基于功率脉动控制的微电网pq控制策略优化研究

基于功率脉动控制的微电网pq控制策略优化研究

0dg功率脉动幅值变化机理作为连接方式的有效负载，微电站通常位于主网络的末端，直接连接到负荷。文献[11]推导了三相不平衡电压对DG输出有功与无功脉动的影响,并通过陷波滤波器在正反两种dq变换下分离正负序电流,进而利用推导的电流与功率的函数关系进行控制。该方法消除了逆变器有功功率以及直流母线电压的脉动,但造成无功功率脉动增大。文献[12]分析了电网故障时DG功率脉动现象,通过对一个合理的补偿参数的连续调节,得到了有功和无功脉动的幅值变化关系。但该方法仅定性分析了有功和无功脉动幅值的关系,没有给出解析表达式。文献[13]对比了瞬时功率控制、平均功率控制以及正负序补偿等5种功率控制方法的脉动,但难以给出一种兼顾多种指标的通用脉动抑制方案。综上所述,目前抑制DG功率脉动的方法主要集中在改善有功脉动方面,对有功脉动与无功脉动之间的关系仅停留在定性分析阶段,难以获得一种较好的综合控制方案。针对目前存在的问题,本文推导了有功脉动与无功脉动的函数关系,并从正负序电流注入角度分析了脉动幅值变化的机理。在此基础上,定义了一种量化功率脉动的指标,并根据最优化理论提出综合控制有功脉动和无功脉动的二级控制,达到了同时减小有功和无功功率脉动的目的。1在不平衡电压条件下，dg运行分析1.1不等径聚合系基于三相逆变器的DG电路如图1所示。图中:UPCC处的电压在αβ坐标系下可表示为:式中:上标+、-分别表示正、负序分量;下标+、-分别表示正、反向同步旋转坐标系;E因此,在正、反向同步旋转坐标系中,DG变流器的数学模型可表示为:式中:V1.2功功功率脉动和无功脉动转化成二倍公频当微电网PCC处电压不平衡时,DG输出的有功功率和无功功率分别为:其中根据和差化积公式,式(3)中有功脉动的瞬时值可转化成:同理,无功功率脉动瞬时值可转化为:式中:P由式(7)和式(8)可知,有功脉动和无功脉动均可以转化成二倍公频的正弦函数。1.3正负序dq电流的函数关系根据式(5)和式(6)中P式中:从式(9)可以看出,有功脉动和无功脉动的平方和分为两部分:一部分由正序电流和负序电压构成;另一部分由负序电流和正序电压构成。在电网正常运行时,负序电压幅值一般小于正序电压幅值的2%。实际电压和电流的正序分量远大于负序分量,因此存在:E式(5)中的P根据式(10)和式(11),可以近似求出注入电流的正序量为:式(12)表明:当P文献[11]利用式(5)和式(6)的关系,提出了抑制DG有功脉动的策略,使瞬时有功功率的二倍频脉动分量P从式(13)可以看出,通过正负序dq电压与功率的函数关系,可以获得正负序dq电流的给定值,使P另外,式(13)需要利用注入负序电流来使P实际中,DG输出功率的质量不但受到脉动幅值P有功脉动率和无功脉动率分别为各自功率脉动幅值与有功和无功功率平均分量的比值。由定义可知,脉动率越大,DG输出功率受不平衡电压的影响越大。有功脉动率和无功脉动率直接影响PQ控制的功率输出质量,因此需要一种控制策略,在能降低有功和无功脉动幅值P2在不平衡电压下的二级控制策略中2.1微电网的等级控制与传统电力系统相似,微电网也需要采用层次控制。微电网层次控制可以分成初级控制、二级控制和三级控制2.2基于信号和模型的二次控制通过上文的讨论,得出了有功脉动幅值与无功脉动幅值之间的关系。为了寻找一种综合抑制有功脉动和无功脉动的二级控制方案,需要采用最优化理论来获得最优的正负序电流给定值。规划形式设为:式中:P式(16)是一个包含等式约束的非线性规划问题,优化的目标是使有功和无功的功率脉动幅值和最小。由式(5)和式(6)可知,P由于包含等式约束,可以采用拉格朗日乘子法将原问题转化成无约束问题。因此,优化目标可转化为:式中:λ求解无约束优化问题的极值问题,对目标G关于变量[I当然在DG运行时,可能出现Q实际运行中,DG初级控制利用式(13)方法得到电流给定值进行控制,即在开始时以平抑DG有功功率的脉动为目的。一旦初级控制达到稳定后,当发现无功脉动大于一定范围后,则启动二级控制方案。图2为二级控制启动的流程图,图中下标m表示测量值。由图2可知,该流程首先判断初级控制是否达到稳定,即正负电流给定值与测量值差值的绝对值小于某特定值δ=0.04A。而二级控制启动必须满足DG无功振荡幅值大于某特定值Q3dg设备结构3.1正负序dq电压的设立控制电压源型逆变器必须给定电压参考量进行控制,因此,利用上述获得的电流给定值通过前馈比例积分(PI)算法得到电压给定值,即式中:K通过上述前馈PI算法便可以获得正负序dq电压给定值。双电流控制的整体框图如图3所示,图中SPWM表示正弦脉宽调制。3.2除负序电流的影响根据上文可知,双电流控制器需要获得正负序输出电流的测量值进行反馈控制。αβ坐标系下的电流测量值I通过正序旋转变换有:其中,正序电流在正序坐标系下为直流量,而负序电流变为100Hz的交流分量。因此,在正序控制中必须去除负序电流的影响。陷波器是一种特殊的带阻滤波器,其阻带在理想情况下只有一个频率点,可以去除负序电流的影响。同理在负序控制中,陷波器可去除正序分量的影响。其传递函数可描述为:式中:ω式(21)的幅频特性见附录C图C1。陷波滤波器对100Hz附近的交流分量具有很强的削弱能力,对其他频率的交流分量基本没有阻碍作用。当得到正序电流测量值I3.3回归系数的提取为了保证采样电气量相位的准确性,锁相环被广泛应用于相位跟踪。由上文可知,当三相电压不平衡时,dq变换后会产生100Hz的交流分量,这会对锁相环造成一定的影响。由文献[16]可知,若将dq变换后获得包含100Hz交流量的电压测量值延时1/4个工频周期与原始值相加,即可以消除二倍工频交流量,具体锁相环结构见附录C图C2。这种结构的锁相环避免了利用滤波器消除100Hz交流量时造成的相位延迟,同时能够精确获得PCC处的正负序电压值。4级控制下下负序扰动补偿法的性能对比为了论证上述控制方案的有效性,在MATLAB/Simulink环境下建立模型进行动态仿真。系统主要参数如下:DG的额定容量为12kVA;U图5显示了控制有功和无功脉动的具体过程。PQ控制设置的有功功率给定值P图6显示了未经陷波滤波器滤波的dq电流。可以看出二级控制未启动时,100Hz交流量非常明显。而二级控制启动后,100Hz交流量幅值下降显著,说明注入负序量减少。图7显示了经陷波器分离后的正负序dq电流,能够更直观地反映这一状况。当二级控制启动后,i可以看出初级控制为了完全抑制有功脉动幅值,不但造成无功脉动幅值变大,还要注入较多的负序电流。而二级控制则同时控制了两种脉动幅值,注入负序电流较少,印证了1.3节的理论分析。定义电压不平衡度上例中ε图9为文献[18]提出的负序扰动补偿法的动态功率响应。该方法产生的有功脉动略小于本文提出的方法,但无功脉动却远大于本文提出的方案,因而整体脉动水平也大于本文提出的方案。另外从图10可以看出,就输出电流波形而言,二级控制明显优于文献[18]的方法。进一步对比两种方法输出电流的不平衡度ε根据文献[11]可知,有功功率脉动会造成逆变器直流母线侧电压的波动,而采用本文提出的二级控制策略会造成一定的有功功率脉动。直流侧电压脉动量V上文分别在不平衡度ε附录C图C4对比了在不平衡度ε5基于状态设置的控制策略仿真针对电压不平衡条件下微电网中PQ控制的DG会产生功率脉动的问题,本文首次推导了有功脉动幅值与无功脉动幅值的关系,并从正负序电流注入角度分析了脉动幅值变