明的效果：

(1)提高光储微网***电能质量。采用多重比例谐振谐波控制器，理论上可以完全消除微网***内非线性负载产生的谐波，在不增加有源电力滤波器硬件设备基础上实现电流谐波抑制，提高微网***内电能质量。

(2)与不进行指定次谐波补偿的控制策略相比，本发明可以对微网***内指定次谐波进行消除，谐波补偿方式灵活。

(3)动态无功补偿，可以动态补偿微网***内无功功率，提高微网***功率因数。

(4)传统的有源电力滤波装置需要检测负载处谐波电流，当微网***内非线性负载位置较远时，采集电路成本增加，本发明提出的基于PCC点谐波电流补偿，只需将储能电流传感器安装在处，电路简单。

附图说明

图1光储微网***拓扑图；

图2储能变流器拓扑图；

图3多重比例谐振指定此谐波控制器原理图；

图4储能变流器多重比例谐振谐波抑制控制图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，应用本发明的光储微网***包含光伏发电***、储能***、能量管理***、电能质量分析仪和负载，其中储能***包含蓄电池和储能变流器，储能变流器有三个端口，直流端口接蓄电池，交流端口有并网侧端口和离网侧端口，光伏发电***和负载接入储能变流器的交流侧端口母线，储能变流器并网侧端口接入电网，电能质量分析仪对PCC点功率和电能质量进行实时监测和分析。本发明对微网***的控制通过储能***、储能变流器和电能质量分析仪来实现。

储能***并网侧通过光储微网***公共连接点连接到大电网，储能变流器负载侧分别连接供光伏***和负载。电能质量分析仪对光储微网***公共连接点电能质量进行监测，储能***对光储发电***、储能***、负载及电能质量分析仪进行监测和控制，并进行综合调度。EMS***和储能变流器通过Modbus协议通信。

1、电压检测单元检测光储微网***PCC点AB、BC、CA线电压e_ab、e_bc、e_ca，按照公式(2)计算出PCC点相电压e_a、e_b、e_c。

2、当光储微网***内三相功率不平衡时，根据对称分量法可以把三相不平衡量分为正负分量、负序分量，正负序分离采用全通滤波器来实现，全通滤波器可以在输入输出之间实现90度相移，并且保持幅值不变，全通滤波器的传递函数为公式(3)所示。

对上述公式进行数字离散变换，得到90度相移的差分公式，然后根据正负序变换之间关系实现正负序分离的提取。PCC点相电压e_a、e_b、e_c经过正负序分离单元后正序电压为 负序电压为

3、对光储微网***PCC点正序电压分量经过PLL数字锁相环单元，获取光储微网***PCC点基波电压相位θ_p。

4、电流检测单元检测光储微网***PCC点相电流i_a、i_b、i_c，经过正负序分离单元后正序电流为负序电流为

5、三相静止坐标系下的PCC点正负序电压、电流经过clark变换到两相静止αβ轴系下分别为和其中clark变换公式如式(4)所示。

6、本发明有功电流和无功电流的给定在同步旋转坐标系下进行，两相静止αβ轴系到两相同步旋转dq轴系下的变换公式如式(5)所示。由于同步选择坐标系中有功电流和无功电流存在耦合，需要进行有功无功解耦控制，解耦过程如图4所示；

有功电流指令和无功电流指令为直流量，有功功率和无功功率如下式(6)所示，由于基于电网电压定向，e_q＝0，则上式可以简化为式(7)，当不考虑电网电压波动时，电网电压d轴分量e_d为定值，通过控制有功电流给定值可以控制无功功率；控制无功电流给定值可以控制无功功率；

其中：e_d为电网电压d轴分量，e_q为电网电压q轴分量，i_dref为有功电流给定值，i_qref为无功电流给定值。当检测到微网***内功率因数较低时，能量管理***根据能量管理策略通过Modbus通讯协议给储能变流器发出无功调度指令，储能变流器根据能量管理***指令，调整无功满足微网***要求。

7、同步旋转dq轴系下有功和无功电流分量经过反park变化后进入静止坐标下αβ轴系，正序dq轴下有功电流、无功电流参考值经坐标变换后为正序αβ轴系下和其中为基波正弦量；多重比例谐波控制器离散化输出电流为公式(8)所示；同时，负序电流给定值给定为0；

其中n为谐振控制器次数，u_{PR_n}(k)为n次谐振控制器k时刻输出电压，T_s为数字***采样周期，i_err(k)为αβ轴系下电流给定与电流反馈之差，k_p为谐振系数，k_r为谐振系数。

8、为了抑制电网电压波动和实现控制快速响应效果，本发明采用电网电压前馈控制，如式(9)所示，可得αβ轴系下正负序控制输出电压分别为

v_α＝e_α+u_pr (9)

其中v_α为控制输出电压，e_α为电网电压，u_pr为多重比例谐振控制器输出电压。

9、控制输出电压分别为经过反clark变化，得到正序控制输出电压和负序控制输出电压

10、按照公式(10)正序、负序控制输出电压进行叠加，得到输出电压指令v_a、v_b、v_c；电压v_a、v_b、v_c经过SVPWM控制单元，输出PWM开关驱动信号驱动开关管开通和闭合，产生期望的电流并实现对谐波电流的控制；

能量管理***根据不同的能量管理运行策略对储能变流器输出电流和消除谐波次数进行调度，提高微网***功率因数和减少微网***内谐波含量，从而提高微网***内电能质量。

Claims (4)

1.一种光储微电网***控制方法，其特征在于：所述的控制方法利用光储微网***能量管理***检测光储微网***公共连接点处谐波含量和功率因数，采用旋转坐标下的多重比例谐振控制器实现对基波电流和谐波电流的无静差控制；通过对光储微电网***储能变流器优化控制，实现光储微网***在并网模式下的无功电流补偿及谐波电流补偿功能，消除光储微网***内指定次谐波，改善微网***电能质量；

所述光储微电网***储能变流器的控制方法步骤如下：

(1)电压检测单元检测光储微网***公共连接点电压，经过正负序分离单元分别提取出正序电压分量和负序电压分量，对电网正序电压经过PLL数字锁相环单元，获取光储微网***公共连接点基波电压相位；

(2)电流检测单元检测光储微网***公共连接点相电流分别为i_a、i_b、i_c，经过正负序分离单元，分别提取出正序电流分量和负序电流分量

(3)基波正序电流分量经坐标到两相同步旋转坐标系下其中代表有功电流分量，代表无功电流分量，有功电流分量和无功电流分量经过反park变化到静止αβ^P轴系下为正弦量；多重比例谐振控制器包含基波电流控制和谐波电流控制，由于比例谐振控制器在基波和对应次谐波频率处有无穷大增益，能够实现基波电流和对应次谐波电流的无静差控制；

(4)所述的储能变流器根据光储微网***的能量管理***的调度输出有功功率和无功功率，并对指定次谐波进行消除；正序基波电流给定为有功和无功给定，正序谐波电流控制为0，负序基波及谐波电流给定均为0，实现负序电流控制为0。

2.根据权利要求1所述的光储微电网***控制方法，其特征在于：所述的多重比例谐振谐波控制器的传递函数G_PR表达式为：

$G_{PR}=k_p+\underset{n=1}{\overset{25}{\Σ}}\frac{k_{n}s}{s^2+{\left({\mathrm{n\ω}}_0\right)}^2}$

ω₀为基波角频率，n为谐波次数，k_p为比例系数，k_n为n次谐波谐振系数。

3.根据权利要求1所述的光储微电网***控制方法，其特征在于：所述的多重比例谐波控制器为：

$u_{PR\_n}\left(k\right)=k_p\left(i_{err}\left(k\right)-i_{err}\left(k-1\right)\right)+\frac{2\cos \left(2\mathrm{\π}n\right)}{T_s}{i}_{PR}\left(k-1\right)-i_{PR}\left(k-2\right)+k_r\frac{\sin \left(2\mathrm{\π}n\right)}{T_s}\left(i_{err}\left(k-1\right)-i_{err}\left(k-2\right)\right)$

其中n为谐振控制器次数，u_{PR_n}(k)为n次谐振控制器k时刻输出电压，T_s为数字***采样周期，i_err(k)为αβ轴系下电流给定与电流反馈之差，k_p为比例系数，k_r为谐振系数。

4.根据权利要求1所述的光储微电网***控制方法，其特征在于：所述的能量管理***实时检测光储微网***公共连接点谐波含量和功率因数，能量***和光储微网***的储能变流器通过Modbus协议进行信息交换，储能变流器根据能量管理策略对微网***内无功功率和谐波电流进行补偿，满足微网***电能质量要求；对微网***最大谐波含量的5、7、11、13次谐波进行默认消除，其他次谐波根据能量管理策略进行消除；当微网***中谐波电流超出储能变流器的补偿容量时，只选择补偿其中危害比较大的特征次谐波，同时通过能量管理******手动设定消除在储能变流器消除能量范围内的谐波。