基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法
基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电网质量治理方法，特别设及一种基于双逆变器群协调控制的微 电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法。
【背景技术】
[0002] 随着用户对供电可靠性和电能质量的关注度不断提高W及太阳能、风能等各种形 式的可再生能源大量利用，微电网作为分布式电源接入电网的有效途径得到了国内外学者 的广泛关注。微电网一般是指将多种分布式电源、储能装置和负荷通过电力电子装置连接 起来的小型电网形式，既能并网运行，与传统大电网交换能量，又能独立运行，成为一个能 稳定运行的孤立系统。
[0003] 随着分布式发电单元的大量接入，电能质量问题日益严峻。改善电能质量的方法 一般是采用无源滤波器或者有源滤波器。无源滤波器是采用W电力电容器、电抗器和电阻 器适当组合而成的滤波器。运种方法既可抑制谐波又可补偿无功功率，而且结构简单，一直 被广泛使用。然而，由于其受系统参数的影响较大，且不能实现动态补偿，因此发展有源滤 波的方法。
[0004] 有源滤波的设备一般包括有源电力滤波器、动态电压恢复器、统一电能质量调节 器等。运些设备可W适应系统的参数变化，实现动态补偿，提高电能质量。系统中应用于分 布式发电的接口变流器也可W用作有源滤波，利用变流器的剩余容量进行谐波补偿，运也 就是多功能接口变流器的作用。
[0005] 然而，单一的多功能接口变流器不能同时补偿电网侧的电流谐波和负载侧的电压 崎变，尤其是在电网电压本身含有谐波的条件下。而统一电能质量调节器可W同时补偿电 流和电压的崎变，但是其需要变压器，设备体积庞大且造价较高。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于双逆变器群协调控制的微电网供电电 压和电网电流谐波同步补偿方法，能够在不增加补偿装置的同时改善电能质量。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:暂不写，与权利要求相同 [000引本发明的优点在于：
[0009]本发明中采用双接口变流器并联的结构，在输出基波功率的同时，一变流器对负 载供电电压的谐波进行补偿，另一变流器对负载和一变流器产生的谐波电流进行补偿，保 证电网侧的供电电流的电能质量。运种方法利用分布式发电系统的接口变流器改善电能质 量，无需增加的补偿装置，节约成本，经济实用，便于推广。且本发明采用新的控制控制方 法，其可W省去谐波电流提取环节和锁相环，大大减小了数字控制系统的运算负担。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明中双接口变流器并联拓扑结构示意图。
[0011] 图2为本发明中变流器A控制策略流程图。
[0012] 图3为本发明中变流器B控制策略流程图。
[0013] 图4为本发明只补偿供电电压谐波的仿真波形图；
[0014] 图5为本发明只补偿谐波电流的仿真波形图。
[0015] 图6为本发明同时补偿供电电压与谐波电流的仿真波形图。
[0016] 图7为本发明同时补偿电压与电流谐波时变流器A的仿真波形图。
[0017] 图8为本发明同时补偿电压与电流谐波时变流器B的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0018] 如图1所示，本发明的补偿方法是基于一种双接口变流器并联拓扑结构，其结构具 体如下：
[0019] 包括一对并联设置的变流器A1和变流器B2,变流器A1和变流器B2分别通过各自的 滤波器3、4连接到公共连接点PCC后与大电网交换功率;其中，变流器A1和变流器B2均由六 个功率开关模块组成Ξ相全桥拓扑，变流器A1和变流器B2的直流侧并联一公用的直流侧母 线电容Vdc，滤波器3、4均由变流器侧滤波电感^、电网侧滤波电感L2和滤波电容Cf组成，非线 性负荷5接在变流器A1的电网侧滤波电感L2和滤波电容Cf之间。
[0020] 本发明中的补偿方法采用双变流器电压电流协调控制的策略，具体方法如下：
[0021] 步骤S1:在每个采样周期开始时，变流器A利用采样电路采集滤波电容电压值 Vc, C1、公共连接点电压值Vpcc、输出电流值11, C1和并网电流值12, C1，变流器B利用采样电路采 集输出电流值11, C2、并网电流值12, C2、公共连接点电压值Vpcc和变流器A的并网电流12, C1，而 有功功率参考Prsf和无功功率参考Qref由设备使用者或者上层调度指令给定，并将转化后的 数字量发送给各变流器的控制模块；
[0022] 步骤S2:变流器A的控制模块采用混合电压电流控制策略得到参考电压变 流器B的控制模块采用基波谐波电流控制策略得到参考电压
[0023] 步骤S3:变流器A和变流器Β在得到了参考电压KLn、1^,"后，按照正弦脉宽调 制（SPWM)或者空间矢量脉宽调制（SVPWM)，与Ξ角波进行比较，得到开关管的占空比信号， 从而控制变流器开关管的开通与关断。
[0024] 其中，通过正弦波脉宽调试方法具体为:参考电压与Ξ角波进行比较，当参考电压 高于Ξ角波电压时，上管给出导通信号，下管给出关断信号，反之则上管给出关断信号，下 管给出导通信号，从而得到开关管的占空比信号，最终控制变流器A和变流器B的输出电压。
[0025] 作为本发明更具体的实施方式：
[00%]步骤S2中：变流器A的参考电压fC, η由输出功率控制部分参考电压、电压谐波抑 制部分参考电压和有源阻尼部分参考电压相加得到;概括成方程式一即
[0027]
[002引其中为变流器A的参考电压，12,C1,ref为变流器A的参考信号的输出电流，12,C1 为并网电流，Vc, Cl为变流器A的滤波电容电压值，11, Cl为变流器A的输出电流值;曲Q ( S )、曲ar (s)、Had(s)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例控制器的 传递函数，变量S为复频率；
[0029] 由于功率控制部分为基波控制，在谐波频率下传递函数的增益很小。同时，电压谐 波抑制部分为谐波控制，在基波频率下传递函数的增益很小。因此运两个部分是解禪的，相 互几乎不影响。运也是混合电压电流控制策略可W发挥作用的基础。
[0030] 变流器A输出功率控制部分用来输出分布式电源发出的有功功率和无功功率，其 参考电压为化Q(s) · (l2,Cl,ref-l2,Cl)，具体描述如下：由采样得到的并网电流值I2,C1和公共 连接点电压值Vpc細过功率计算得到变流器A的输出有功功率Pci和无功功率Qci;然后，将参 考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和实际信号的有功功率Pci、无功功率Qcl输入比例积 分控制器PI，得到参考信号的输出电流12,C1,ref;该参考信号的输出电流12,C1,ref与实际信号 的并网电流12,C1相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器化Q，得到变流器A功率控制部分的 参考电压。
[0031] 其中，参考信号的输出电流12,C1,ref由参考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和 实际信号的有功功率Pci、无功功率Qci的差值输入比例积分控制器PI得到；
[0032] 比例积分控制器PI的传递函数为
[00削其中变量S为复频率，kpi_p为比例系数，取值1~50; kpi_i为积分系数，取值10~800。
[0034] 比例谐振控制器也Q的传递函数
[0035] 其中变量S为复频率，kpi,ci为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10 ~800; wc为带宽，取值3~20; W日为中屯、角频率，W0 =化f日，f日=50化。
[0036] 变流器A电压谐波抑制部分用来改善负载供电电压的电能质量，其参考电压为化ar (S) · (￥^〇1,?八^〇1)，具体描述如下：由电压谐波参考值￥^〇1,?:选0与采样得到的滤波电容 电压值Vc,Cl相减，差值 输入谐波抑制比例谐振控制器化ar，得到变流器A电压谐波抑制部分 的参考电压;比例谐振控制器曲ar的传递函数
[0037]
[003引其中变量S为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次山2,01 为比例增益，取值0.1~1; kv,功电压谐波谐振增益，取值10~800; W。为带宽，取值3~20; W0 为中屯、角频率，wo = 2时o，fo = 50Hz。
[0039] 变流器A有源阻尼部分用于提高系统的阻尼，抑制变流器产生谐振，其参考电压为 Had(s) · 具体描述如下：由采样得到的变流器A输出电流值Ii,ci经过阻尼比例控制器 Had，得到变流器A有源阻尼部分的参考电压；比例控制器Had的传递函数HAD(s) = kAD;其中kAD 为比例控制系数，取值1~3。
[0040] 本步骤中，变流器A的谐波电压抑制和基波电流跟踪两个环节都采用了比例谐振 控制。由于比例谐振控制器的频率选择特性，谐波电压抑制和基波电流跟踪两个环节是解 禪的，互不影响。在谐波频率下，呈现出电压源的特性，当电压参考设为零时，供电电压谐波 可w被有效地抑制。然而在基波频率下，呈现出电流源的特性，可w按照指令输出功率。
[0041] 步骤S2中：变流器B的参考电压由功率控制部分的参考电压、电流谐波抑制 部分的参考电压和有源阻尼部分的参考电压相加得到;概括成方程式二即：
[0042]
[0043] 其中为变流器B的参考电压，12, C2, ref为变流器B的参考信号的输出电流， 12, C1为变流器A的并网电流，12, C2为变流器B的并网电流，11, C2为变流器B的输出电流值;曲Q (S)、曲ar(S)、HAD(S)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例 控制器的传递函数，变量S为复频率。
[0044] 变流器B的功率控制部分参考电压为化Q(S) · (l2,C2,ref-l2,C2)，具体描述如下：由义 样得到的并网电流值12,C2和公共连接点电压值VpCC，计算得到变流器B的输出有功功率Pc2和 无功功率Qc2 ;然后，将参考信号的有功功率Pref、无功功率Qref和实际信号的有功功率Pc2、无 功功率斯2输入比例积分控制器PI，得到参考信号的并网电流12,C2,ref;该参考信号的输出电 流12,C2,ref与实际信号的并网电流12,C2相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器曲Q，得到功 率控制部分的参考电压组成。
[0045] 其中，参考信号的输出电流12,C2,ref由参考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和 实际信号的有功功率Pc2、无功功率Qc2的差值输入比例积分控制器PI得到；
[0046] 比例积分控制器PI的传递函数为
[0047] 其中变量S为复频率，kpi_p为比例系数，取值1~50; kpi_i为积分系数，取值10~800。 [004引比例谐振控制器也Q的传递函数
[0049] 其中变量S为复频率，kpi,c2为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10 ~800; wc为带宽，取值3~20; W日为中屯、角频率，W0 =化f日，f日=50化。
[0050] 变流器B的电流谐波抑制部分用来补偿非线性负载和变流器A的谐波电流，改善电 网侧电流的电能质量，其参考电压为曲ar(S) · (I2,C1-I2,C2)，具体描述如下：由采样得到的变 流器A并网电流值12,C1的作为参考电流，该采样值中的谐波电流成分即是变流器B需要输出 的补偿电流;将参考电流12,C1与变流器B的并网电流值12,C2相减，差值输入谐波抑制比例谐 振控制器曲ar，得到电流谐波抑制部分的参考电压组成;比例谐振控制器曲ar的传递函数
[0化1 ]
[0052] 其中变量S为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次山2,[2 为比例增益，取值0.1~l;ki,功电流谐波谐振增益，取值10~800;w。为带宽，取值3~20;w0 为中屯、角频率，wo = 2时o，fo = 50Hz。
[0053] 变流器B的有源阻尼部分参考电压为Had(s) · 具体描述如下：由采样得到变 流器输出电流值Il,C2经过阻尼比例控制器，得到有源阻尼部分的参考电压组成；比例控制 器Had的传递函数HAD(s)=kAD;其中kAD为比例控制系数，取值1~3。
[0054]本步骤中，变流器B的谐波电流抑制和基波电流跟踪两个环节也采用了比例谐振 控制，因此谐波电流抑制和基波电流跟踪两个环节也是是解禪的，互不影响。对于谐波电流 抑制环节，输出电流相对于谐波补偿电流参考的幅值增益在基波频率下很小，而在特定的 谐波频率下，具有零幅值增益、零相角增益的特性。因此，谐波提取环节可W省去，采样得到 的信号可W直接应用于闭环控制。然而，对于基波电流跟踪环节，输出电流相对于基波功率 电流参考的幅值增益在谐波频率下很小，而在基波频率下，具有零幅值增益、零相角增益的 特性。运说明在输出基波功率时，锁相环可W省去。
[00对图4-8为本发明的仿真波形图，图中a、b、c代表电力系统的；相相序。用Matlab/ Simulink搭建如图1所示的仿真模型，电网电压含有稳态的谐波崎变，电网电压THD为 5.6%。在变流器输出有功功率的同时，分别对只补偿供电电压谐波、只补偿电流谐波、电压 和电流谐波同时补偿Ξ种情况下进行仿真验证。
[0056] 图4为只补偿供电电压谐波的情况，图中可W看出，此时负载供电电压THD仅仅为 1.48%，但是电网电流T皿为12.28%。
[0057] 图5为只补偿谐波电流的情况，图中可W看出，此时电网电流THD大大降低，为 4.57%，而负载供电电压THD为6.45%。图4-6为采用本发明电压电流同时补偿的协调控制 策略。
[0058] 图6所示为电网电压与电流波形，可W看出，电流波形接近正弦，电流THD为 3.54%。
[0059] 图7所示为变流器A的电容电压、输出电流等波形。由于变流器A的控制目标是改善 负载供电电压的电能质量。可W看出，供电电压的波形几乎为正弦，电压T皿为2.28%，说明 变流器A的谐波电压抑制非常有效。
[0060] 图8所示为变流器B的电容电压、输出电流等波形，其控制目标是补偿负载和变流 器A产生的谐波电流。由图4可知电网电流T皿为3.54%，说明变流器B的补偿效果良好。
[0061] 结论：因此本发明所提出的微电网供电电压和电网电流的谐波补偿方法切实可 行，可W减小系统的损耗，保证系统稳定运行。且可W省去谐波电流提取环节和锁相环环 节，大大减小了数字控制系统的计算量，是一种值得推广的提高电能质量的方法。
【主权项】
1. 一种基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法，其 特征在于： 所述方法所基于的双接口变流器并联拓扑结构具体为:包括一对并联设置的变流器A 和变流器B，所述变流器A和变流器B分别通过各自的滤波器连接到公共连接点PCC后与大电 网交换功率，其中，变流器A和变流器B均由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，变流器A 和变流器B的直流侧并联一公用的直流侧母线电容V dc，滤波器均由变流器侧滤波电感1^、电 网侧滤波电感L2和滤波电容Cf组成，非线性负荷接在变流器A的电网侧滤波电感L 2和滤波电 容Cf之间； 所述补偿方法采用双变流器电压电流协调控制的策略，具体方法如下： 步骤Sl在每个采样周期开始时，变流器A利用采样电路采集滤波电容电压值VC,C1、公共 连接点电压值Vpcc、输出电流值I1,Q和并网电流值I2,C1，变流器B利用采样电路采集输出电流 值11, C2、并网电流值12, C2、公共连接点电压值Vpcc和变流器A的并网电流12, q，而有功功率参 考Pref和无功功率参考Qref由设备使用者或者上层调度指令给定，并将转化后的数字量发送 给各变流器的控制模块； 步骤S2变流器A的控制 模块采用混合电压电流控制策略得到参考电压;变流器B 的控制模块采用基波谐波电流控制策略得到参考电压; 步骤S3变流器A和变流器B在得到了参考电压^后，通过按照正弦脉宽调制 (SPWM)或者空间矢量脉宽调制（SVPWM)，与三角波进行比较，得到开关管的占空比信号，从 而控制变流器开关管的开通与关断，最终控制变流器A和变流器B的输出电压。2. 根据权利要求1所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器A的参考电压由输出功率控制部分参考电压、 电压谐波抑制部分参考电压和有源阻尼部分参考电压相加得到；BP其中匕《1为变流器A的参考电压，12,C1,rrf为变流器A的参考信号的输出电流，I2, C1为并 网电流，Vc, q为变流器A的滤波电容电压值，Ii, q为变流器A的输出电流值;Hpq (s )、Hfiar (s)、 Had(S)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例控制器的传递 函数，变量s为复频率； 变流器A输出功率控制部分的参考电压具体描述如下：由采样得到的并网电流值I2,cdP 公共连接点电压值Vpcc通过功率计算得到变流器A的输出有功功率Pu和无功功率Qc^1;然后， 将参考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和实际信号的有功功率Pc^无功功率0。1输入比 例积分控制器PI，得到参考信号的输出电流12, Cl, rrf;该参考信号的输出电流12, Cl,rrf与实际 信号的并网电流I2,Q相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器HPQ，得到变流器A功率控制部 分的参考电压； 变流器A电压谐波抑制部分的参考电压具体描述如下：由电压谐波参考值O与采样得到 的滤波电容电压值VC,C1相减，差值输入谐波抑制比例谐振控制器Hfiar，得到变流器A电压谐 波抑制部分的参考电压； 变流器A有源阻尼部分的参考电压具体描述如下：由采样得到的变流器A输出电流值 I1,Q经过阻尼比例控制器Had，得到变流器A有源阻尼部分的参考电压。3. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述参考信号的输出电流12, C1,rrf由参考信号的有功功率Prrf、 无功功率的Qref和实际信号的有功功率P cl、无功功率Qcl的差值输入比例积分控制器PI得 到;比例积分控制器PI的传递函数为_其中变量s为复频率，kPI』为比例系数，取值1~50; kPI_i为积分系数，取值IO~800。4. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于：所述变流器A中比例谐振控制器H pq的传递函数其中变量s为复频率，kPI,cl为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10~ 800; Wc为带宽，取值3~20; wo为中心角频率，wo = 2对〇，f〇 = 50Hz。5. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器A中比例谐振控制器H fiar的传递函数其中变量s为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次;kp2, C1为比 例增益，取值0.1~I ;kv,h为电压谐波谐振增益，取值10~800 为带宽，取值3~20 为中 心角频率，wo = 2对〇，= 50Hz。6. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器A中比例控制器Had的传递函数Had( s )= kAD; 其中kAD为比例控制系数，取值1~3。7. 根据权利要求1所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器B的参考电压由功率控制部分的参考电压、电 流谐波抑制部分的参考电压和有源阻尼部分的参考电压相加得到；BP其中KcLn为变流器B的参考电压，ref为变流器B的参考信号的输出电流，I2,Q为变 流器A的并网电流，12, C2为变流器B的并网电流，I i, C2为变流器B的输出电流值;Hpq (S )、Hfiar (s)、HAD(s)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例控制器的 传递函数，变量s为复频率； 变流器B的功率控制部分参考电压具体描述如下：由采样得到的并网电流值I2,C2和公共 连接点电压值VPCC，计算得到变流器B的输出有功功率Pc2和无功功率Qc2;然后，将参考信号 的有功功率Pref、无功功率Qref和实际信号的有功功率Pc^、无功功率Q c2输入比例积分控制器 PI，得到参考信号的并网电流l2,C2,rrf;该参考信号的输出电流l2,C2,rrf与实际信号的并网电 流Im相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器Hpq，得到功率控制部分的参考电压组成； 变流器B的电流谐波抑制部分参考电压具体描述如下：由采样得到的变流器A并网电流 值I2,^的作为参考电流，该采样值中的谐波电流成分即是变流器B需要输出的补偿电流;将 参考电流I 2,q与变流器B的并网电流值I2,C2相减，差值输入谐波抑制比例谐振控制器H fiar，得 到电流谐波抑制部分的参考电压组成； 变流器B的有源阻尼部分参考电压具体描述如下：由采样得到变流器输出电流值I1,〇2经 过阻尼比例控制器，得到有源阻尼部分的参考电压组成。8. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述参考信号的输出电流12, C2,rrf由参考信号的有功功率Prrf、 无功功率的Qref和实际信号的有功功率P c2、无功功率Qc2的差值输入比例积分控制器PI得 到;比例积分控制器PI的传递函数为其中变量s为复频率，kPI』为比例系数，取值1~50; kPI_i为积分系数，取值IO~800。9. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于：所述变流器B中比例谐振控制器H pq的传递函数其中变量s为复频率，kPI,C2为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10~ 800; Wc为带宽，取值3~20; wo为中心角频率，wo = 2对〇，f〇 = 50Hz。10. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐 波同步补偿方法，其特征在于:所述变流器B中比例谐振控制器H fiar的传递函数其中变量s为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次;kp2, C2为比 例增益，取值0.1~I ;ki,h为电流谐波谐振增益，取值10~800 为带宽，取值3~20 为中 心角频率，wo = 2对〇，= 50Hz。11. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐 波同步补偿方法，其特征在于:所述变流器B中比例控制器Had的传递函数Had( s) =Iud ; 其中kAD为比例控制系数，取值1~3。
【专利摘要】本发明涉及一种基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法，其特征在于：采用双接口变流器并联的拓扑结构，通过双变流器电压电流协调控制的策略，由变流器A负责实时补偿供电电压的谐波，变流器B负责补偿负载和变流器2产生的谐波电流，保证电网侧电流的电能质量。这种控制方法可以省去谐波电流提取环节和锁相环，大大降低了数字控制系统的运算量。同时，通过两个变流器的协调控制，系统中供电电压和电网电流的波形得到改善，电能质量明显提高。这对于减少系统损耗，保证系统的安全稳定运行具有重要作用。
【IPC分类】H02J3/38, H02J3/12, H02J3/01
【公开号】CN105490297
【申请号】CN201510788496
【发明人】何晋伟, 殷晓华, 孙树敏, 王瑞琪
【申请人】如皋市协创能源科技有限公司, 国家电网公司山东电力科学研究院, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月17日
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种电网质量治理方法，特别设及一种基于双逆变器群协调控制的微 电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法。
【背景技术】
[0002] 随着用户对供电可靠性和电能质量的关注度不断提高W及太阳能、风能等各种形 式的可再生能源大量利用，微电网作为分布式电源接入电网的有效途径得到了国内外学者 的广泛关注。微电网一般是指将多种分布式电源、储能装置和负荷通过电力电子装置连接 起来的小型电网形式，既能并网运行，与传统大电网交换能量，又能独立运行，成为一个能 稳定运行的孤立系统。
[0003] 随着分布式发电单元的大量接入，电能质量问题日益严峻。改善电能质量的方法 一般是采用无源滤波器或者有源滤波器。无源滤波器是采用W电力电容器、电抗器和电阻 器适当组合而成的滤波器。运种方法既可抑制谐波又可补偿无功功率，而且结构简单，一直 被广泛使用。然而，由于其受系统参数的影响较大，且不能实现动态补偿，因此发展有源滤 波的方法。
[0004] 有源滤波的设备一般包括有源电力滤波器、动态电压恢复器、统一电能质量调节 器等。运些设备可W适应系统的参数变化，实现动态补偿，提高电能质量。系统中应用于分 布式发电的接口变流器也可W用作有源滤波，利用变流器的剩余容量进行谐波补偿，运也 就是多功能接口变流器的作用。
[0005] 然而，单一的多功能接口变流器不能同时补偿电网侧的电流谐波和负载侧的电压 崎变，尤其是在电网电压本身含有谐波的条件下。而统一电能质量调节器可W同时补偿电 流和电压的崎变，但是其需要变压器，设备体积庞大且造价较高。
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种基于双逆变器群协调控制的微电网供电电 压和电网电流谐波同步补偿方法，能够在不增加补偿装置的同时改善电能质量。
[0007] 为解决上述技术问题，本发明的技术方案为:暂不写，与权利要求相同 [000引本发明的优点在于：
[0009]本发明中采用双接口变流器并联的结构，在输出基波功率的同时，一变流器对负 载供电电压的谐波进行补偿，另一变流器对负载和一变流器产生的谐波电流进行补偿，保 证电网侧的供电电流的电能质量。运种方法利用分布式发电系统的接口变流器改善电能质 量，无需增加的补偿装置，节约成本，经济实用，便于推广。且本发明采用新的控制控制方 法，其可W省去谐波电流提取环节和锁相环，大大减小了数字控制系统的运算负担。
【附图说明】
[0010] 图1为本发明中双接口变流器并联拓扑结构示意图。
[0011] 图2为本发明中变流器A控制策略流程图。
[0012] 图3为本发明中变流器B控制策略流程图。
[0013] 图4为本发明只补偿供电电压谐波的仿真波形图；
[0014] 图5为本发明只补偿谐波电流的仿真波形图。
[0015] 图6为本发明同时补偿供电电压与谐波电流的仿真波形图。
[0016] 图7为本发明同时补偿电压与电流谐波时变流器A的仿真波形图。
[0017] 图8为本发明同时补偿电压与电流谐波时变流器B的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0018] 如图1所示，本发明的补偿方法是基于一种双接口变流器并联拓扑结构，其结构具 体如下：
[0019] 包括一对并联设置的变流器A1和变流器B2,变流器A1和变流器B2分别通过各自的 滤波器3、4连接到公共连接点PCC后与大电网交换功率;其中，变流器A1和变流器B2均由六 个功率开关模块组成Ξ相全桥拓扑，变流器A1和变流器B2的直流侧并联一公用的直流侧母 线电容Vdc，滤波器3、4均由变流器侧滤波电感^、电网侧滤波电感L2和滤波电容Cf组成，非线 性负荷5接在变流器A1的电网侧滤波电感L2和滤波电容Cf之间。
[0020] 本发明中的补偿方法采用双变流器电压电流协调控制的策略，具体方法如下：
[0021] 步骤S1:在每个采样周期开始时，变流器A利用采样电路采集滤波电容电压值 Vc, C1、公共连接点电压值Vpcc、输出电流值11, C1和并网电流值12, C1，变流器B利用采样电路采 集输出电流值11, C2、并网电流值12, C2、公共连接点电压值Vpcc和变流器A的并网电流12, C1，而 有功功率参考Prsf和无功功率参考Qref由设备使用者或者上层调度指令给定，并将转化后的 数字量发送给各变流器的控制模块；
[0022] 步骤S2:变流器A的控制模块采用混合电压电流控制策略得到参考电压变 流器B的控制模块采用基波谐波电流控制策略得到参考电压
[0023] 步骤S3:变流器A和变流器Β在得到了参考电压KLn、1^,"后，按照正弦脉宽调 制（SPWM)或者空间矢量脉宽调制（SVPWM)，与Ξ角波进行比较，得到开关管的占空比信号， 从而控制变流器开关管的开通与关断。
[0024] 其中，通过正弦波脉宽调试方法具体为:参考电压与Ξ角波进行比较，当参考电压 高于Ξ角波电压时，上管给出导通信号，下管给出关断信号，反之则上管给出关断信号，下 管给出导通信号，从而得到开关管的占空比信号，最终控制变流器A和变流器B的输出电压。
[0025] 作为本发明更具体的实施方式：
[00%]步骤S2中：变流器A的参考电压fC, η由输出功率控制部分参考电压、电压谐波抑 制部分参考电压和有源阻尼部分参考电压相加得到;概括成方程式一即
[0027]
[002引其中为变流器A的参考电压，12,C1,ref为变流器A的参考信号的输出电流，12,C1 为并网电流，Vc, Cl为变流器A的滤波电容电压值，11, Cl为变流器A的输出电流值;曲Q ( S )、曲ar (s)、Had(s)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例控制器的 传递函数，变量S为复频率；
[0029] 由于功率控制部分为基波控制，在谐波频率下传递函数的增益很小。同时，电压谐 波抑制部分为谐波控制，在基波频率下传递函数的增益很小。因此运两个部分是解禪的，相 互几乎不影响。运也是混合电压电流控制策略可W发挥作用的基础。
[0030] 变流器A输出功率控制部分用来输出分布式电源发出的有功功率和无功功率，其 参考电压为化Q(s) · (l2,Cl,ref-l2,Cl)，具体描述如下：由采样得到的并网电流值I2,C1和公共 连接点电压值Vpc細过功率计算得到变流器A的输出有功功率Pci和无功功率Qci;然后，将参 考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和实际信号的有功功率Pci、无功功率Qcl输入比例积 分控制器PI，得到参考信号的输出电流12,C1,ref;该参考信号的输出电流12,C1,ref与实际信号 的并网电流12,C1相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器化Q，得到变流器A功率控制部分的 参考电压。
[0031] 其中，参考信号的输出电流12,C1,ref由参考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和 实际信号的有功功率Pci、无功功率Qci的差值输入比例积分控制器PI得到；
[0032] 比例积分控制器PI的传递函数为
[00削其中变量S为复频率，kpi_p为比例系数，取值1~50; kpi_i为积分系数，取值10~800。
[0034] 比例谐振控制器也Q的传递函数
[0035] 其中变量S为复频率，kpi,ci为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10 ~800; wc为带宽，取值3~20; W日为中屯、角频率，W0 =化f日，f日=50化。
[0036] 变流器A电压谐波抑制部分用来改善负载供电电压的电能质量，其参考电压为化ar (S) · (￥^〇1,?八^〇1)，具体描述如下：由电压谐波参考值￥^〇1,?:选0与采样得到的滤波电容 电压值Vc,Cl相减，差值 输入谐波抑制比例谐振控制器化ar，得到变流器A电压谐波抑制部分 的参考电压;比例谐振控制器曲ar的传递函数
[0037]
[003引其中变量S为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次山2,01 为比例增益，取值0.1~1; kv,功电压谐波谐振增益，取值10~800; W。为带宽，取值3~20; W0 为中屯、角频率，wo = 2时o，fo = 50Hz。
[0039] 变流器A有源阻尼部分用于提高系统的阻尼，抑制变流器产生谐振，其参考电压为 Had(s) · 具体描述如下：由采样得到的变流器A输出电流值Ii,ci经过阻尼比例控制器 Had，得到变流器A有源阻尼部分的参考电压；比例控制器Had的传递函数HAD(s) = kAD;其中kAD 为比例控制系数，取值1~3。
[0040] 本步骤中，变流器A的谐波电压抑制和基波电流跟踪两个环节都采用了比例谐振 控制。由于比例谐振控制器的频率选择特性，谐波电压抑制和基波电流跟踪两个环节是解 禪的，互不影响。在谐波频率下，呈现出电压源的特性，当电压参考设为零时，供电电压谐波 可w被有效地抑制。然而在基波频率下，呈现出电流源的特性，可w按照指令输出功率。
[0041] 步骤S2中：变流器B的参考电压由功率控制部分的参考电压、电流谐波抑制 部分的参考电压和有源阻尼部分的参考电压相加得到;概括成方程式二即：
[0042]
[0043] 其中为变流器B的参考电压，12, C2, ref为变流器B的参考信号的输出电流， 12, C1为变流器A的并网电流，12, C2为变流器B的并网电流，11, C2为变流器B的输出电流值;曲Q (S)、曲ar(S)、HAD(S)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例 控制器的传递函数，变量S为复频率。
[0044] 变流器B的功率控制部分参考电压为化Q(S) · (l2,C2,ref-l2,C2)，具体描述如下：由义 样得到的并网电流值12,C2和公共连接点电压值VpCC，计算得到变流器B的输出有功功率Pc2和 无功功率Qc2 ;然后，将参考信号的有功功率Pref、无功功率Qref和实际信号的有功功率Pc2、无 功功率斯2输入比例积分控制器PI，得到参考信号的并网电流12,C2,ref;该参考信号的输出电 流12,C2,ref与实际信号的并网电流12,C2相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器曲Q，得到功 率控制部分的参考电压组成。
[0045] 其中，参考信号的输出电流12,C2,ref由参考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和 实际信号的有功功率Pc2、无功功率Qc2的差值输入比例积分控制器PI得到；
[0046] 比例积分控制器PI的传递函数为
[0047] 其中变量S为复频率，kpi_p为比例系数，取值1~50; kpi_i为积分系数，取值10~800。 [004引比例谐振控制器也Q的传递函数
[0049] 其中变量S为复频率，kpi,c2为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10 ~800; wc为带宽，取值3~20; W日为中屯、角频率，W0 =化f日，f日=50化。
[0050] 变流器B的电流谐波抑制部分用来补偿非线性负载和变流器A的谐波电流，改善电 网侧电流的电能质量，其参考电压为曲ar(S) · (I2,C1-I2,C2)，具体描述如下：由采样得到的变 流器A并网电流值12,C1的作为参考电流，该采样值中的谐波电流成分即是变流器B需要输出 的补偿电流;将参考电流12,C1与变流器B的并网电流值12,C2相减，差值输入谐波抑制比例谐 振控制器曲ar，得到电流谐波抑制部分的参考电压组成;比例谐振控制器曲ar的传递函数
[0化1 ]
[0052] 其中变量S为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次山2,[2 为比例增益，取值0.1~l;ki,功电流谐波谐振增益，取值10~800;w。为带宽，取值3~20;w0 为中屯、角频率，wo = 2时o，fo = 50Hz。
[0053] 变流器B的有源阻尼部分参考电压为Had(s) · 具体描述如下：由采样得到变 流器输出电流值Il,C2经过阻尼比例控制器，得到有源阻尼部分的参考电压组成；比例控制 器Had的传递函数HAD(s)=kAD;其中kAD为比例控制系数，取值1~3。
[0054]本步骤中，变流器B的谐波电流抑制和基波电流跟踪两个环节也采用了比例谐振 控制，因此谐波电流抑制和基波电流跟踪两个环节也是是解禪的，互不影响。对于谐波电流 抑制环节，输出电流相对于谐波补偿电流参考的幅值增益在基波频率下很小，而在特定的 谐波频率下，具有零幅值增益、零相角增益的特性。因此，谐波提取环节可W省去，采样得到 的信号可W直接应用于闭环控制。然而，对于基波电流跟踪环节，输出电流相对于基波功率 电流参考的幅值增益在谐波频率下很小，而在基波频率下，具有零幅值增益、零相角增益的 特性。运说明在输出基波功率时，锁相环可W省去。
[00对图4-8为本发明的仿真波形图，图中a、b、c代表电力系统的；相相序。用Matlab/ Simulink搭建如图1所示的仿真模型，电网电压含有稳态的谐波崎变，电网电压THD为 5.6%。在变流器输出有功功率的同时，分别对只补偿供电电压谐波、只补偿电流谐波、电压 和电流谐波同时补偿Ξ种情况下进行仿真验证。
[0056] 图4为只补偿供电电压谐波的情况，图中可W看出，此时负载供电电压THD仅仅为 1.48%，但是电网电流T皿为12.28%。
[0057] 图5为只补偿谐波电流的情况，图中可W看出，此时电网电流THD大大降低，为 4.57%，而负载供电电压THD为6.45%。图4-6为采用本发明电压电流同时补偿的协调控制 策略。
[0058] 图6所示为电网电压与电流波形，可W看出，电流波形接近正弦，电流THD为 3.54%。
[0059] 图7所示为变流器A的电容电压、输出电流等波形。由于变流器A的控制目标是改善 负载供电电压的电能质量。可W看出，供电电压的波形几乎为正弦，电压T皿为2.28%，说明 变流器A的谐波电压抑制非常有效。
[0060] 图8所示为变流器B的电容电压、输出电流等波形，其控制目标是补偿负载和变流 器A产生的谐波电流。由图4可知电网电流T皿为3.54%，说明变流器B的补偿效果良好。
[0061] 结论：因此本发明所提出的微电网供电电压和电网电流的谐波补偿方法切实可 行，可W减小系统的损耗，保证系统稳定运行。且可W省去谐波电流提取环节和锁相环环 节，大大减小了数字控制系统的计算量，是一种值得推广的提高电能质量的方法。
【主权项】
1. 一种基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法，其 特征在于： 所述方法所基于的双接口变流器并联拓扑结构具体为:包括一对并联设置的变流器A 和变流器B，所述变流器A和变流器B分别通过各自的滤波器连接到公共连接点PCC后与大电 网交换功率，其中，变流器A和变流器B均由六个功率开关模块组成三相全桥拓扑，变流器A 和变流器B的直流侧并联一公用的直流侧母线电容V dc，滤波器均由变流器侧滤波电感1^、电 网侧滤波电感L2和滤波电容Cf组成，非线性负荷接在变流器A的电网侧滤波电感L 2和滤波电 容Cf之间； 所述补偿方法采用双变流器电压电流协调控制的策略，具体方法如下： 步骤Sl在每个采样周期开始时，变流器A利用采样电路采集滤波电容电压值VC,C1、公共 连接点电压值Vpcc、输出电流值I1,Q和并网电流值I2,C1，变流器B利用采样电路采集输出电流 值11, C2、并网电流值12, C2、公共连接点电压值Vpcc和变流器A的并网电流12, q，而有功功率参 考Pref和无功功率参考Qref由设备使用者或者上层调度指令给定，并将转化后的数字量发送 给各变流器的控制模块； 步骤S2变流器A的控制 模块采用混合电压电流控制策略得到参考电压;变流器B 的控制模块采用基波谐波电流控制策略得到参考电压; 步骤S3变流器A和变流器B在得到了参考电压^后，通过按照正弦脉宽调制 (SPWM)或者空间矢量脉宽调制（SVPWM)，与三角波进行比较，得到开关管的占空比信号，从 而控制变流器开关管的开通与关断，最终控制变流器A和变流器B的输出电压。2. 根据权利要求1所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器A的参考电压由输出功率控制部分参考电压、 电压谐波抑制部分参考电压和有源阻尼部分参考电压相加得到；BP其中匕《1为变流器A的参考电压，12,C1,rrf为变流器A的参考信号的输出电流，I2, C1为并 网电流，Vc, q为变流器A的滤波电容电压值，Ii, q为变流器A的输出电流值;Hpq (s )、Hfiar (s)、 Had(S)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例控制器的传递 函数，变量s为复频率； 变流器A输出功率控制部分的参考电压具体描述如下：由采样得到的并网电流值I2,cdP 公共连接点电压值Vpcc通过功率计算得到变流器A的输出有功功率Pu和无功功率Qc^1;然后， 将参考信号的有功功率Pref、无功功率的Qref和实际信号的有功功率Pc^无功功率0。1输入比 例积分控制器PI，得到参考信号的输出电流12, Cl, rrf;该参考信号的输出电流12, Cl,rrf与实际 信号的并网电流I2,Q相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器HPQ，得到变流器A功率控制部 分的参考电压； 变流器A电压谐波抑制部分的参考电压具体描述如下：由电压谐波参考值O与采样得到 的滤波电容电压值VC,C1相减，差值输入谐波抑制比例谐振控制器Hfiar，得到变流器A电压谐 波抑制部分的参考电压； 变流器A有源阻尼部分的参考电压具体描述如下：由采样得到的变流器A输出电流值 I1,Q经过阻尼比例控制器Had，得到变流器A有源阻尼部分的参考电压。3. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述参考信号的输出电流12, C1,rrf由参考信号的有功功率Prrf、 无功功率的Qref和实际信号的有功功率P cl、无功功率Qcl的差值输入比例积分控制器PI得 到;比例积分控制器PI的传递函数为_其中变量s为复频率，kPI』为比例系数，取值1~50; kPI_i为积分系数，取值IO~800。4. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于：所述变流器A中比例谐振控制器H pq的传递函数其中变量s为复频率，kPI,cl为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10~ 800; Wc为带宽，取值3~20; wo为中心角频率，wo = 2对〇，f〇 = 50Hz。5. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器A中比例谐振控制器H fiar的传递函数其中变量s为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次;kp2, C1为比 例增益，取值0.1~I ;kv,h为电压谐波谐振增益，取值10~800 为带宽，取值3~20 为中 心角频率，wo = 2对〇，= 50Hz。6. 根据权利要求2所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器A中比例控制器Had的传递函数Had( s )= kAD; 其中kAD为比例控制系数，取值1~3。7. 根据权利要求1所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述变流器B的参考电压由功率控制部分的参考电压、电 流谐波抑制部分的参考电压和有源阻尼部分的参考电压相加得到；BP其中KcLn为变流器B的参考电压，ref为变流器B的参考信号的输出电流，I2,Q为变 流器A的并网电流，12, C2为变流器B的并网电流，I i, C2为变流器B的输出电流值;Hpq (S )、Hfiar (s)、HAD(s)分别为基波跟踪比例谐振控制器、谐波抑制比例谐振控制器、阻尼比例控制器的 传递函数，变量s为复频率； 变流器B的功率控制部分参考电压具体描述如下：由采样得到的并网电流值I2,C2和公共 连接点电压值VPCC，计算得到变流器B的输出有功功率Pc2和无功功率Qc2;然后，将参考信号 的有功功率Pref、无功功率Qref和实际信号的有功功率Pc^、无功功率Q c2输入比例积分控制器 PI，得到参考信号的并网电流l2,C2,rrf;该参考信号的输出电流l2,C2,rrf与实际信号的并网电 流Im相减，差值输入基波跟踪比例谐振控制器Hpq，得到功率控制部分的参考电压组成； 变流器B的电流谐波抑制部分参考电压具体描述如下：由采样得到的变流器A并网电流 值I2,^的作为参考电流，该采样值中的谐波电流成分即是变流器B需要输出的补偿电流;将 参考电流I 2,q与变流器B的并网电流值I2,C2相减，差值输入谐波抑制比例谐振控制器H fiar，得 到电流谐波抑制部分的参考电压组成； 变流器B的有源阻尼部分参考电压具体描述如下：由采样得到变流器输出电流值I1,〇2经 过阻尼比例控制器，得到有源阻尼部分的参考电压组成。8. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于:所述参考信号的输出电流12, C2,rrf由参考信号的有功功率Prrf、 无功功率的Qref和实际信号的有功功率P c2、无功功率Qc2的差值输入比例积分控制器PI得 到;比例积分控制器PI的传递函数为其中变量s为复频率，kPI』为比例系数，取值1~50; kPI_i为积分系数，取值IO~800。9. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波 同步补偿方法，其特征在于：所述变流器B中比例谐振控制器H pq的传递函数其中变量s为复频率，kPI,C2为比例增益，取值0.1~l;ki,f为基波谐振增益，取值10~ 800; Wc为带宽，取值3~20; wo为中心角频率，wo = 2对〇，f〇 = 50Hz。10. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐 波同步补偿方法，其特征在于:所述变流器B中比例谐振控制器H fiar的传递函数其中变量s为复频率，h为谐波次数，系统中主要的低次谐波为5、7、11、13次;kp2, C2为比 例增益，取值0.1~I ;ki,h为电流谐波谐振增益，取值10~800 为带宽，取值3~20 为中 心角频率，wo = 2对〇，= 50Hz。11. 根据权利要求7所述的基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐 波同步补偿方法，其特征在于:所述变流器B中比例控制器Had的传递函数Had( s) =Iud ; 其中kAD为比例控制系数，取值1~3。
【专利摘要】本发明涉及一种基于双逆变器群协调控制的微电网供电电压和电网电流谐波同步补偿方法，其特征在于：采用双接口变流器并联的拓扑结构，通过双变流器电压电流协调控制的策略，由变流器A负责实时补偿供电电压的谐波，变流器B负责补偿负载和变流器2产生的谐波电流，保证电网侧电流的电能质量。这种控制方法可以省去谐波电流提取环节和锁相环，大大降低了数字控制系统的运算量。同时，通过两个变流器的协调控制，系统中供电电压和电网电流的波形得到改善，电能质量明显提高。这对于减少系统损耗，保证系统的安全稳定运行具有重要作用。
【IPC分类】H02J3/38, H02J3/12, H02J3/01
【公开号】CN105490297
【申请号】CN201510788496
【发明人】何晋伟, 殷晓华, 孙树敏, 王瑞琪
【申请人】如皋市协创能源科技有限公司, 国家电网公司山东电力科学研究院, 国家电网公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月17日
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