CN109449941A - 基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，该方法通过1）分布式电源谐振虚拟阻抗设计；2）谐振虚拟阻抗控制；3）分布式电源的电压与频率指令计算；4）分布式电源的PCC电流谐波虚拟阻抗控制；5）分布式电源输出电压控制等步骤，实现对微电网中电力谐波的抑制。该方法具有电力谐波测量环节依赖性低，动态性能高，硬件投入低等优势。在改善微电网***电能质量、提高微电网***稳定性方面具有较好的应用前景。

Description

基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法

技术领域

本发明属于及电能质量控制技术领域，具体涉及一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法。

背景技术

为缓解传统能源的短缺危机，确保人类的可持续发展，采用可再生能源为一次能源的分布式发电***获得了大力推广和应用。但分布式发电在配电网中渗透率的增加，对电网的潮流特性及稳定性均带来较大影响。在最大限度整合分布式发电的优势，同时削弱分布式发电并网带来的诸多不利影响的前提下，将分布式发电***与负载整合为微电网的控制方式被广泛采用。由于微电网中的分布式电源统多采用电力电子装置与电网接口，这些电力电子装置的非线性特性使得微电网***出现谐波污染问题，同时，由于可再生能源的自身特性及其相互间的影响，电能质量问题则更加严峻，甚至会对微电网的稳定性造成影响。因此，如何降低分布式发电***的电力谐波，提升微电网***电能质量的控制方法亟待研究和突破。

目前，国内外已有许多学者在提升微电网***电能质量方面展开了研究。主要可分为以下两类研究内容：

(1)第一类研究主要围绕如何降低分布式电源的自身谐波展开。该类方法多基于LCL滤波器的参数设计实现对分布式电源自身谐波的抑制，但由于LCL滤波环节可构成一个3阶谐振电路，因此，当多台分布式电源并联运行时，多个LCL电路并联将构成更高阶的谐振电路，当***处于欠阻尼条件下时，LCL滤波电路将可能产生谐振现象，导致微电网***电能质量和运行稳定性的降低。为解决该类问题，一些学者建立了多个分布式电源的微电网***谐振问题分析模型，并针对该类模型提出了一系列分布式电源的有源阻尼控制方法。

(2)第二类研究主要围绕如何降低微电网***的谐波展开。该类方法多采用在微电网中增加电力滤波器的方式来实现电力谐波的抑制，而电力滤波器又可分为无源滤波器和有源滤波器两类，但由于无源滤波器存在适应性差、过载能力低、易产生谐振等诸多问题，因此，有源电力滤波器收到更多的关注。有源滤波器根据其应用方式又可分为串联型和并联型两类，而后者在微电网中获得更多的应用，并联型有源滤波器的控制部分由谐波检测与提取环节和电流跟踪控制策略两大部分组成。其等效电路可表示为指令电流源与其输出阻抗并联的形式，实际运行时，并联型有源滤波器采用电流源工作模式，根据补偿点的谐波电流检测结果计算得到谐波电流补偿指令，产生一个与谐波电流大小相等、相位相反的电流，进而抵消谐波源产生的谐波电流。目前，谐波测量环节的实现方法有许多，如基于瞬时无功理论的i_p-i_q算法、基于频域的DFT与FFT算法和基于时域的多DQ旋转法等。

在上述电力谐波抑制方法中，第一类方法仅能解决微电网内部的电力谐波抑制问题，无法实现微电网与电网接口处即PCC(Point ofCommon Coupling)处电力谐波的抑制；而第二类方式虽然可以解决PCC处电力谐波的抑制，但却需要在***中增加新的电力电子装置，这将会在***中引入新的谐波，并将改变原有微电网***的谐波特性模型，导致***复杂程度变高，也使***的建设费用增加，且该类方法对电流谐波测量结果依赖较高，使得***控制环节设计存在较大困难。鉴于此，本发明提出了一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式微电网有源滤波器控制方法。

发明内容

本发明的目的是在不增加微电网中电力电子装置数量的基础上，提出一种就虚拟阻抗控制的有源滤波控制方法。本发明在保障分布式电源实现微电网供电的功能基础上，通过对分布式电源虚拟阻抗的设计，可实现分布式电源谐振抑制及微电网PCC处的谐波抑制，为改善微电网电能质量提供一种新方法。

虚拟阻抗，是指基于电路中的等效阻抗定义，通过采用相应的控制策略，使得分布式电源***的等效输出阻抗能够呈现***期望特性。在微电网分布式电源的控制中，可通过动态等效电路及控制算法计算得到该***的等效电路，该电路可表示为可控电压源与等效阻抗的串联电路，等效阻抗值取值与分布式电源控制环节相关。实际应用中，等效阻抗为传递函数形式，其在频域上呈现不同的幅值、相角特性，因此其对应的等效阻抗也具有不同的幅值、相角特性。

本发明具体采用如下技术方案：

一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，该方法包括以下步骤：

1)分布式电源谐振虚拟阻抗设计：根据分布式电源***伯德图计算***的谐振频率；

2)谐振虚拟阻抗控制：采集分布式电源输出电压电流信号，提取谐振频率次电流，基于谐振频率次电流与有源阻尼阻抗乘积计算虚拟阻抗压降；

3)分布式电源的电压与频率指令计算：提取分布式电源输出电压电流基波信号，计算电源输出有功功率与无功功率，根据输出功率计算分布式电源的基波电压与频率指令，将基波电压指令与虚拟阻抗压降之差作为最终电压指令；

4)分布式电源的PCC电流谐波虚拟阻抗控制：采用外环PIR控制器、内环P控制器的方式改善谐波次等效阻抗，外环实现输出电压反馈控制，内环实现输出电流反馈控制；

5)分布式电源输出电压控制：采用SVPWM调制方式计算输出电压形式，控制电力电子装置中各器件工作状态。

优选地，步骤1)中***谐振频率G_{i_o(s)}的计算方式为：

式中，k_PWM代表分布式电源的PWM环节等效增益、G_i(s)代表分布式电源电流环控制器传递函数、L代表分布式电源侧滤波电感、L_o代表微网侧滤波电感、C代表滤波电容。

优选地，步骤2)中谐振虚拟阻抗控制的具体方式为：

电压源工作模式分布式电源等效电路的动态模型如下：

式中，v代表输出电压、v_in代表开环动态平均输出电压、i_L代表滤波电感电流、i代表输出电流、u代表开关状态决定的变量函数；

电压源工作模式变流器的开环动态平均输出电压的表示如下：

将u·v_in表示为：

v＝av_ref-bi

式中，v_ref为指令电压，a为指令电压系数，b为输出电流系数；

带阻滤波器的传递函数如下所示：

式中，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数。

优选地，步骤3)中分布式电源的电压与频率指令计算的具体方式为：

提取分布式电源输出电压电流基波信号，计算电源输出有功功率与无功功率：

式中，P为分布式电源的有功功率、Q代表分布式电源的无功功率、v_{o_d}代表分布式电源输出电压在同步旋转坐标系下的d轴分量、v_{o_q}代表分布式电源输出电压在同步旋转坐标系下的q轴分量、i_{o_d}代表分布式电源输出电流在同步旋转坐标系下的d轴、i_{o_q}代表分布式电源输出电流在同步旋转坐标系下的q轴分量；

根据输出功率计算分布式电源的基波电压与角频率指令，

式中，k_p代表分布式电源的频率下垂增益、k_{L_q}代表分布式电源的感性线路电压下垂增益、ω^*代表分布式电源的基准角频率、V^*代表分布式电源的基准电压、ω代表分布式电源的下垂控制角频率、V代表分布式电源的下垂控制电压；

在获得输出电压的电压和角频率后，将基波电压指令与虚拟阻抗压降之差作为最终电压矢量幅值指令，将角频率指令积分后作为最终电压矢量角度指令：

式中，V_ref代表分布式电源的最终指令电压矢量幅值，θ_ref代表分布式电源的最终指令电压矢量相角，V代表分布式电源的下垂控制电压，i_o代表分布式电源的输出电流，Z_vir代表分布式电源虚拟阻抗，ω代表分布式电源的下垂控制角频率；

优选地，步骤4)中外环PIR控制器传递函数如下：

式中，k_p代表比例系数、k_i代表积分系数、k_r代表谐振系数、ω_o代表谐振角频率、ω_c代表低通截止角频率。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明提供了一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，通过设计分布式电源的虚拟阻抗，实现对微电网中电力谐波的抑制。该方式具有电力谐波测量环节依赖性低，动态性能高，硬件投入低等优势。在改善微电网***电能质量、提高微电网***稳定性方面具有较好的应用前景。

附图说明

图1电压源工作模式分布式电源拓扑结。

图2电压源工作模式分布式电源等效电路。

图3谐振特性伯德图。

图4等效虚拟阻抗伯德图。

图5电压源工作模式有源滤波器控制原理框图。

图6电压源工作模式变流器接入电网的谐波等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行具体说明。一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法包括以下具体实施步骤：

1)分布式电源谐振虚拟阻抗设计：根据分布式电源滤波环节伯德图计算***的谐振频率；分布式电源的控制如图1所示，图中，L代表FMS侧滤波电感、Lo代表微网侧滤波电感、C代表滤波电容、i_ref代表分布式电源指令电流、i_o代表分布式电源输出电流、i_L代表分布式电源电感电流、i_c代表滤波电容电流、v_PWM代表PWM指令电压、v_C代表分布式电源滤波电容压降、v_Lo代表分布式电源的网侧电感压降、v_mg代表分布式电源的微网接入点电压、u·v_in代表分布式电源的开环动态输出电压。

***的等效开环函数如图2所示，根据图2可计算***的开环传递函数如式(1)，基于式(1)可获得***开环伯德图，计算***谐振频率。

式中k_PWM代表分布式电源的PWM环节等效增益、G_i(s)代表分布式电源电流环控制器传递函数、L代表分布式电源侧滤波电感、L_o代表微网侧滤波电感、C代表滤波电容。

2)谐振虚拟阻抗控制：根据电路原理，可根据附图3得到电压源工作模式分布式电源等效电路的动态模型描述如下：

式(2)及附图3中，L代表滤波电感、C代表滤波电容、L_o代表交流母线侧滤波电感、v代表输出电压、v_in代表开环动态平均输出电压、i_L代表滤波电感电流、i代表输出电流、u代表开关状态决定的变量函数。

由式(1)可得到电压源工作模式变流器的开环动态平均输出电压的表示如下：

由于电压源工作模式分布式电源多采用双闭环控制，因此，可将u·v_in表示为：

v＝av_ref-bi (4)

式中，v_ref为指令电压，a为指令电压系数，b为输出电流系数。

根据电路的一端口或二端口网络定义，可得到该***的等效电路如附图4所示。改变电压源工作模式分布式电源的反馈通路传递函数，可改***输出电压u·v_in。因此，通过在反馈通路增加一个带阻滤波来改变的谐振频率等效阻抗，实现***的有源阻尼，带阻滤波器的传递函数如式(5)所示：

式中，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数；

3)分布式电源的电压与频率指令计算：提取分布式电源输出电压电流基波信号，计算电源输出有功功率与无功功率，计算方法如式(6)，式中，P代表分布式电源的有功功率、Q代表分布式电源的无功功率、v_{o_d}代表分布式电源输出电压在同步旋转坐标系下的d轴分量、v_{o_q}代表分布式电源输出电压在同步旋转坐标系下的q轴分量、i_{o_d}代表分布式电源输出电流在同步旋转坐标系下的d轴、i_{o_q}代表分布式电源输出电流在同步旋转坐标系下的q轴分量；

根据输出功率计算分布式电源的基波电压与角频率指令，计算方法如式(7)，式中，k_p代表分布式电源的频率下垂增益、k_{L_q}代表分布式电源的感性线路电压下垂增益、ω^*代表分布式电源的基准角频率、V^*代表分布式电源的基准电压、ω代表分布式电源的下垂控制角频率、V代表分布式电源的下垂控制电压；

在获得输出电压的电压和角频率后，将基波电压指令与虚拟阻抗压降之差作为最终电压矢量幅值指令，将角频率指令积分后作为最终电压矢量角度指令，计算方法如式(8)，式中，V_ref代表分布式电源的最终指令电压矢量幅值，θ_ref代表分布式电源的最终指令电压矢量相角，V代表分布式电源的下垂控制电压，i_o代表分布式电源的输出电流，Z_vir代表分布式电源虚拟阻抗，ω代表分布式电源的下垂控制角频率；

4)分布式电源的PCC电流谐波虚拟阻抗控制：采用外环PIR控制器、内环P控制器的方式改善谐波次等效阻抗，外环实现输出电压反馈控制，内环实现输出电流反馈控制。PIR传递函数如下：

式中，k_p代表比例系数、k_i代表积分系数、k_r代表谐振系数、ω_o代表谐振角频率、ω_c代表低通截止角频率。

5)分布式电源输出电压控制：采用SVPWM调制方式计算输出电压形式，控制电力电子装置中各器件工作状态。

本发明提出的电压源工作模式有源滤波器控制方法如附图5所示。

本发明的工作原理为：

采用电压源工作模式有源滤波器现h次电力谐波抑制时，根据电路叠加定理，在h次谐波频率下，可将电压源工作模式分布式电源等效为h次谐波电压源与h次谐波输出阻抗的串联(h次谐波电压控制为0)，电网等效为h次谐波阻抗，微电网的谐波负荷等效为h次谐波电流源。因此，可得到电压源工作模式变流器接入电网的h次谐波等效电路如图6所示：

设电压源工作模式变流器的等效总阻抗值为Z_{a_h}(电阻R_{a_h}、电感L_{a_h}、总导纳为Y_{a_h})、电网的线路总阻抗为Z_{g_h}(电阻R_{g_h}、电感L_{g_h}、导纳为Y_{g_h})，谐波源的输出谐波电流为i_{load_h}，可根据图6计算电压源工作模式变流器分担的谐波电流表示如下：

由式(10)可见，对于电压源工作模式变流器而言，等效阻抗取值越小，其负担的谐波电流越大，电网则负担越小的谐波电流。因此，当电压源工作模式变流器谐波阻抗取值远小于电网谐波次等效阻抗取值时，微电网***的电力谐波将主要由电压源工作模式变流器分担，可有效实现电力谐波的抑制。

Claims (5)

1.一种基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)分布式电源谐振虚拟阻抗设计：根据分布式电源***伯德图计算***的谐振频率；

2)谐振虚拟阻抗控制：采集分布式电源输出电压电流信号，提取谐振频率次电流，基于谐振频率次电流与有源阻尼阻抗乘积计算虚拟阻抗压降；

3)分布式电源的电压与频率指令计算：提取分布式电源输出电压电流基波信号，计算电源输出有功功率与无功功率，根据输出功率计算分布式电源的基波电压与频率指令，将基波电压指令与虚拟阻抗压降之差作为最终电压指令；

4)分布式电源的PCC电流谐波虚拟阻抗控制：采用外环PIR控制器、内环P控制器的方式改善谐波次等效阻抗，外环实现输出电压反馈控制，内环实现输出电流反馈控制；

5)分布式电源输出电压控制：采用SVPWM调制方式计算输出电压形式，控制电力电子装置中各器件工作状态。

2.一种如权利要求1所述的基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，其特征在于，步骤1)中***谐振频率G_{i_o(s)}的计算方式为：

式中，k_PWM代表分布式电源的PWM环节等效增益、G_i(s)代表分布式电源电流环控制器传递函数、L代表分布式电源侧滤波电感、L_o代表微网侧滤波电感、C代表滤波电容。

3.一种如权利要求2所述的基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，其特征在于，

步骤2)中谐振虚拟阻抗控制的具体方式为：

电压源工作模式分布式电源等效电路的动态模型如下：

式中，v代表输出电压、v_in代表开环动态平均输出电压、i_L代表滤波电感电流、i代表输出电流、u代表开关状态决定的变量函数；

电压源工作模式变流器的开环动态平均输出电压的表示如下：

将u·v_in表示为：

v＝av_ref-bi

式中，v_ref为指令电压，a为指令电压系数，b为输出电流系数；

带阻滤波器的传递函数如下所示：

式中，ω₀为带通滤波器谐振频率，Q为品质因数。

4.一种如权利要求3所述的基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，其特征在于，步骤3)中分布式电源的电压与频率指令计算的具体方式为：

提取分布式电源输出电压电流基波信号，计算电源输出有功功率与无功功率：

式中，P为分布式电源的有功功率、Q代表分布式电源的无功功率、v_{o_d}代表分布式电源输出电压在同步旋转坐标系下的d轴分量、v_{o_q}代表分布式电源输出电压在同步旋转坐标系下的q轴分量、i_{o_d}代表分布式电源输出电流在同步旋转坐标系下的d轴、i_{o_q}代表分布式电源输出电流在同步旋转坐标系下的q轴分量；

根据输出功率计算分布式电源的基波电压与角频率指令，

式中，k_p代表分布式电源的频率下垂增益、k_{L_q}代表分布式电源的感性线路电压下垂增益、ω^*代表分布式电源的基准角频率、V^*代表分布式电源的基准电压、ω代表分布式电源的下垂控制角频率、V代表分布式电源的下垂控制电压。

在获得输出电压的电压和角频率后，将基波电压指令与虚拟阻抗压降之差作为最终电压矢量幅值指令，将角频率指令积分后作为最终电压矢量角度指令：

式中，V_ref代表分布式电源的最终指令电压矢量幅值，θ_ref代表分布式电源的最终指令电压矢量相角，V代表分布式电源的下垂控制电压，i_o代表分布式电源的输出电流，Z_vir代表分布式电源虚拟阻抗，ω代表分布式电源的下垂控制角频率。

5.一种如权利要求4所述的基于虚拟阻抗控制的电压源工作模式有源滤波器控制方法，其特征在于，步骤4)中外环PIR控制器传递函数如下：

式中，k_p代表比例系数、k_i代表积分系数、k_r代表谐振系数、ω_o代表谐振角频率、ω_c代表低通截止角频率。