基於並聯虛擬阻抗的PCC電壓不平衡與諧波抑制方法與流程
2023-09-17 18:30:25 1
本發明屬於微電網逆變器控制技術領域，更具體地，涉及一種基於並聯虛擬阻抗(parallelvirtueimpedance，pvi)的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法。
背景技術：
現代電力系統正從傳統集中式發電模式逐步發展為分布式發電模式，微電網作為分布式電源的有效載體，主要由電力電子變流器裝置、儲能裝置、保護以及負荷控制等設備構成，可運行在併網與孤島兩種模式，是分布式電源接入大電網的有效途徑，也是智能電網的重要組成部分。
三相電壓源型逆變器(voltagesourceinverter，vsi)通常只對基波正序分量進行閉環控制，vsi的基波正序等效輸出阻抗極小；而對負序分量和諧波來說，相當於是開環控制，因此負序和諧波的等效輸出阻抗很大。在以vsi為接口的低壓微電網中，當系統中只有平衡負載和線性負載時，公共接入點(pointofcommoncoupling，pcc)處a、b、c三相電壓完全平衡(幅值相等、相位互差120°)，沒有明顯的諧波畸變。但是，當系統中帶有不平衡負載時(如單相負載、兩相相間負載等)，相當於在負載側接入負序電流源，負序電流在逆變器的輸出阻抗上產生負序壓降，從而導致pcc處三相電壓不平衡。當系統中帶有非線性負載時(如晶閘管變頻調速裝置、不控整流裝置等)，相當於在負載側接入諧波電流源，諧波電流在逆變器輸出阻抗上產生諧波壓降，從而會導致pcc處電壓諧波畸變。pcc處的不平衡與諧波電壓將影響其他用電設備的正常工作，導致比如磁性元件過熱、損耗增大等，極大降低系統的性能和效率。
面對上述問題，現有方法是對pcc處三相電壓的不平衡與諧波抑制分開處理，分別控制；對三相電壓不平衡的處理方法大多基於對稱分量法，對三相電壓進行正負序分解，提取負序分量，通過對負序分量進行閉環控制來抑制三相電壓的不平衡。在諧波抑制方面，有一種在電壓控制迴路中合成諧波阻抗來抑制微電網諧波的方法，也有採用基於單周控制技術的有源濾波器來消除諧波的方法；上述這些方法的控制目標和控制方法相對單一，只適用於不平衡負載或非線性負載中的一種工況；當系統中既有不平衡負載又有非線性負載時，為了同時抑制pcc處電壓三相不平衡與諧波，控制系統將十分複雜。
技術實現要素：
針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，其目的在於通過減小負載電流中的負序或諧波分量在輸出阻抗上產生的負序或諧波壓降，解決微電網中pcc處電壓不平衡或諧波畸變問題。
為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，通過在微網逆變器的pcc處並聯較小的虛擬的負序和/或諧波阻抗zv，使微網逆變器總的等效輸出負序和/或諧波阻抗小於虛擬的阻抗zv，以減小負載電流中的負序分量和/或諧波分量在輸出阻抗上產生的壓降，抑制pcc處的不平衡與諧波電壓，改善微網系統的電壓質量。
優選地，上述的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，通過dq同步旋轉坐標變換將負序分量轉變為dq坐標系下的2倍頻分量，將5次諧波分量、7次諧波分量均轉變為dq坐標系下的6倍頻分量；通過在pcc處並聯2倍頻的虛擬阻抗來抑制pcc電壓不平衡，通過在pcc處並聯6倍頻的虛擬阻抗來抑制pcc電壓的5次諧波分量和7次諧波分量。
優選地，上述pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，通過在dq坐標下採用中心頻率為2倍頻或6倍頻的二階帶通濾波器提取pcc電壓中的不平衡或諧波分量，並將該分量前饋至電感電流pi控制器的參考值處，達到等效於在pcc處並聯2倍頻或6倍頻的虛擬阻抗的目的。
為實現本發明的目的，按照本發明的另一個方面，提供了一種基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，包括如下步驟：
(1)通過dq同步旋轉坐標變換將pcc處的負序分量和/或諧波分量轉換為倍頻分量；
(2)在dq坐標系下利用倍頻分量對應頻率的帶通濾波器提取pcc電壓中的負序分量和/或諧波分量；
(3)將提取的負序分量和/或諧波分量前饋至電感電流pi控制器參考值處，等效為在pcc處並聯了一個負序和/或諧波虛擬阻抗，使得微網逆變器總的輸出阻抗在不平衡或諧波頻率處的阻抗值極大地減小，以降低負載電流中的負序和/或諧波分量在輸出阻抗上產生的壓降。
優選地，上述的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，當僅需抑制pcc電壓不平衡，則僅將提取到的負序分量前饋至電感電流pi控制器參考值處；當僅需抑制諧波，則僅將諧波分量前饋至電感電流pi控制器參考值處；當需要抑制不平衡和諧波，則將提取到的負序分量和諧波分量前饋至電感電流pi控制器參考值處。
優選地，上述的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，將pcc處的負序分量轉換為dq坐標系下的2倍頻分量，將5次諧波分量、7次諧波分量均轉換為dq坐標系下的6倍頻分量。
優選地，上述的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，在dq坐標系下利用中心頻率為100hz的帶通濾波器提取負序分量、利用中心頻率為300hz的帶通濾波器提取諧波分量。
本發明提供的上述方法，通過降低不平衡或諧波電流在輸出阻抗上所產生的壓降來改善pcc電壓質量，在逆變器的輸出側並聯一個較小的虛擬負序或諧波阻抗，使總的輸出負序或諧波阻抗減小，從而降低負序或諧波電流在輸出阻抗上所產生的負序或諧波壓降，達到抑制pcc點不平衡與諧波電壓的目的。
總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，能夠取得下列有益效果：
(1)本發明提供的基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，通過提取pcc電壓中的負序或諧波分量，並前饋至電感電流pi控制器的參考值處，等效於在pcc處並聯一個較小的虛擬阻抗，使得逆變器總的輸出阻抗在負序或諧波頻率處的阻抗值極大地減小，進而降低負載電流中的負序和/或諧波分量在輸出阻抗上產生的負序和/或諧波壓降，抑制pcc電壓不平衡或諧波畸變，改善微網逆變器pcc處的電壓質量；本方法是基於微網逆變器已有的檢測信號，通過在現有控制系統中進行控制實現，系統無需添加額外的元件，可有效減小能耗和節省控制成本；
(2)本發明提供的基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，並聯的虛擬阻抗的幅值和頻率點人為可控，可根據需求靈活控制；
(3)本發明提供的基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，能同時抑制微網逆變器pcc處不平衡與諧波電壓，控制方法簡單實用。
附圖說明
圖1為三相vsi的pcc端並聯虛擬阻抗的單相等值電路及其s域等效模型示意圖；其中，1(a)為三相vsi輸出側單相等值電路圖；圖1(b)是圖1(a)在s域中的等效模型；圖1(c)是將圖1(b)中虛擬阻抗比較點後移得到的等效模型；
圖2為在圖1所示等效模型上加入控制後的框圖及其推導示意圖；其中，圖2(a)是將圖1(c)中虛線框模型前移到控制中的示意圖，圖2(b)是圖2(a)中兩個虛線框合併後等效模型；
圖3為三相vsi在dq同步旋轉坐標系下的控制示意圖；
圖4為加入pvi前後輸出阻抗的伯德圖；
圖5為微網逆變器系統帶各種負載總體示意圖；
圖6為滿足逆變器穩定工作的pvi的取值範圍；
圖7為實施例中的微網逆變器帶不平衡負載時pcc電壓波形及不平衡度變化曲線；圖7(a)為pcc三相電壓波形，圖7(b)為pcc三相電壓有效值變化曲線，圖7(c)為pcc電壓不平衡度變化曲線；
圖8為實施例中的微網逆變器帶非線性負載時pcc電壓波形及其頻譜圖；其中，圖8(a)為施加pvi之前的pcc電壓波形圖，圖8(b)為施加pvi之後的pcc電壓波形圖，圖8(c)為施加pvi之前pcc電壓的fft分析圖，圖8(d)為施加pvi之後pcc電壓的fft分析圖；
圖9為實施例中的微網逆變器同時帶有不平衡和非線性負載時pcc電壓波形、頻譜圖以及不平衡度曲線。圖9(a)為施加pvi之前的pcc電壓波形圖，圖9(b)為施加pvi之後的pcc電壓波形圖，圖9(c)為施加pvi之前pcc電壓的fft分析圖，圖9(d)為施加pvi之後pcc電壓的fft分析圖，圖9(e)為pcc電壓不平衡度變化曲線。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
本發明實施例所提供的基於並聯虛擬阻抗的pcc電壓不平衡與諧波抑制方法，主要包括如下步驟：
(1)通過dq同步旋轉坐標變換將pcc處的負序分量和/或諧波分量轉換為倍頻分量；
(2)在dq坐標系下利用倍頻分量對應頻率的帶通濾波器提取pcc電壓中的負序分量和/或諧波分量；
(3)將提取的負序分量和/或諧波分量前饋至電感電流pi控制器參考值處；
通過將將不平衡電壓和/或諧波分量前饋至控制系統中電感電流pi控制器的參考值處，達到等效於在pcc處並聯一個虛擬阻抗的目的，使得逆變器總的輸出阻抗在負序或諧波頻率處的阻抗值極大地減小，進而降低負載電流中的負序或諧波分量在輸出阻抗上產生的負序或諧波壓降。
實施例中，pcc處不平衡電壓在dq坐標系下體現為2次諧波(100hz)電壓，5次諧波電壓與7次諧波電壓在dq坐標系下體現為6次諧波(300hz)電壓；利用中心頻率為100hz或300hz的二階帶通濾波器提取pcc電壓中的負序或諧波分量，將該負序或諧波分量前饋至控制系統中電感電流pi控制器的參考值處，等效為在pcc處並聯一個較小的100hz或300hz處的虛擬阻抗，使總的輸出阻抗在負序或諧波頻率點處的阻抗值極大減小，從而降低負載電流中的負序或諧波電流在輸出阻抗上所產生的壓降，抑制pcc電壓不平衡或諧波電壓。
以下結合附圖及實施例來闡述確定虛擬阻抗的方法；圖1中，圖1(a)為實施例中的三相vsi輸出側單相等值電路圖；其中，ui為逆變器的橋臂輸出電壓，lf和cf分別為lc濾波器的電感和電容，主要用於濾除逆變器開關頻率及其倍數次諧波；rf為考慮電感雜散損耗及死區效應的等效電阻，lg、rg為變壓器漏阻抗(網側阻抗)中的電感、電阻，upcc為pcc點電壓；io為負載電流；zv為所施加的虛擬阻抗，與傳統串聯在饋線上的虛擬阻抗不同，zv並聯接在饋線末端；為了減小不平衡與諧波輸出阻抗，zv只取不平衡和各次諧波所對應的頻率處的阻抗。
圖1(b)為圖1(a)所示的電路在s域中的等效模型；其中，il(s)為濾波電感電流，uc(s)為濾波電容電壓，ui(s)為逆變器三相橋臂輸出電壓，io(s)為負載電流，upcc(s)為pcc電壓；
該圖中，虛線框中gbp(s)為帶通濾波器，其中，s為拉普拉斯算子，ωc為截止頻率，n為dq坐標系下對應的諧波次數；該帶通濾波器只允許中心頻率ωn處的信號無衰減通過，目的是為了使並聯的虛擬阻抗只在n次諧波處起作用，而對其他頻率處的輸出阻抗不產生影響。為了控制的方便，將圖1(b)中由upcc(s)引入到比較點①的虛線框後移到比較點②和③，得到如圖1(c)所示的等效模型。
圖2所示，是對圖1(c)所示的等效模型加入電容電壓和電感電流雙閉環控制後的整體控制框圖；其中，圖2(a)是將圖1(c)中引入比較點②的虛線框前移至電流環給定值處、引入比較點③的虛線框前移至電壓環給定值處所得到的等效模型；通過將pcc電壓中的諧波信號前饋來實現並聯虛擬阻抗控制；圖2(b)是將圖2(a)中的兩個虛線框中的前饋量合併到電流環參考值處所得到的控制模型的示意圖。
由於在本實施例中只針對電壓電流環進行改進，外層的下垂控制器在圖2上沒有體現。該圖中，uref(s)為電容電壓參考值，是外層無功電壓下垂控制器的輸出量；gu(s)為電容電壓pi調節器，iref(s)為電流內環參考值，由外環輸出給定；gi(s)為電流內環pi調節器；d(s)為考慮數字控制和pwm調製所引起的等效延遲環節，gucl(s)為電壓外環傳遞函數，gicl(s)為電流內環傳遞函數，zg＝slg+rg為變壓器漏阻抗。
圖3為實施例中三相vsi在dq坐標系下的整體控制框圖；圖中m，n分別為q-ω，p-v下垂控制器的下垂係數，該圖中上、下兩個虛線框中所示意的為圖2(b)中引入到電流環參考值處的前饋量，其中上虛線框中為d軸前饋量，下虛線框中為q軸前饋量。
圖4所示，是實施例的三相vsi在dq坐標系下的輸出阻抗bode圖，從圖中可以看出採用並聯虛擬阻抗後，輸出阻抗在100hz、300hz處頻率點處明顯降低，達到了抑制不平衡與諧波電壓的目的。
圖5所示是微網逆變器系統帶各種負載總體示意圖，其中，兩臺vsi均接在三相交流母線pcc處，交流母線上除了三相平衡負載外，還包括14kw的相間負載和三相非線性負載(不控整流負載)。
圖6為利用根軌跡分析得到的滿足微網逆變器穩定運行的100hz和300hz處的虛擬阻抗的取值範圍；虛擬阻抗取值越小，對pcc電壓不平衡及諧波的抑制效果越好；但由圖6可知，太小的虛擬阻抗會導致系統運行不穩定，單獨施加在100hz處的pvi不能低於0.7ω，單獨施加在300hz處的pvi不能低於1ω；若同時在100hz和300hz處施加pvi，則pvi取值必須在圖6曲線上方的穩定區域內。
圖7為圖5所示系統在帶不平衡負載時的驗證結果，其中，圖7(a)為pcc電壓波形、圖7(b)為三相電壓有效值的變化曲線；圖7(c)給出了三相電壓不平衡度的變化曲線；
在該實施例中，為了抑制pcc點不平衡分量，帶通濾波器的中心頻率ωn設置為2*π*100rad/s。在滿足系統穩定性前提下，越小的pvi對不平衡的抑制效果越好，綜合圖6分析，zv取值0.8ω；在圖7(a)所示的pcc點電壓波形中，在1s後開始施加pvi，可以看到相比於1s之前的三相電壓波形，1s之後的三相電壓明顯更加平衡。
根據不平衡度unbalanceddegree(ubd)的計算公式圖7(c)給出了三相電壓不平衡度的變化曲線，從該圖可見施加pvi後ubd由5.4％下降到1.4％；由此驗證了，實施例中並聯虛擬阻抗明顯地抑制了pcc點的不平衡電壓。
當系統帶有非線性負載時，pcc電壓的諧波成分主要包含5、7、11、13次等低次諧波。本實施例以抑制5、7次諧波電壓為例進行闡述，帶通濾波器的中心頻率設置為300hz，zv取值為1ω，驗證結果如圖8所示；其中，圖8(a)為施加pvi之前的pcc電壓波形圖，圖8(b)為施加pvi之後的pcc電壓波形圖，圖8(c)為施加pvi之前pcc電壓的fft分析圖，圖8(d)為施加pvi之後pcc電壓的fft分析圖。從圖8(c)可見施加虛擬阻抗前5、7次諧波含量分別為1.85％和2.45％，總諧波畸變率(thd)為3.74％；從圖8(d)可見施加虛擬阻抗後5、7次諧波含量分別降低至0.27％和0.33％，thd減小為2.29％；由此驗證了並聯虛擬阻抗明顯地抑制了pcc點電壓諧波畸變。
當系統同時含有不平衡和非線性負載時，pcc電壓在dq坐標系下分別通過100hz和300hz兩個帶通濾波器，zv的取值分別為1.5ω和2ω。驗證結果如圖9所示。圖9(a)為施加pvi之前的pcc電壓波形圖，圖9(b)為施加pvi之後的pcc電壓波形圖，圖9(c)為施加pvi之前pcc電壓的fft分析圖，圖9(d)為施加pvi之後pcc電壓的fft分析圖，圖9(e)為pcc電壓不平衡度變化曲線。由圖9(c)和圖9(d)可見pcc電壓5、7次諧波分量分別由1.80％、1.94％降低到0.24％、0.25％；可以看出thd由3.56％減小為2.46％。圖9(e)為pcc電壓的不平衡度的變化曲線，施加pvi後pcc電壓的ubd由5.3％降低到1.6％，由此驗證了實施例提供的這種方法可以同時抑制不平衡與諧波電壓。
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。