一种改进的单周控制器、电能质量控制器和微网电能质量控制方法

摘要

本发明公开了一种改进的单周控制器、电能质量控制器和微网电能质量控制方法，所述改进的单周控制器包括产生时钟信号的时钟，在时钟周期内对受控变量进行积分的积分器，将积分器输出值与参考值进行比较输出的比较器，以及将比较器输出值取反的非门；所述比较器的输出值与所述非门的输出值形成PWM控制信号。将改进的单周控制应用于并联型电压电压源逆变器，使其PWM输出信号更加稳定，结构更加简单，并消除了窄脉宽对复位信号的影响；在功率允许的范围内，两个或者多个电压源逆变器共享直流侧参考电压信号，通过改变不同电压源逆变器控制模块中电流采样电阻的参数，从而可以满足分担微网的功率需求与谐波补偿需求。

说明书

技术领域

本发明涉及微网电能质量控制技术，特别是涉及一种改进的单周控制器、电能质量控制器和微网电能质量控制方法。

背景技术

能源是人类社会发展和进步的重要基础，近年来，全球能源危机和环境问题越来越严重，各种新能源受到越来越多的关注。微电网是新能源接入电网的重要方式与纽带，但是在微电网中的分布式电源，如风能、太阳能光伏等等，其具有波动性、随机性、不稳定性等方面的问题，无法对其实现精确的控制。除此之外，微网中还包含大量的电力电子设备，除此之外微网中还可能存在各种非线性负载，由此使得微网的电能质量问题日益突出。

针对微网中的电能质量问题，可以从两个方面对其进行考虑。首先，与传统方法类似，通过在微网中加入各种电能质量治理装置与设备，对电能质量问题进行被动治理。除此之外，通过改进微源控制方法对电能质量问题进行主动响应，实现电能质量问题的主动治理。

在当前微网研究当中，分布式新能源不在作为一个单独的个体脱离于整个电网控制而运行，相反的，各种分布式新能源与各类负荷、储能单元以及各种电能质量治理的装置协调运行，构成一个有机整体，提高电网供电的稳定性与可靠性。微网通过公共连接点(Point of Common Coupling，PCC)与大电网进行相连。由于微网中分布式电源的存在，在为系统提供功率的同时，还能够实现在一定程度实现电能质量治理，在自身容量允许的情况下使得从PCC点处谐波电流含量降低。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的问题，提供一种改进的单周控制器、电能质量控制器和微网电能质量控制方法。

技术方案：本发明的一种改进的单周控制器，包括产生时钟信号的时钟，在时钟周期内对受控变量进行积分的积分器，将积分器输出值与参考值进行比较输出的比较器，以及将比较器输出值取反的非门；所述比较器的输出值与所述非门的输出值形成PWM控制信号。

一种包括所述改进的单周控制器的主动电能质量控制器，还包括PI控制器；直流侧电压与第一参考值进行合成输出到PI控制器的输入端，单周控制器的积分器接收PI控制器的输出值，并在时钟周期内对其进行积分；积分输出值经过放大后与PI控制器的输出值进行合成，再与第二参考值经过单周控制器的比较器进行比较输出；所述比较器的输出值与单周控制器的非门输出值形成PWM控制信号。

一种基于改进的单周控制器的微网电能质量主动控制方法，其中，改进的单周控制器包括：产生时钟信号的时钟，在时钟周期内对受控变量进行积分的积分器，将积分器输出值与参考值进行比较输出的比较器，以及将比较器输出值取反的非门；所述比较器的输出值与所述非门的输出值形成PWM控制信号；

基于改进的单周控制器的微网电能质量主动控制方法

用d_xp表示三相桥式电压源逆变器中某桥臂的占空比，x＝a,b,c，其中，a,b,c分别表示三相桥式电压源逆变器的三相桥臂；根据伏秒平衡，三相桥式电压源逆变器三相中电感直流端A、B、C三点相对于电压源逆变器直流测节点N点的电压u_XN可以表示为：

u_XN＝d_xp·V_dc其中，X＝A,B,C>

相对于电网中心点，电压源逆变器输出的电压与电网公共连接点电压满足

公式：其中，X＝A,B,C；x＝a,b,c>

其中，ω₀为工频50Hz下的角频率，L为电压源逆变器输出滤波电感，为电压源逆变器输出电流大小；由于滤波电感值较小，因此可以忽略上面的电压降，由此电压关系用电压幅值来表示，可以近似得到：

u_XO≈u_xO＝e_x>

其中，e_x表示电网侧电压值；

考虑到电网中心点O与直流侧节点N，电压源逆变器侧电压满足：

u_XO＝u_XN+u_NO>

上式中，u_NO为电网中心点与直流侧节点N之间的电压，当系统中不含有零序分量时，满足：

u_AO+u_BO+u_CO＝0>

因此，式(4)可以进一步推导为：

u_NO＝-(u_AN+u_BN+u_CN)/3>

将式(1)、(3)、(6)代入到式(4)中，则可以得到电压源逆变器直流侧电压、占空比与电网电压之间的关系如下：

由于上式中系数矩阵的秩为2，无法求出其解，可以假设为

d_xp＝k₁+e_x/V_dc>

其中，k₁为任意常数，由于占空比的定义，0<d_xp<1,因此可以推导得到：

-e_x/V_dc<k₁<1-e_x/V_dc>

从公共连接点侧观察，三相平衡且表现为纯阻性，因此，电压源逆变器电能质量主动治理的控制目标为：

e_x＝R_e·i_x(x＝a、b、c)>

其中，R_e为功率等效电阻，i_x为相电流；引入参数k₂与k₃，将上式进一步变化为：

上式中，k₃决定电压源逆变器输出电流的最大值，k₂控制电压源逆变器输出功率的实际值；引入电流采样电阻R_s，上式可以推导为：

将式(8)代入至式(12)中，可以得到：

其中，k＝k₃R_s，占空比的定义为d_xp＝t_x/T_s，其中，T_s为开关管的开关周期，t_x为>

上式中，

其中，v_m是单周控制器中用以控制电压源逆变器直流侧电压误差参数，控制电压源逆变器的实际并网电流，τ为单周控制器中积分器的时间常数；

当分布式电压源逆变器直流侧电源为光伏时，采用PI控制器实现对电压源逆变器直流侧电压进行控制，表示为：

上式中，K_P和K_I分别为PI控制器中的比例与积分参数，为电压源逆变器直流电压的参考值；

电压源逆变器并联运行电网，针对每一个电压源逆变器其额定功率不同，根据每一个电压源逆变器其额定电压分担电能质量问题；在一个三相平衡系统中，根据式(14)，电网公共连接点的电流可以表示为：

上式中，k为与电压源逆变器有关的常数，v_m是直流侧参考电压信号；在功率允许的范围内，两个或者多个电压源逆变器共享直流侧参考电压信号v_m。

进一步的，对于每一个独立的电压源逆变器，公式(17)中，当k与v_m保持不变时，i_x仅与R_s相关，因此，不同的电压源逆变器控制模块中参数R_s不一致，可以根据它们额定值分担微网的功率需求与谐波补偿需求。

有益效果：与现有技术相比，本发明改进的单周控制器输出的PWM信号更加稳定，结构更加简单，并消除了窄脉冲对复位信号的影响；同时本发明的基于改进的单周控制器的微网电能质量主动控制方法，可以根据需要分配微网的功率需求和谐波补偿需求。

附图说明

图1是改进的单周控制器框图；

图2是单个电压源逆变器等效示意图；

图3是电压源逆变器并联运行框图；

图4是主动电能质量控制框图；

图5是负载电流波形；

图6(a)是功率均分时电压源逆变器1输出电流波形；

图6(b)是功率均分时电压源逆变器2输出电流波形；

图7(a)是非功率均分时电压源逆变器1输出电流波形；

图7(b)是非功率均分时电压源逆变器2输出电流波形；

图8是补偿后公共连接点电流波形；

图9是补偿后PCC点电流谐波失真；

图10(a)是传统控制方法下的复位信号波形；

图10(b)是改进后的时钟信号波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的描述。

图1为改进的单周控制器框图，包括时钟CLK，积分器，比较器和非门；时钟产生的时钟信号输入到积分器，积分器在每个时钟周期内对受控变量(即输入信号)进行连续积分计算，积分器输出值(即积分结果)与参考信号一起输入到比较器进行比较；比较器输出值一路连接非门，对比较器输出值取反，再与比较器输出值形成PWM控制信号；在一个时钟周期结束之后，积分器清零。改进的控制器结构采用非门来代替RS触发器，使其PWM输出信号更加稳定，结构更加简单，并消除了窄脉冲对复位信号的影响。

单周控制器在电压源逆变器中应用的原理：

图2是单个电压源逆变器等效示意图，其中三相桥式电压源逆变器中三相桥臂的占空比分别为d_ap、d_bp、d_cp。根据伏秒平衡，A、B、C三点相对于电压源逆变器直流侧节点N的电压u_XN可以表示为：

u_XN＝d_xp·V_dc其中，X＝A,B,C；x＝a,b,c>

其中，V_dc为电压源逆变器直流侧电压；

相对于电网中心点，电压源逆变器输出的电压与电网公共连接点(PCC点)电压满足公式：

其中，X＝A,B,C；x＝a,b,c>

其中，ω₀为工频50Hz下的角频率，L为电压源逆变器输出滤波电感，为电压源逆变器输出电流。由于滤波电感值较小，因此可以忽略上面的电压降，由此下面所有电压关系均用电压幅值来表示，可以近似得到：

u_XO≈u_xO＝e_x>

其中e_x是电网侧电压值。

考虑到电网中心点O与直流侧节点N，电压源逆变器侧电压满足：

u_XO＝u_XN+u_NO>

上式中，u_NO为电网中心点与电压源逆变器直流侧节点N之间的电压差。当系统中不含有零序分量时，满足：

u_AO+u_BO+u_CO＝0>

因此，式(4)可以进一步推导为：

u_NO＝-(u_AN+u_BN+u_CN)/3>

将式(1)、(3)、(6)代入到式(4)中，则可以得到电压源逆变器直流侧电压、占空比与电网电压之间的关系如下：

由于上式中系数矩阵的秩为2，无法求出其解，可以假设为

d_xp＝k₁+e_x/V_dc>

上式中，k₁为任意一个常数。由于占空比的定义，0<d_xp<1，因此可以推导得到：

-e_x/V_dc<k₁<1-e_x/V_dc>

本发明中，取k₁的值为0.5。为了实现对电网公共连接点(PCC点)处的谐波进行补偿，从PCC点侧观察，三相平衡且表现为纯阻性。因此，电压源逆变器电能质量主动治理的控制目标为：

e_x＝R_e·i_x(x＝a、b、c)>

其中，R_e为功率等效电阻，i_x为相电流。在分析中，引入参数k₂与k₃，将上式进一步变化为：

上式中，k₃决定电压源逆变器输出电流的最大值，k₂控制电压源逆变器输出功率的实际值。引入电流采样电阻R_s，上式可以推导为：

将式(8)代入至式(12)中，可以得到

其中，k＝k₃R_s，占空比的定义为d_xp＝t_x/T_s，其中，T_s为开关管的开关周期，t_x为该开关管的一个周期内的导通时间。将其代入上式，可以得到：

上式中，

其中，v_m是单周控制中用以控制电压源逆变器直流侧电压误差参数，控制电压源逆变器的实际并网电流。τ为单周控制中积分器所使用的时间常数。

当分布式电压源逆变器直流侧电源为光伏时，可以采用PI控制器实现对电压源逆变器直流侧电压进行控制，可以表示为：

上式中，K_P和K_I分别为PI控制器中的比例与积分参数，为电压源逆变器直流电压的参考值。

图3所示为光伏电压源逆变器并联运行框图，针对每一个电压源逆变器其额定功率不同，根据每一个电压源逆变器其额定电压分担电能质量问题。在一个三相平衡系统中，根据式(14)，电网PCC点的电流可以表示为

上式中，k通常对于特定的电压源逆变器是固定的，而v_m是根据实际的需求可变的；在功率允许的范围内，两个或者多个电压源逆变器共享直流侧参考电压信号v_m，可以有效实现多个电压源逆变器的输出分担；对于每一个独立的电压源逆变器，当k与v_m保持一致时，i_x仅仅与R_s相关，因此，不同的电压源逆变器控制模块中R_s的参数不一致，可以根据它们额定值分担微网的功率需求与谐波补偿需求。

如图4所示为基于单周控制的主动电能质量控制框图。电压源逆变器通过PI控制器保持直流侧输出电压恒定为参考值，v_m为PI控制器输出；在一个时钟周期内，根据式(14)对v_m进行积分并乘以系数m，其结果再与相关系数进行比较，得到输出的PWM信号。

由图4可知，PI控制器的输入值为即电压源逆变器直流电压的参考值与电压源逆变器直流侧电压的差值；当时钟CLK产生的时钟信号到来时，积分器在一个时钟周期内对PI控制器的输出值进行积分，直到下一个时钟周期来临之前复位为0；积 分器输出值经过放大器使积分输出值放大m倍，然后与PI控制器的输出值进行合成输入到比较器的同相输入端(“+”端)，ke_x-R_si_x作为参考值输入到比较器的反向输入端(“-”端)；当比较器同相输入端电压大于反向输入端电压时，比较器输出高电平；当比较器反向输入端电压大于同相输入端电压时，比较器输出低电平；比较器输出值一路经过非门取反，再与比较器的输出值形成PWM控制信号。

实施例：

为了验证基于单周控制的电能质量主动控制算法的有效性，采用如图2所示的微网结构，在Matlab/Simulink中搭建相应的仿真模型；微网中的非线性负载采用不控整流进行模拟。假设仿真中电压源逆变器的工作容量满足谐波补偿要求。仿真的具体参数如表1所示。

表1仿真参数

在仿真中，直流侧PI控制器的比例系数K_P为0.5，积分系数K_I为50，单周控制的时钟频率为6.4kHz，k为0.1，R_s为等效电流采样电阻(仿真中可根据实际要求进行修改)。另外，实际系统控制中参数k与交流侧电压传感器和相关电路的具体参数相关。

图5所示为微网中非线性负载的输出电流波形图，由图可知，负载电流的幅值约为25A。

当以PCC点处的电能质量治理为目标，使用两台电压源逆变器并联运行时，两台电压源逆变器的R_s参数相等均为1.5Ω；此时两台电压源逆变器输出的电流波形如图6(a)和图6(b)所示，两台电压源逆变器共享v_m参数，R_s相同，由波形可以看出两台电压源逆变器输出的电流基本保持一致，电流补偿和功率输出由两台均分。若将两台电压源逆变器的R_s进行调整，其中电压源逆变器2的R_s值调整为0.8Ω，电压源逆变器1的R_s值保持不变；则电压源逆变器1和电压源逆变器2输出的电流波形如图7(a)和图7(b)所示，由图中可以看出，输出的电流基本按照R_s的值进行分配，在实际运行中可以根据电压源逆变器的容量进行补偿均分。

当加入补偿之后，PCC点处的电流波形如图8所示，电流谐波失真分析(THD分析)如图9所示，其THD值为4.2％，可见谐波得到了抑制，电流波形大大改善。

此外，传统的控制方法下复位信号的波形如图10(a)所示，改进后的控制方法对应时钟信号波形图如图10(b)所示，由此我们可以看到传统的控制方法所对应的复位信号存在窄脉冲，但是改进后的直接使用周期性时钟信号，这样使得控制更加稳定，避免了窄脉冲对系统的不良影响。