本發(fā)明涉及微網(wǎng)電能質(zhì)量控制技術(shù)，特別是涉及一種改進(jìn)的單周控制器、電能質(zhì)量控制器和微網(wǎng)電能質(zhì)量控制方法。

背景技術(shù)：

能源是人類社會(huì)發(fā)展和進(jìn)步的重要基礎(chǔ)，近年來(lái)，全球能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，各種新能源受到越來(lái)越多的關(guān)注。微電網(wǎng)是新能源接入電網(wǎng)的重要方式與紐帶，但是在微電網(wǎng)中的分布式電源，如風(fēng)能、太陽(yáng)能光伏等等，其具有波動(dòng)性、隨機(jī)性、不穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題，無(wú)法對(duì)其實(shí)現(xiàn)精確的控制。除此之外，微網(wǎng)中還包含大量的電力電子設(shè)備，除此之外微網(wǎng)中還可能存在各種非線性負(fù)載，由此使得微網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題日益突出。

針對(duì)微網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題，可以從兩個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行考慮。首先，與傳統(tǒng)方法類似，通過(guò)在微網(wǎng)中加入各種電能質(zhì)量治理裝置與設(shè)備，對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行被動(dòng)治理。除此之外，通過(guò)改進(jìn)微源控制方法對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行主動(dòng)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量問(wèn)題的主動(dòng)治理。

在當(dāng)前微網(wǎng)研究當(dāng)中，分布式新能源不在作為一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體脫離于整個(gè)電網(wǎng)控制而運(yùn)行，相反的，各種分布式新能源與各類負(fù)荷、儲(chǔ)能單元以及各種電能質(zhì)量治理的裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，提高電網(wǎng)供電的穩(wěn)定性與可靠性。微網(wǎng)通過(guò)公共連接點(diǎn)(pointofcommoncoupling，pcc)與大電網(wǎng)進(jìn)行相連。由于微網(wǎng)中分布式電源的存在，在為系統(tǒng)提供功率的同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)在一定程度實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量治理，在自身容量允許的情況下使得從pcc點(diǎn)處諧波電流含量降低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供一種改進(jìn)的單周控制器、電能質(zhì)量控制器和微網(wǎng)電能質(zhì)量控制方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種改進(jìn)的單周控制器，包括產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘，在時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)受控變量進(jìn)行積分的積分器，將積分器輸出值與參考值進(jìn)行比較輸出的比較器，以及將比較器輸出值取反的非門；所述比較器的輸出值與所述非門的輸出值形成pwm控制信號(hào)。

一種包括所述改進(jìn)的單周控制器的主動(dòng)電能質(zhì)量控制器，還包括pi控制器；直流側(cè)電壓與第一參考值進(jìn)行合成輸出到pi控制器的輸入端，單周控制器的積分器接收pi控制器的輸出值，并在時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行積分；積分輸出值經(jīng)過(guò)放大后與pi控制器的輸出值進(jìn)行合成，再與第二參考值經(jīng)過(guò)單周控制器的比較器進(jìn)行比較輸出；所述比較器的輸出值與單周控制器的非門輸出值形成pwm控制信號(hào)。

一種基于改進(jìn)的單周控制器的微網(wǎng)電能質(zhì)量主動(dòng)控制方法，其中，改進(jìn)的單周控制器包括：產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘，在時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)受控變量進(jìn)行積分的積分器，將積分器輸出值與參考值進(jìn)行比較輸出的比較器，以及將比較器輸出值取反的非門；所述比較器的輸出值與所述非門的輸出值形成pwm控制信號(hào)；

基于改進(jìn)的單周控制器的微網(wǎng)電能質(zhì)量主動(dòng)控制方法

用dxp表示三相橋式電壓源逆變器中某橋臂的占空比，x＝a,b,c，其中，a,b,c分別表示三相橋式電壓源逆變器的三相橋臂；根據(jù)伏秒平衡，三相橋式電壓源逆變器三相中電感直流端a、b、c三點(diǎn)相對(duì)于電壓源逆變器直流測(cè)節(jié)點(diǎn)n點(diǎn)的電壓uxn可以表示為：

uxn＝dxp·vdc其中，x＝a,b,c(1)

相對(duì)于電網(wǎng)中心點(diǎn)，電壓源逆變器輸出的電壓與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)電壓滿足

公式：其中，x＝a,b,c；x＝a,b,c(2)

其中，ω0為工頻50hz下的角頻率，l為電壓源逆變器輸出濾波電感，為電壓源逆變器輸出電流大?。挥捎跒V波電感值較小，因此可以忽略上面的電壓降，由此電壓關(guān)系用電壓幅值來(lái)表示，可以近似得到：

uxo≈uxo＝ex(3)

其中，ex表示電網(wǎng)側(cè)電壓值；

考慮到電網(wǎng)中心點(diǎn)o與直流側(cè)節(jié)點(diǎn)n，電壓源逆變器側(cè)電壓滿足：

uxo＝uxn+uno(4)

上式中，uno為電網(wǎng)中心點(diǎn)與直流側(cè)節(jié)點(diǎn)n之間的電壓，當(dāng)系統(tǒng)中不含有零序分量時(shí)，滿足：

uao+ubo+uco＝0(5)

因此，式(4)可以進(jìn)一步推導(dǎo)為：

uno＝-(uan+ubn+ucn)/3(6)

將式(1)、(3)、(6)代入到式(4)中，則可以得到電壓源逆變器直流側(cè)電壓、占空比與電網(wǎng)電壓之間的關(guān)系如下：

由于上式中系數(shù)矩陣的秩為2，無(wú)法求出其解，可以假設(shè)為

dxp＝k1+ex/vdc(8)

其中，k1為任意常數(shù)，由于占空比的定義，0<dxp<1,因此可以推導(dǎo)得到：

-ex/vdc<k1<1-ex/vdc(9)

從公共連接點(diǎn)側(cè)觀察，三相平衡且表現(xiàn)為純阻性，因此，電壓源逆變器電能質(zhì)量主動(dòng)治理的控制目標(biāo)為：

ex＝re·ix(x＝a、b、c)(10)

其中，re為功率等效電阻，ix為相電流；引入?yún)?shù)k2與k3，將上式進(jìn)一步變化為：

上式中，k3決定電壓源逆變器輸出電流的最大值，k2控制電壓源逆變器輸出功率的實(shí)際值；引入電流采樣電阻rs，上式可以推導(dǎo)為：

將式(8)代入至式(12)中，可以得到：

其中，k＝k3rs，占空比的定義為dxp＝tx/ts，其中，ts為開關(guān)管的開關(guān)周期，tx為該開關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間；將其代入上式，可以得到：

上式中，

其中，vm是單周控制器中用以控制電壓源逆變器直流側(cè)電壓誤差參數(shù)，控制電壓源逆變器的實(shí)際并網(wǎng)電流，τ為單周控制器中積分器的時(shí)間常數(shù)；

當(dāng)分布式電壓源逆變器直流側(cè)電源為光伏時(shí)，采用pi控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓源逆變器直流側(cè)電壓進(jìn)行控制，表示為：

上式中，kp和ki分別為pi控制器中的比例與積分參數(shù)，為電壓源逆變器直流電壓的參考值；

電壓源逆變器并聯(lián)運(yùn)行電網(wǎng)，針對(duì)每一個(gè)電壓源逆變器其額定功率不同，根據(jù)每一個(gè)電壓源逆變器其額定電壓分擔(dān)電能質(zhì)量問(wèn)題；在一個(gè)三相平衡系統(tǒng)中，根據(jù)式(14)，電網(wǎng)公共連接點(diǎn)的電流可以表示為：

上式中，k為與電壓源逆變器有關(guān)的常數(shù)，vm是直流側(cè)參考電壓信號(hào)；在功率允許的范圍內(nèi)，兩個(gè)或者多個(gè)電壓源逆變器共享直流側(cè)參考電壓信號(hào)vm。

進(jìn)一步的，對(duì)于每一個(gè)獨(dú)立的電壓源逆變器，公式(17)中，當(dāng)k與vm保持不變時(shí)，ix僅與rs相關(guān)，因此，不同的電壓源逆變器控制模塊中參數(shù)rs不一致，可以根據(jù)它們額定值分擔(dān)微網(wǎng)的功率需求與諧波補(bǔ)償需求。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明改進(jìn)的單周控制器輸出的pwm信號(hào)更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并消除了窄脈沖對(duì)復(fù)位信號(hào)的影響；同時(shí)本發(fā)明的基于改進(jìn)的單周控制器的微網(wǎng)電能質(zhì)量主動(dòng)控制方法，可以根據(jù)需要分配微網(wǎng)的功率需求和諧波補(bǔ)償需求。

附圖說(shuō)明

圖1是改進(jìn)的單周控制器框圖；

圖2是單個(gè)電壓源逆變器等效示意圖；

圖3是電壓源逆變器并聯(lián)運(yùn)行框圖；

圖4是主動(dòng)電能質(zhì)量控制框圖；

圖5是負(fù)載電流波形；

圖6(a)是功率均分時(shí)電壓源逆變器1輸出電流波形；

圖6(b)是功率均分時(shí)電壓源逆變器2輸出電流波形；

圖7(a)是非功率均分時(shí)電壓源逆變器1輸出電流波形；

圖7(b)是非功率均分時(shí)電壓源逆變器2輸出電流波形；

圖8是補(bǔ)償后公共連接點(diǎn)電流波形；

圖9是補(bǔ)償后pcc點(diǎn)電流諧波失真；

圖10(a)是傳統(tǒng)控制方法下的復(fù)位信號(hào)波形；

圖10(b)是改進(jìn)后的時(shí)鐘信號(hào)波形。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)的描述。

圖1為改進(jìn)的單周控制器框圖，包括時(shí)鐘clk，積分器，比較器和非門；時(shí)鐘產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)輸入到積分器，積分器在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)受控變量(即輸入信號(hào))進(jìn)行連續(xù)積分計(jì)算，積分器輸出值(即積分結(jié)果)與參考信號(hào)一起輸入到比較器進(jìn)行比較；比較器輸出值一路連接非門，對(duì)比較器輸出值取反，再與比較器輸出值形成pwm控制信號(hào)；在一個(gè)時(shí)鐘周期結(jié)束之后，積分器清零。改進(jìn)的控制器結(jié)構(gòu)采用非門來(lái)代替rs觸發(fā)器，使其pwm輸出信號(hào)更加穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，并消除了窄脈沖對(duì)復(fù)位信號(hào)的影響。

單周控制器在電壓源逆變器中應(yīng)用的原理：

圖2是單個(gè)電壓源逆變器等效示意圖，其中三相橋式電壓源逆變器中三相橋臂的占空比分別為dap、dbp、dcp。根據(jù)伏秒平衡，a、b、c三點(diǎn)相對(duì)于電壓源逆變器直流側(cè)節(jié)點(diǎn)n的電壓uxn可以表示為：

uxn＝dxp·vdc其中，x＝a,b,c；x＝a,b,c(1)

其中，vdc為電壓源逆變器直流側(cè)電壓；

相對(duì)于電網(wǎng)中心點(diǎn)，電壓源逆變器輸出的電壓與電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(pcc點(diǎn))電壓滿足公式：

其中，x＝a,b,c；x＝a,b,c(2)

其中，ω0為工頻50hz下的角頻率，l為電壓源逆變器輸出濾波電感，為電壓源逆變器輸出電流。由于濾波電感值較小，因此可以忽略上面的電壓降，由此下面所有電壓關(guān)系均用電壓幅值來(lái)表示，可以近似得到：

uxo≈uxo＝ex(3)

其中ex是電網(wǎng)側(cè)電壓值。

考慮到電網(wǎng)中心點(diǎn)o與直流側(cè)節(jié)點(diǎn)n，電壓源逆變器側(cè)電壓滿足：

uxo＝uxn+uno(4)

上式中，uno為電網(wǎng)中心點(diǎn)與電壓源逆變器直流側(cè)節(jié)點(diǎn)n之間的電壓差。當(dāng)系統(tǒng)中不含有零序分量時(shí)，滿足：

uao+ubo+uco＝0(5)

因此，式(4)可以進(jìn)一步推導(dǎo)為：

uno＝-(uan+ubn+ucn)/3(6)

將式(1)、(3)、(6)代入到式(4)中，則可以得到電壓源逆變器直流側(cè)電壓、占空比與電網(wǎng)電壓之間的關(guān)系如下：

由于上式中系數(shù)矩陣的秩為2，無(wú)法求出其解，可以假設(shè)為

dxp＝k1+ex/vdc(8)

上式中，k1為任意一個(gè)常數(shù)。由于占空比的定義，0<dxp<1，因此可以推導(dǎo)得到：

-ex/vdc<k1<1-ex/vdc(9)

本發(fā)明中，取k1的值為0.5。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)(pcc點(diǎn))處的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，從pcc點(diǎn)側(cè)觀察，三相平衡且表現(xiàn)為純阻性。因此，電壓源逆變器電能質(zhì)量主動(dòng)治理的控制目標(biāo)為：

ex＝re·ix(x＝a、b、c)(10)

其中，re為功率等效電阻，ix為相電流。在分析中，引入?yún)?shù)k2與k3，將上式進(jìn)一步變化為：

上式中，k3決定電壓源逆變器輸出電流的最大值，k2控制電壓源逆變器輸出功率的實(shí)際值。引入電流采樣電阻rs，上式可以推導(dǎo)為：

將式(8)代入至式(12)中，可以得到

其中，k＝k3rs，占空比的定義為dxp＝tx/ts，其中，ts為開關(guān)管的開關(guān)周期，tx為該開關(guān)管的一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間。將其代入上式，可以得到：

上式中，

其中，vm是單周控制中用以控制電壓源逆變器直流側(cè)電壓誤差參數(shù)，控制電壓源逆變器的實(shí)際并網(wǎng)電流。τ為單周控制中積分器所使用的時(shí)間常數(shù)。

當(dāng)分布式電壓源逆變器直流側(cè)電源為光伏時(shí)，可以采用pi控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓源逆變器直流側(cè)電壓進(jìn)行控制，可以表示為：

上式中，kp和ki分別為pi控制器中的比例與積分參數(shù)，為電壓源逆變器直流電壓的參考值。

圖3所示為光伏電壓源逆變器并聯(lián)運(yùn)行框圖，針對(duì)每一個(gè)電壓源逆變器其額定功率不同，根據(jù)每一個(gè)電壓源逆變器其額定電壓分擔(dān)電能質(zhì)量問(wèn)題。在一個(gè)三相平衡系統(tǒng)中，根據(jù)式(14)，電網(wǎng)pcc點(diǎn)的電流可以表示為

上式中，k通常對(duì)于特定的電壓源逆變器是固定的，而vm是根據(jù)實(shí)際的需求可變的；在功率允許的范圍內(nèi)，兩個(gè)或者多個(gè)電壓源逆變器共享直流側(cè)參考電壓信號(hào)vm，可以有效實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓源逆變器的輸出分擔(dān)；對(duì)于每一個(gè)獨(dú)立的電壓源逆變器，當(dāng)k與vm保持一致時(shí)，ix僅僅與rs相關(guān)，因此，不同的電壓源逆變器控制模塊中rs的參數(shù)不一致，可以根據(jù)它們額定值分擔(dān)微網(wǎng)的功率需求與諧波補(bǔ)償需求。

如圖4所示為基于單周控制的主動(dòng)電能質(zhì)量控制框圖。電壓源逆變器通過(guò)pi控制器保持直流側(cè)輸出電壓恒定為參考值，vm為pi控制器輸出；在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)，根據(jù)式(14)對(duì)vm進(jìn)行積分并乘以系數(shù)m，其結(jié)果再與相關(guān)系數(shù)進(jìn)行比較，得到輸出的pwm信號(hào)。

由圖4可知，pi控制器的輸入值為即電壓源逆變器直流電壓的參考值與電壓源逆變器直流側(cè)電壓的差值；當(dāng)時(shí)鐘clk產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)到來(lái)時(shí)，積分器在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)pi控制器的輸出值進(jìn)行積分，直到下一個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)臨之前復(fù)位為0；積分器輸出值經(jīng)過(guò)放大器使積分輸出值放大m倍，然后與pi控制器的輸出值進(jìn)行合成輸入到比較器的同相輸入端(“+”端)，kex-rsix作為參考值輸入到比較器的反向輸入端(“-”端)；當(dāng)比較器同相輸入端電壓大于反向輸入端電壓時(shí)，比較器輸出高電平；當(dāng)比較器反向輸入端電壓大于同相輸入端電壓時(shí)，比較器輸出低電平；比較器輸出值一路經(jīng)過(guò)非門取反，再與比較器的輸出值形成pwm控制信號(hào)。

實(shí)施例：

為了驗(yàn)證基于單周控制的電能質(zhì)量主動(dòng)控制算法的有效性，采用如圖2所示的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在matlab/simulink中搭建相應(yīng)的仿真模型；微網(wǎng)中的非線性負(fù)載采用不控整流進(jìn)行模擬。假設(shè)仿真中電壓源逆變器的工作容量滿足諧波補(bǔ)償要求。仿真的具體參數(shù)如表1所示。

表1仿真參數(shù)

在仿真中，直流側(cè)pi控制器的比例系數(shù)kp為0.5，積分系數(shù)ki為50，單周控制的時(shí)鐘頻率為6.4khz，k為0.1，rs為等效電流采樣電阻(仿真中可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行修改)。另外，實(shí)際系統(tǒng)控制中參數(shù)k與交流側(cè)電壓傳感器和相關(guān)電路的具體參數(shù)相關(guān)。

圖5所示為微網(wǎng)中非線性負(fù)載的輸出電流波形圖，由圖可知，負(fù)載電流的幅值約為25a。

當(dāng)以pcc點(diǎn)處的電能質(zhì)量治理為目標(biāo)，使用兩臺(tái)電壓源逆變器并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，兩臺(tái)電壓源逆變器的rs參數(shù)相等均為1.5ω；此時(shí)兩臺(tái)電壓源逆變器輸出的電流波形如圖6(a)和圖6(b)所示，兩臺(tái)電壓源逆變器共享vm參數(shù)，rs相同，由波形可以看出兩臺(tái)電壓源逆變器輸出的電流基本保持一致，電流補(bǔ)償和功率輸出由兩臺(tái)均分。若將兩臺(tái)電壓源逆變器的rs進(jìn)行調(diào)整，其中電壓源逆變器2的rs值調(diào)整為0.8ω，電壓源逆變器1的rs值保持不變；則電壓源逆變器1和電壓源逆變器2輸出的電流波形如圖7(a)和圖7(b)所示，由圖中可以看出，輸出的電流基本按照rs的值進(jìn)行分配，在實(shí)際運(yùn)行中可以根據(jù)電壓源逆變器的容量進(jìn)行補(bǔ)償均分。

當(dāng)加入補(bǔ)償之后，pcc點(diǎn)處的電流波形如圖8所示，電流諧波失真分析(thd分析)如圖9所示，其thd值為4.2％，可見(jiàn)諧波得到了抑制，電流波形大大改善。

此外，傳統(tǒng)的控制方法下復(fù)位信號(hào)的波形如圖10(a)所示，改進(jìn)后的控制方法對(duì)應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)波形圖如圖10(b)所示，由此我們可以看到傳統(tǒng)的控制方法所對(duì)應(yīng)的復(fù)位信號(hào)存在窄脈沖，但是改進(jìn)后的直接使用周期性時(shí)鐘信號(hào)，這樣使得控制更加穩(wěn)定，避免了窄脈沖對(duì)系統(tǒng)的不良影響。