一種微電網結構及其電能質量控制方法
【專利摘要】本發明提供了一種微電網結構及其電能質量控制方法，該微電網包括若干分布式微源和公共母線；所述若干分布式微源通過對應饋線并接到所述公共母線上，所述分布式微源分別連接有非線性負載和線性負載，所述公共母線上連接有非線性負載和線性負載；第一開關與隔離變壓器并聯連接，控制補償用逆變器的投入狀態；公共連接點處設有靜態開關；所述靜態開關為選擇開關，所述靜態開關的選擇端分別對應于大電網側和接地端。
【專利說明】
-種微電網結構及其電能質量控制方法
技術領域
[0001] 本發明設及電網技術領域，尤其設及一種微電網結構及其電能質量控制方法。
【背景技術】
[0002] 目前，結合電網的用電及管理需求，越來越多的用戶電網通過大電網與微電網并 網的模式組建電網，通過對大電網及微電網的運行進行控制，從而控制整個用戶電網的電 會K質量。
[0003] 微電網作為分布式電源的有效載體，包含各種形式的微源、儲能裝置、能量轉換裝 置、保護裝置和負荷控制裝置等設備，W及能夠實現自我控制、保護和管理的小型發電系 統，可運行于孤島和并網兩種模式。
[0004] 微電網為電力系統供電可靠性的提高、可再生能源的有效利用，和環境污染及電 能損耗的減小等提供了新的有效途徑。然而對于結構和電力負荷日益復雜的微電網，多種 電能質量問題同時出現的情況越來越多。如何對電能質量問題進行綜合治理，是保證系統 安全、可靠地運行的關鍵。
[0005] 為解決微電網電能質量問題，目前大多在微電網中配置相關電能質量調節裝置， 例如：統一電能質量調節器，有源電力濾波器，靜止無功補償器等，但要同時解決多種電能 質量問題需要多套裝置，運些裝置會引入額外投資、增加系統的復雜程度。
[0006] 近年來，也有學者提出采用多功能并網逆變器對其接入點電能質量問題進行治 理，但無法解決微電網并網運行模式下，大電網電壓波動、不平衡、崎變、短時電壓中斷W及 微電網中公共非線性負載帶來的電能質量問題。還有基于串并聯變流器補償方案、改進變 流器結構的方法來提高微電網電能質量。
[0007] 但是，運些方法都是只解決微電網部分電能質量問題，而對于結構復雜和負荷多 樣化的并網微電網，需要綜合考慮影響電能質量問題的多種因素，盡可能提高微電網的供 電可靠性和電能質量。
【發明內容】
[0008] 鑒于上述問題，提出了用于克服上述問題的一種微電網結構及其電能質量控制方 法。
[0009] 依據本發明的一個方面，提供了一種微電網結構，包括若干分布式微源和公共母 線;其特征在于，所述若干分布式微源通過對應饋線并接到所述公共母線上，所述分布式微 源分別連接有非線性負載和線性負載，所述公共母線上連接有非線性負載和線性負載;第 一開關與隔離變壓器并聯連接，所述第一開關控制補償用逆變器的投入狀態;公共連接點 處設有靜態開關;所述靜態開關為選擇開關，所述靜態開關的選擇端分別對應于大電網側 和接地端。
[0010] 其中，所述靜態開關連接到大電網側時，微電網處于并網運行模式，所述補償用逆 變器通過隔離變壓器接在大電網側;靜態開關連接到接地端時，微電網處于孤島運行模式， 所述補償用逆變器與微電網并聯;其中，并網運行模式下，大電網電能質量不滿足微電網運 行時，切換為孤島運行模式。
[0011] 其中，并網模式下，分布式微源采用基于電網電壓定向的P\Q控制策略;其中，微電 網的電壓和頻率由大電網支撐，所述分布式微源采用基于電網電壓定向的P\Q控制策略，所 述P\Q控制策略包括外環功率環和內環電流環。
[0012] 其中，所述補償用逆變器控制包括諧波補償控制和公共連接點電能質量控制，諧 波補償控制采用虛擬阻抗法，對大電網諧波進行補償，所述補償用逆變器作用為諧波電阻。
[0013] 其中，所述孤島模式下，所述補償用逆變器用作并聯型有源電力濾波器，補償公共 非線性負載諧波，保障公共連接點電能質量。
[0014] 其中，所述分布式微源采用基于本地諧波本地補償的下垂控制策略，保證輸出電 壓質量的同時對分布式微源的輸出電流進行控制，公共線性負荷由各分布式微源按各自容 量均分，所述補償用逆變器采用混合電壓電流控制方法，補償公共負載諧波電流。
[0015] 其中，補償指令電壓為諧波補償控制下補償指令電壓和公共連接點電能質量調節 模式下補償指令電壓之和，采用PI+重復控制的控制策略進行電壓跟蹤。
[0016] 依據本發明的另一個方面，提供了一種微電網結構的電能質量控制方法，包括:步 驟1，微電網初始為并網運行模式，補償用逆變器通過隔離變壓器與大電網串聯連接;步驟 2,所述并網運行模式下，分布式微源采用基于電網電壓定向的P\Q控制策略;步驟3,所述并 網運行模式下，補償用逆變器控制包括諧波補償控制和公共連接點電能質量控制，補償指 令電壓為諧波補償控制下補償指令電壓和公共連接點電能質量調節模式下補償指令電壓 之和，采用PI+重復控制的控制策略進行電壓跟蹤；步驟4,當大電網電能質量不滿足要求 時，進入孤島運行模式，補償用逆變器與微電網并聯，實現并聯型有源電力濾波器功能。
[0017] 其中，步驟2中，大電網支撐微電網的電壓和頻率，微電網內的各個分布式微源只 控制輸出功率，W保證微電網內部功率平衡;分布式微源采用基于電網電壓定向的P\Q控制 策略，所述P\Q控制策略包括外環功率環和內環電流環。
[0018] 其中，步驟3中，所述補償用逆變器控制包括諧波補償控制和公共連接點電能質量 控制，諧波補償控制采用虛擬阻抗法，對大電網諧波進行補償，所述補償用逆變器控制成諧 波電阻。
[0019] 與現有技術相比，該結構及方法優點為：
[0020] 1、可W同時解決多種電能質量問題，并網運行模式下，能有效補償大電網電壓波 動、不平衡和諧波崎變，阻止微電網諧波注入大電網。
[0021] 2、在大電網短時電壓中斷、發生瞬時性短路故障時，補償用逆變器向微電網注入 有功功率，同時補償大電網電壓跌落、不平衡及諧波，保證微電網不脫網運行，提高微電網 的反孤島能力。
[0022] 3、當微電網孤島運行時，逆變器通過開關接地與微電網并聯，充當并聯有源濾波 器，實現一機兩用，減少系統的運行成本。。
【附圖說明】
[0023] 通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對于本領域普通 技術人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優選實施方式的目的，而并不認為是對本發明 的限制。而且在整個附圖中，用相同的參考符號表示相同的部件。在附圖中：
[0024] 圖1為根據本發明的本地及公共母線均帶有非線性負載的微電網拓撲結構示意 圖；
[0025] 圖2為根據本發明的并網模式下分布式微源P/Q控制結構圖；
[0026] 圖3為根據本發明的補償用逆變器結構圖；
[0027] 圖4為根據本發明的基于虛擬阻抗法的單相等效電路圖；
[0028] 圖5為根據本發明的電網諧波電流補償模式下補償用逆變器補償電壓指令生成示 意圖；
[0029] 圖6為根據本發明的PCC電能質量調節模式下補償用逆變器補償電壓指令生成示 意圖；
[0030] 圖7為根據本發明的并網運行模式下補償用逆變器總控制框圖；
[0031] 圖8為根據本發明實施例的并網微電網系統控制結構圖；
[0032] 圖9a為根據本發明實施例的未加入補償用逆變器仿真電網電流波形示意圖；
[0033] 圖9b為根據本發明實施例的未加入補償用逆變器仿真PCC點電壓波形示意圖；
[0034] 圖10a為根據本發明實施例的加入補償用逆變器電網電壓跌落仿真電網電流波形 示意圖；
[0035] 圖10b為根據本發明實施例的加入補償用逆變器電網電壓跌落仿真PCC點電壓波 形示意圖；
[0036] 圖10c為根據本發明實施例的加入補償用逆變器電網電壓跌落仿真補償用逆變器 輸出電壓波形示意圖；
[0037] 圖11a為根據本發明實施例的加入補償用逆變器單相短路故障仿真電網電壓波形 示意圖；
[0038] 圖11b為根據本發明實施例的加入補償用逆變器單相短路故障仿真PCC點電壓波 形示意圖；
[0039] 圖11c為根據本發明實施例的加入補償用逆變器單相短路故障仿真補償用逆變器 輸出電壓波形示意圖。
【具體實施方式】
[0040] 下面結合附圖和實施例對本發明的實施方式作進一步詳細描述。W下實施例用于 說明本發明，但不能用來限制本發明的范圍。
[0041] 圖1為根據本發明實施例的一種微電網拓撲結構圖，其中，分布式微源及公共母線 均帶有非線性負載。其中，微電網包括若干分布式微源、公共母線、補償用逆變器和隔離變 壓器，還包括非線性負載、線性負載、第一開關K、靜態開關S。其中，所述若干分布式微源(發 電單元)并聯連接，所述分布式微源連接有所述非線性負載和線性負載，所述若干分布式微 源通過相應饋線連接到所述公共母線上，所述公共母線上設有所述非線性負載和線性負 載。
[0042] 其中，補償用逆變器與第一開關K并聯，控制補償用逆變器的投入狀態，K打開補償 逆變器投入工作，閉合時補償用逆變器不投入工作。靜態開關為選擇開關，開關選擇端分別 對應于大電網側和接地端。
[0043] 其中，所述第一開關打開時補償用逆變器投入工作，閉合時補償用逆變器不投入 工作，微電網并網運行時，所述逆變器通過隔離變壓器接在大電網側;微電網孤島運行時， 所述逆變器通過開關接地與微電網并聯。
[0044] 本發明的控制方法具體包括如下步驟：
[0045] (1)微電網初始運行于并網模式，即開關S打到1處，此時逆變器通過隔離變壓器與 大電網串聯連接；
[0046] (2)在并網運行模式下，分布式微源采用基于電網電壓定向的P\Q控制策略，為了 補償本地負載諧波，在參考電壓獲取中考慮負載電流；
[0047] 并網運行模式下，微電網的電壓和頻率由大電網來支撐，微電網內的各個分布式 微源只需控制輸出功率W保證微電網內部功率的平衡，因此本發明中所述分布式微源采用 基于電網電壓定向的P\Q控制策略，所述P\Q控制策略包括外環功率環和內環電流環兩控制 環，其控制結構如圖2所示。
[0048] 在同步旋轉坐標系下，分布式微源逆變器電壓方程為：
[0049]
[0050] 其中，u〇di、u〇qi分別為第i個分布式微源輸出電壓d、q軸分量;igdi、igqi分別為第i個 分布式微源流向公共母線電流的d、q軸分量;Upccd、Upccq分別為PCC點電壓d、q軸分量;Ri、^ 為第i個分布式微源線路電阻和電感。
[0051] 外環功率環采用PI控制，其參考電流為：
[0化2]
[OOM]其中，Pi、Qi為微源輸出到公共母線的有功和無功功率，Prefi、Qrefi為其有功、無功 功率參考值，kp、ki為外環功率環的比例、積分系數，由于本地非線性負載的存在，為了補償 本地負載諧波，需要考慮本地負載電流ildi和ilqi。因此，電壓控制方程為：
[0化4]
[0055] 式中的kp、ki為內環電流環的比例、積分系數。
[0056] (3)微電網并網運行模式下，補償用逆變器控制由諧波補償控制和公共連接點 (PCC點）電能質量控制兩部分構成，補償指令電壓為諧波補償控制下補償電壓指令和PCC點 電能質量調節模式下補償電壓指令之和，采用PI+重復控制的控制策略進行電壓跟蹤。
[0057] 補償用逆變器結構如圖3所示，主電路由Ξ相電壓型Pmi變流器與LC濾波器構成， 直流側采用蓄電池。圖中usx(x = a，b，c)為大電網電壓，Ls為電網內阻，isx(x = a，b，c)為電網 電流，11。、^ = 3，13，(3)為補償用逆變器注入到電網的電壓，化。。、^ = 3，13，(3)為公共禪合點即 PCC點電壓。
[005引諧波補償控制采用虛擬阻抗法，對大電網諧波進行補償，此時補償用逆變器控制 成一個諧波電阻，其單相等效電路如圖4所示。圖中Zs為大電網內部等效阻抗，Us和is分別為 大電網電壓、電流，Upcc為PCC點電壓，Uc為補償用逆變器向電網注入的電壓。
[0化9]將Us、is、化CC用基波分量和諧波分量表示：
[0060]
[0061 ] 若有Uc = kish，則大電網諧波電流可W表示為：
[0062]
[0063] Zsh為電網內阻的等效諧波阻抗，由上式可知，當k足夠大時，大電網輸出電流中的 諧波分量ish趨近于零，從而實現諧波補償，運時候補償用逆變器對于諧波而言等效為一個 阻值為k的電阻，而對于基波而言其電阻值為零，因此，補償用逆變器補償電壓指令可W表 示為：
[0064] 也=知,，
[0065] 其指令生成如圖5所示，k即為虛擬的阻抗值。
[0066] 大電網發生故障時通常會造成電壓跌落，而電壓跌落又時常伴有不平衡、諧波等 問題，運些電能質量問題嚴重時，微電網將與大電網斷開，進入孤島運行模式，而微電網模 式切換產生的暫態過程將影響系統的穩定性和動態性能，通過控制補償用逆變器的輸出電 壓，實現對大電網電壓跌落、不平衡W及諧波補償，可維持PCC電壓穩定，保證PCC電能質量， 從而使得微電網在大電網發生短路故障時不脫網，呈現一定的反孤島能力，PCC電能質量控 制具體如下：
[0067] 電網電壓Usx采用基波正序據，負序"Γ/、和諧波Ushx的表示形式，忽略電網內阻上的 壓降，設PCC點電壓參考為貝賄：
[006引
[0069] 其中，鳴ed選取為幅值等于PCC額定值Vm，且與電網基波正序電壓同相位，相應 結構如圖6所示。補償用逆變器的輸出電壓指令含有基波分量<6?，此時補償用逆變器 向電網提供的有功功率，大小為：
[0070]
[0071] 其中ispx為電網電流有功分量；
[0072] 采用復合控制方式，補償用逆變器電壓參考指令為：
[0073]
[0074] 補償用逆變器總控制框圖如圖7所示，采用電壓電流雙閉環控制結構，電壓環、電 流環的控制均在郵坐標系下進行。為了很好地實現對參考電壓的快速準確的跟蹤，電壓環 采用并聯型PI+重復控制。電壓環的輸出作為電流環的輸入給定電流環控制器為 比例控制ki，其輸出即為逆變器PWM調制輸出參考電壓。
[0075] (4)當大電網電能質量不滿足要求時，微電網孤島運行，開關S打到2處，逆變器通 過開關接地與微電網并聯，補償公共非線性負載諧波，實現并聯型APF功能，保證PCC點電能 質量，此時分布式微源采用基于本地諧波本地補償的下垂控制策略，在保證輸出電壓質量 的同時，對分布式微源的輸出電流進行控制，各分布式微源給本地非線性負載提供正弦Ξ 相電壓和所需諧波電流的同時，向公共線性負載提供所需的線性電流，且公共線性負荷由 各微源按各自容量均分，所述逆變器采用混合電壓電流控制方法，補償公共負載諧波電流。
[0076] 圖8為實施例并網微電網系統控制結構圖，兩個相同容量的DG并聯運行，本地負載 和非線性負載均為非線性負載，濾波電感Lfi = Lf2 = 3恤，Lr=1.6恤;濾波電容Cfi = Cf2 = 40y F，Cr = 40yF;線路電阻、電感 Rlinel = 0.128Q、Llinel = 0.064mH，Rline2 = 0.167Q、Lline2 = 0.08：3恤。
[0077] 圖9為未加入補償用逆變器時仿真波形。t = 0s時，大電網輸出電壓峰值等于311V 的正弦Ξ相電壓，t = 0.1S時，電壓跌落20 %，由FFT分析可得，在0.05~0.1S時段，大電網輸 出電流THD為15.64% ; 0.1~0.15s時段，大電網輸出電流THD為13.67%大電網電流諧波崎 變率較高，因此直接并網不具可行性。
[0078] t = 0.2s時，微電網經補償用逆變器與大電網相連，大電網輸出電壓跌落20%，t = 0.25s大電網輸出電壓恢復正常。圖10為接入補償用逆變器電網電壓跌落時仿真波形。在 0.2~0.25s時段，大電網電流T皿為4.66%，補償用逆變器輸出電壓基波幅值為59V;0.25~ 0.3s時段，大電網輸出電流THD為4.85%，補償用逆變器輸出電壓基波幅值為5. IV。當大電 網電壓不跌落時，補償用逆變器僅輸出系統所需的諧波補償電壓，補償微電網PCC處諧波電 壓，從而阻止諧波電流進入大電網；當大電網輸出電壓跌落時，補償用逆變器不僅補償諧波 電壓阻止諧波電流進入大電網，且補償大電網的基波電壓跌落。
[0079] 在t = 0.3s時，大電網發生單相接地故障(A相），t = 0.4s故障消除。仿真波形如圖 11所示，0.3s~0.4s大電網電壓降、不平衡及諧波由補償用逆變器補償，PCC點電壓仍近似 Ξ相正弦。PCC點靜態開關不動作，微電網仍正常并網運行，可W繼續通過B、C兩相與大電網 進行交換能量。
[0080] 本發明的實施例是為了示例和描述起見而給出的，而并不是無遺漏的或者將本發 明限于所公開的形式。很多修改和變化對于本領域的普通技術人員而言是顯而易見的。選 擇和描述實施例是為了更好說明本發明的原理和實際應用，并且使本領域的普通技術人員 能夠理解本發明從而設計適于特定用途的帶有各種修改的各種實施例。
【主權項】
1. 一種微電網結構，包括若干分布式微源和公共母線;其特征在于，所述若干分布式微 源通過對應饋線并接到所述公共母線上，所述分布式微源分別連接有非線性負載和線性負 載，所述公共母線上連接有非線性負載和線性負載;第一開關與隔離變壓器并聯連接，控制 補償用逆變器的投入狀態;公共連接點處設有靜態開關;所述靜態開關為選擇開關，所述靜 態開關的選擇端分別對應于大電網側和接地端。2. 根據權利要求1所述的微電網結構，其特征在于，所述靜態開關連接到大電網側時， 微電網處于并網運行模式，所述補償用逆變器通過隔離變壓器接在大電網側;靜態開關連 接到接地端時，微電網處于孤島運行模式，所述補償用逆變器與微電網并聯;其中，并網運 行模式下，大電網電能質量不滿足微電網運行時，切換為孤島運行模式。3. 根據權利要求2所述的微電網結構，其特征在于，并網模式下，分布式微源采用基于 電網電壓定向的P\Q控制策略;其中，微電網的電壓和頻率由大電網支撐，所述分布式微源 采用基于電網電壓定向的P\Q控制策略，所述P\Q控制策略包括外環功率環和內環電流環。4. 根據權利要求3所述的微電網結構，其特征在于，所述補償用逆變器控制包括諧波補 償控制和公共連接點電能質量控制，諧波補償控制采用虛擬阻抗法，對大電網諧波進行補 償，所述補償用逆變器作用為諧波電阻。5. 根據權利要求2所述的微電網結構，其特征在于，所述孤島模式下，所述補償用逆變 器用作并聯型有源電力濾波器，補償公共非線性負載諧波，保障公共連接點電能質量。6. 根據權利要求5所述的微電網結構，其特征在于，所述分布式微源采用基于本地諧波 本地補償的下垂控制策略，保證輸出電壓質量的同時對分布式微源的輸出電流進行控制， 公共線性負荷由各分布式微源按各自容量均分，所述補償用逆變器采用混合電壓電流控制 方法，補償公共負載諧波電流。7. 根據權利要求4所述的微電網結構，其特征在于，補償指令電壓為諧波補償控制下補 償指令電壓和公共連接點電能質量調節模式下補償指令電壓之和，采用PI+重復控制的控 制策略進行電壓跟蹤。8. -種基于權利要求1或者2所述微電網結構的電能質量控制方法，其特征在于，所述 方法包括： 步驟1，微電網初始為并網運行模式，補償用逆變器通過隔離變壓器與大電網串聯連 接； 步驟2，所述并網運行模式下，分布式微源采用基于電網電壓定向的P\Q控制策略； 步驟3,所述并網運行模式下，補償用逆變器控制包括諧波補償控制和公共連接點電能 質量控制，補償指令電壓為諧波補償控制下補償指令電壓和公共連接點電能質量調節模式 下補償指令電壓之和，采用PI+重復控制的控制策略進行電壓跟蹤； 步驟4,當大電網電能質量不滿足要求時，進入孤島運行模式，補償用逆變器與微電網 并聯，實現并聯型有源電力濾波器功能。9. 根據權利要求8的方法，其中，步驟2中，大電網支撐微電網的電壓和頻率，微電網內 的各個分布式微源只控制輸出功率，以保證微電網內部功率平衡;分布式微源采用基于電 網電壓定向的P\Q控制策略，所述P\Q控制策略包括外環功率環和內環電流環。10. 根據權利要求8的方法，其中，步驟3中，所述補償用逆變器控制包括諧波補償控制 和公共連接點電能質量控制，諧波補償控制采用虛擬阻抗法，對大電網諧波進行補償，所述 補償用逆變器控制成諧波電阻。
【文檔編號】H02J3/01GK105870975SQ201610479279
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年6月27日
【發明人】楊建 , 鐘朝露, 侯小超, 韓華, 孫堯, 原文賓, 粟梅, 于晶榮
【申請人】中南大學