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CN112260280A - 混合微电网中双向ac/dc变换器谐波控制方法 - Google Patents

混合微电网中双向ac/dc变换器谐波控制方法 Download PDF

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CN112260280A
CN112260280A CN202011048918.5A CN202011048918A CN112260280A CN 112260280 A CN112260280 A CN 112260280A CN 202011048918 A CN202011048918 A CN 202011048918A CN 112260280 A CN112260280 A CN 112260280A
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王桂烁
蒋保臣
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Shandong University
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Abstract

本发明涉及一种混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法，其解决了现有混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制过程中，直流电压‑有功功率下垂控制直流母线电压在额定值波动，造成双向AC/DC变换器状态频繁切换，负序基频分量影响和电压电流畸变时锁相不精确，低通滤波器截止频率不能兼顾FBD谐波电流检测方法检测精度和相应速度问题的技术问题。本发明采用改进分段式下垂控制，通过基于解耦双同步参考坐标系锁相环(DDSRF‑PLL)代替传统锁相环，LMS自适应滤波代替低通滤波器。本发明广泛用于适用于微电网中变换器能量双向流动、谐波电流检测与抑制技术领域。

Description

混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法
技术领域
本发明涉及微电网中变换器能量双向流动、谐波电流检测与抑制技术领域，具体而言，涉及一种混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法。
背景技术
近年来，随着智能电网进入全面建设阶段，一种同时兼备了交流微电网和直流微电网优势的交直流混合微电网系统被广泛研究。双向AC/DC变换器连接交直流母线，作为交直流子网间的重要传输媒介。在并网模式下，由于交流子网与大电网相连接，交流母线电压和频率由公共电网维持稳定，所以双向AC/DC变换器的作用是维持直流子网母线电压稳定和控制交直流子网间能量传输。理想工况下，采用直流电压-有功功率(udc-P)下垂控制，但是当直流母线电压在额定值附近波动，双向AC/DC变换器会出现频繁切换，造成损耗。非理想工况下，存在非线性负载会引起电流发生畸变，导致额外功率损耗，对并网设备干扰，造成微电网系统不稳定,严重影响电能质量，造成巨大的损失。所以需要结合FBD谐波检测方法，精确检测谐波，进行抑制和补偿。现有技术的FBD方法，锁相环和低通滤波器的局限性限制了控制策略抑制谐波电流的精度，负序基频分量影响和电压电流畸变时锁相不精确。此外，低通滤波器截止频率不能兼顾FBD谐波电流检测方法检测精度和相应速度问题。
发明内容
本发明就是为了解决现有混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制过程中，直流电压-有功功率下垂控制直流母线电压在额定值波动，造成双向AC/DC变换器状态频繁切换，负序基频分量影响和电压电流畸变时锁相不精确，低通滤波器截止频率不能兼顾FBD谐波电流检测方法检测精度和相应速度问题的技术问题，提供了一种能够在非线性负载条件下实现能量稳定传输的混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法。
本发明提供的混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法，包括以下步骤：
步骤1，DDSRF-PLL；
(1)构建解耦双同步坐标系锁相环；
(2)将三相电压uabc经Clarke变换到两相静止坐标系uαβ，将uα和uβ送入Park变换
Figure BDA0002708913360000021
和
Figure BDA0002708913360000022
模块，得到正序和负序电压分量；
(3)将d+1和q+1调换送入自解耦网络；
(4)利用PI控制器使得
Figure BDA0002708913360000023
来保持同步实现锁相，得到三相电压的幅值、频率和相位信息；
步骤2，FBD检测过程；
(1)采用锁相环生成与三相电网电压同相位的参考电压，代替实测值进行计算等效有功电导和等效无功电导；
(2)等效有功电导和无功电导，通过低通滤波器(LPF)滤除电导中的交流分量，保留直流分量，滤波后的电导值就是基波的等效电导；
(3)有功电导GPf(t)和无功电导GQf(t)分别乘以相应的参考电压，得到三相基波有功电流分量和无功电流分量，对应相位的电导电流分量相加得到三相基波正序电流分量；
(4)原始电流减去基波电流分量得到各相的谐波电流分量；
步骤3，基于LMS自适应滤波器；
(1)待测信号d(n)与滤波器输出信号y(n)比较，形成误差信号e(n)；
(2)误差信号e(n)通过LMS算法得到加权值，即修正量，与当前权矢量w1(n)和w2(n)相加，得到修正值，调整滤波器参数；
(3)使得滤波器输出信号y(n)逼近基波电流信号，此时e(n)也可近似等于谐波电流信号；
(4)考虑到与FBD谐波电流检测方法结合，有功电导GP(t)和无功电导GQ(t)滤波过程相似，以GP(t)的滤波过程，此时d(n)＝GP(t)。x1(n)和x2(n)可由DDSRF-PLL锁相产生的正余弦信号uDDSRF-PLL和
Figure BDA0002708913360000032
代替。
优选地，下垂控制过程，传输有功功率和电压之间的关系如公式(1)：
Figure BDA0002708913360000031
公式(1)中，PBIC是双向AC/DC变换器(BIC)传输的有功功率，
Figure BDA0002708913360000033
是双向AC/DC变换器(BIC)传输有功功率的额定值，udc,Hmin是双向AC/DC变换器(BIC)阈值设定上限的最小值，udc,Hmax是双向AC/DC变换器(BIC)阈值设定的最大值，udc,Lmin是阈值设定下限的最小值，udc,Lmax是阈值下限设定的最大值；
下垂控制共分三种模式：
第一种，逆变模式；当udc,Hmin≤udc≤udc,Hmax，udc未达到阈值设定上限，双向AC/DC变换器(BIC)处于逆变模式，直流子网通过双向AC/DC变换器(BIC)向交流子网传输有功功率，由双向AC/DC变换器(BIC)维持直流母线电压稳定。当udc＞udc,Hmax，udc超过了阈值设定上限，双向AC/DC变换器(BIC)仍处于逆变模式；
第二种，待机模式；当udc,Lmin≤udc≤udc,Hmin，直流母线电压小范围波动；
第三种，整流模式；当udc,Lmax≤udc≤udc,Lmin，双向AC/DC变换器(BIC)处于整流模式，交流子网通过双向AC/DC变换器(BIC)向直流子网传输有功功率，由双向AC/DC变换器(BIC)维持直流母线电压稳定；当udc＜udc,Lmax，udc超过了阈值设定下限，双向AC/DC变换器(BIC)仍处于整流模式，交流子网向直流子网传输能量达到最大值，在储能系统能量充足情况下，和双向AC/DC变换器(BIC)一起维持直流母线电压稳定。
本发明的有益效果是，采用改进分段式下垂控制，避免了双向AC/DC变换器因直流母线电压波动而频繁切换的问题。通过基于解耦双同步参考坐标系锁相环(DDSRF-PLL)代替传统锁相环，有效解决负序基频分量影响和电压电流畸变时锁相不精确的问题。LMS自适应滤波代替低通滤波器，解决低通滤波器截止频率不能兼顾FBD谐波电流检测方法检测精度和相应速度问题。通过改进FBD谐波电流检测方法和下垂控制策略结合，设计了一种改进FBD抑制谐波电流下垂控制策略。当非线性负载导致电流畸变，产生谐波电流，该方法可以在非理想工况，实现抑制双向AC/DC变换器中传输的谐波电流，能量双向流动和维持直流母线电压稳定。
本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
图1是本发明控制策略流程图；
图2是本发明谐波控制方法的框图；
图3是本发明P-udc下垂控制过程的下垂特性曲线图；
图4是本发明FBD谐波检测方法原理图；
图5是本发明DDSRF-PLL的结构原理图；
图6是基于LMS自适应滤波检测图。
具体实施方式
以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
混合微电网在并网状态下，系统运行在理想工况时，通过下垂控制策略，不但可以实现双向AC/DC变换器在两子网间能量的双向流动，而且可以和储能系统一起维持直流母线电压的稳定。当系统中存在非线性负载，交流母线输出电流畸变，输出功率会有较大扰动，影响整个微电网系统的稳定性和安全性。为了抑制存在非线性负载情况下，电路中产生的谐波电流。首先，需要FBD谐波电流检测方法，检测出非线性负载中的谐波电流分量。然后，提取非线性负载中的谐波电流，在交流母线的输出端进行电流的修正，达到抑制的目的，最大程度的减小交流母线输出到双向AC/DC变换器的功率的波动。最后，在下垂控制策略的基础上结合了FBD谐波电流检测方法，实现双向AC/DC变换器的能量的双向流动，以维持直流母线电压稳定。
如图1所示，混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法包括以下步骤：
第一步，FBD谐波电流检测过程。
步骤1，DDSRF-PLL。在现有FBD谐波电流检测基础上，采用DDSRF-PLL代替传统PLL，消除了负序分量对正序分量的影响，得到更为准确有效锁定基波电压的频率和相位。
(1)构建解耦双同步坐标系锁相环，如图5所示，解耦双同步坐标系锁相环具有自解耦网络，可以消除负序基频分量。因此，在并网状态受到非线性负载影响时，也可以实现精确的相位检测。
(2)先将三相电压uabc经Clarke变换到两相静止坐标系uαβ，这样可以将零序分量抵消，消除零序分量的影响；将uα和uβ送入Park变换
Figure BDA0002708913360000051
和
Figure BDA0002708913360000052
模块，得到正序和负序电压分量。
(3)将d+1和q+1调换送入自解耦网络，该过程可以抑制d+1和q+1坐标系种的振荡。
(4)利用PI控制器使得
Figure BDA0002708913360000053
来保持同步实现锁相，得到三相电压的幅值、频率和相位信息。
步骤2，FBD检测过程，基本思想是将实际电路中的负载等成理想电导元件，电路中功率的消耗可以等效为电导率消耗，没有其他能量损失，根据等效电导对电流的分解特性，可以计算出补偿电流分量，对系统谐波电流进行抑制。
(1)采用锁相环生成与三相电网电压同相位的参考电压，代替实测值进行计算等效有功电导和等效无功电导。
(2)等效有功电导和无功电导，通过低通滤波器(LPF)滤除电导中的交流分量，保留直流分量，滤波后的电导值就是基波的等效电导。
(3)有功电导GPf(t)和无功电导GQf(t)分别乘以相应的参考电压，得到三相基波有功电流分量和无功电流分量，对应相位的电导电流分量相加得到三相基波正序电流分量。
(4)原始电流减去基波电流分量就可以得到各相的谐波电流分量。
步骤3，基于LMS自适应滤波器，自适应滤波器由参数可调的数字滤波器和自适应算法两部分组成，它可以根据输入量特征的变化，不断通过自适应算法调整滤波器参数，实现对参考信号的精确追踪。
(1)待测信号d(n)与滤波器输出信号y(n)比较，形成误差信号e(n)。
(2)误差信号e(n)通过LMS算法得到加权值，即修正量，与当前权矢量w1(n)和w2(n)相加，得到修正值，调整滤波器参数。
(3)使得滤波器输出信号y(n)逼近基波电流信号，此时e(n)也可近似等于谐波电流信号。
(4)考虑到与FBD谐波电流检测方法结合。有功电导GP(t)和无功电导GQ(t)滤波过程相似，以GP(t)的滤波过程，此时d(n)＝GP(t)。x1(n)和x2(n)可由DDSRF-PLL锁相产生的正余弦信号uDDSRF-PLL和
Figure BDA0002708913360000061
代替.
第二步，下垂控制策略过程。
相比现有技术，改进后的双向AC/DC变换器下垂有功功率控制，增加了阈值设定，解决了直流母线电压在额定值附近小范围波动所引起的开关损耗。通过设定阈值和额定功率间关系，解决了因计算下垂系数困难和不精确的问题。同时，还兼备原控制策略能量双向流动和维持直流母线电压稳定的功能。根据附图3中的下垂特性特性曲线，可得出传输有功功率和电压之间的关系如公式(1)所示。
Figure BDA0002708913360000071
公式(1)中，PBIC是双向AC/DC变换器(BIC)传输的有功功率，
Figure BDA0002708913360000072
是双向AC/DC变换器(BIC)传输有功功率的额定值。udc,Hmin是双向AC/DC变换器(BIC)阈值设定上限的最小值，udc,Hmax是双向AC/DC变换器(BIC)阈值设定的最大值。udc,Lmin是阈值设定下限的最小值，udc,Lmax是阈值下限设定的最大值。
改善后的下垂控制共分三种模式：
第一种，逆变模式。当udc,Hmin≤udc≤udc,Hmax，udc未达到阈值设定上限，双向AC/DC变换器(BIC)处于逆变模式，直流子网通过双向AC/DC变换器(BIC)向交流子网传输有功功率，由双向AC/DC变换器(BIC)维持直流母线电压稳定。当udc＞udc,Hmax，udc超过了阈值设定上限，双向AC/DC变换器(BIC)仍处于逆变模式，双向AC/DC变换器(BIC)向交流子网传输的能量达到最大值，直流子网内多余的能量，在储能系统不饱和情况下，为储能系统充电，由储能系统和双向AC/DC变换器(BIC)共同维持直流母线电压稳定。
第二种，待机模式。当udc,Lmin≤udc≤udc,Hmin，直流母线电压小范围波动，多余或者亏损的能量由储能系统充放电提供，避免不必要的开关损耗。此时双向AC/DC变换器(BIC)处于待机模式，没有有功功率传输，由储能系统提供母线电压稳定。
第三种，整流模式。当udc,Lmax≤udc≤udc,Lmin，双向AC/DC变换器(BIC)处于整流模式，交流子网通过双向AC/DC变换器(BIC)向直流子网传输有功功率，由双向AC/DC变换器(BIC)维持直流母线电压稳定。当udc＜udc,Lmax，udc超过了阈值设定下限，双向AC/DC变换器(BIC)仍处于整流模式，交流子网向直流子网传输能量达到最大值，在储能系统能量充足情况下，和双向AC/DC变换器(BIC)一起维持直流母线电压稳定。所设定情况均在可控范围之内。
并网模式下直流子网不存在无功功率问题，并且交流母线电压由公用电网支撑，uac和
Figure BDA0002708913360000081
相等，所以此时Qref＝0。所以本发明中，无功功率的消耗全部由交流子网内部提供，降低其承担功率传输的负担。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。

Claims (2)

1.一种混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，DDSRF-PLL；
(1)构建解耦双同步坐标系锁相环；
(2)将三相电压uabc经Clarke变换到两相静止坐标系uαβ，将uα和uβ送入Park变换
Figure FDA0002708913350000011
和
Figure FDA0002708913350000012
模块，得到正序和负序电压分量；
(3)将d+1和q+1调换送入自解耦网络；
(4)利用PI控制器使得
Figure FDA0002708913350000013
来保持同步实现锁相，得到三相电压的幅值、频率和相位信息；
步骤2，FBD检测过程；
(1)采用锁相环生成与三相电网电压同相位的参考电压，代替实测值进行计算等效有功电导和等效无功电导；
(2)等效有功电导和无功电导，通过低通滤波器(LPF)滤除电导中的交流分量，保留直流分量，滤波后的电导值就是基波的等效电导；
(3)有功电导GPf(t)和无功电导GQf(t)分别乘以相应的参考电压，得到三相基波有功电流分量和无功电流分量，对应相位的电导电流分量相加得到三相基波正序电流分量；
(4)原始电流减去基波电流分量得到各相的谐波电流分量；
步骤3，基于LMS自适应滤波器；
(1)待测信号d(n)与滤波器输出信号y(n)比较，形成误差信号e(n)；
(2)误差信号e(n)通过LMS算法得到加权值，即修正量，与当前权矢量w1(n)和w2(n)相加，得到修正值，调整滤波器参数；
(3)使得滤波器输出信号y(n)逼近基波电流信号，此时e(n)也可近似等于谐波电流信号；
(4)考虑到与FBD谐波电流检测方法结合，有功电导GP(t)和无功电导GQ(t)滤波过程相似，以GP(t)的滤波过程，此时d(n)＝GP(t)。x1(n)和x2(n)可由DDSRF-PLL锁相产生的正余弦信号uDDSRF-PLL和
Figure FDA0002708913350000014
代替。
2.根据权利要求1所述的混合微电网中双向AC/DC变换器谐波控制方法，其特征在于：
下垂控制过程，传输有功功率和电压之间的关系如公式(1)：
Figure FDA0002708913350000021
公式(1)中，PBIC是双向AC/DC变换器(BIC)传输的有功功率，
Figure FDA0002708913350000022
是双向AC/DC变换器(BIC)传输有功功率的额定值，udc,Hmin是双向AC/DC变换器(BIC)阈值设定上限的最小值，udc,Hmax是双向AC/DC变换器(BIC)阈值设定的最大值，udc,Lmin是阈值设定下限的最小值，udc,Lmax是阈值下限设定的最大值；
下垂控制共分三种模式：
第一种，逆变模式；当udc,Hmin≤udc≤udc,Hmax，udc未达到阈值设定上限，双向AC/DC变换器(BIC)处于逆变模式，直流子网通过双向AC/DC变换器(BIC)向交流子网传输有功功率，由双向AC/DC变换器(BIC)维持直流母线电压稳定。当udc＞udc,Hmax，udc超过了阈值设定上限，双向AC/DC变换器(BIC)仍处于逆变模式；
第二种，待机模式；当udc,Lmin≤udc≤udc,Hmin，直流母线电压小范围波动；
第三种，整流模式；当udc,Lmax≤udc≤udc,Lmin，双向AC/DC变换器(BIC)处于整流模式，交流子网通过双向AC/DC变换器(BIC)向直流子网传输有功功率，由双向AC/DC变换器(BIC)维持直流母线电压稳定；当udc＜udc,Lmax，udc超过了阈值设定下限，双向AC/DC变换器(BIC)仍处于整流模式，交流子网向直流子网传输能量达到最大值，在储能系统能量充足情况下，和双向AC/DC变换器(BIC)一起维持直流母线电压稳定。
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