含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制方法及装置

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制方法，还涉及一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制装置。

背景技术

随着传统能源日益紧张和环境问题的加剧，光伏、风电、燃料电池等分布式发电得到快速发展，由分布式发电、储能和本地负荷等组成的微电网得到越来越广泛地应用。微电网中往往含有非线性负荷，离网孤岛运行时易导致逆变器间谐波环流和微电网PCC(电网公共点)电压谐波畸变。谐波环流会影响逆变器的稳定运行甚至损坏，需要对逆变器间输出谐波电流进行分配以抑制环流。国家标准和IEEE标准均规定电网电压总谐波失真率(THD)不得大于5％，当微电网PCC电压谐波严重时，会影响微电网内电气设备的正常工作，因此要对非线性负荷引起的PCC电压谐波分量进行抑制，保证微电网电能质量。

将有源电力滤波器应用于微电网能有效抑制谐波，但这会增加微电网系统成本。逆变器自身实现孤岛微电网谐波抑制的控制策略主要分为无通信线的分散式自主控制和基于通信线的分层控制两种模式。逆变器间谐波环流和输出电压畸变受逆变器输出阻抗和馈线阻抗的影响，无互联通信线自主控制多采用虚拟阻抗实现环流抑制，但虚拟阻抗偏小易受馈线阻抗影响环流抑制，虚拟阻抗偏大则易导致PCC电压畸变加大。基于通信线的分层控制能够有效减少馈线阻抗对电流分配的影响和抑制微电网PCC电压谐波畸变。但基于通信线的分层控制会增加微电网系统硬件复杂度，降低可靠性，且不利于并联逆变器的增加以便于微电网扩容。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制方法，对基波和谐波分量进行分离解耦控制得到逆变器电压外环参考电压的基波和谐波分量，满足基波和谐波分量的不同控制需求，谐波域采用自适应谐波补偿和谐波虚拟阻抗相结合，实现微电网PCC电压谐波分量和逆变器谐波环流的抑制。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制方法，包括以下过程：

采集逆变器的输出电压、输出电流和微电网的PCC电压，分别对采集的电压电流进行基波和谐波分离，获得对应的基波和谐波分量；

基于获得的逆变器输出电压和输出电流的基波分量，计算得到基波域逆变器瞬时有功和无功，对基波域逆变器瞬时有功和无功采用虚拟同步电机控制，得到电压外环参考电压的基波分量；

基于获得的PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环和谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压的谐波分量；

基于获得的电压外环参考电压的基波和谐波分量，计算得到电压外环参考电压，针对电压外环参考电压，采用逆变器电压外环电流内环双环控制，得到逆变器三相逆变桥的控制电压。

可选的，所述基波和谐波分离是通过带通滤波器实现的。

可选的，所述基波和谐波分离的计算公式为：

逆变器输出电流i

其中，

可选的，所述基于获得的逆变器输出电压和输出电流的基波分量，计算得到基波域逆变器瞬时有功和无功，包括：

基于得到的逆变器输出电压u

式中，

可选的，所述对基波域逆变器瞬时有功和无功采用虚拟同步电机控制，得到电压外环参考电压的基波分量，包括：

VSG控制方程为：

式中，P

根据式(5)可得VSG给定的基波域电压参考值为：

式中，θ为逆变器相角，

进一步引入基波域虚拟阻抗

其中，基波域虚拟阻抗

可选的，所述基于获得的PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环和谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压的谐波分量，包括：

基于获得的PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环，得到自适应谐波补偿环得到的补偿量；

基于自适应谐波补偿环得到的补偿量和逆变器输出电流的谐波分量，引入谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压谐波分量。

可选的，所述基于获得的PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环和谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压的谐波分量，包括：

电压外环参考电压谐波分量中引入自适应谐波补偿环，则自适应谐波补偿环得到的补偿量U

式中，k

引入谐波域虚拟阻抗，电压外环参考电压u

式中，

可选的，所述自适应谐波补偿系数k

自适应谐波补偿系数要满足以下要求：

其中，U

可选的，所述自适应谐波补偿系数和谐波虚拟阻抗还需满足：

多个逆变器之间，逆变器额定功率、自适应补偿系数和谐波虚拟阻抗之间的关系为：

式中，S

相应的，本发明还提供了一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制装置，包括：

基波谐波分离模块，用于采集逆变器的输出电压、输出电流和微电网的PCC电压，分别对采集的电压电流进行基波和谐波分离，获得对应的基波和谐波分量；

基波分量计算模块，用于基于获得的逆变器输出电压和输出电流的基波分量，计算得到基波域逆变器瞬时有功和无功，对基波域逆变器瞬时有功和无功采用虚拟同步电机控制，得到电压外环参考电压的基波分量；

谐波分量计算模块，用于基于获得的PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环和谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压的谐波分量；

控制电压计算模块，用于基于获得的电压外环参考电压的基波和谐波分量，计算得到电压外环参考电压，针对电压外环参考电压，采用逆变器电压外环电流内环双环控制，得到逆变器三相逆变桥的控制电压。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明根据孤岛微电网逆变器基波和谐波分量不同控制需求，对基波和谐波分量进行分离解耦控制。针对非线性负荷导致的孤岛微电网PCC电压谐波畸变以及各逆变器阻抗与容量不匹配导致的谐波环流，谐波域采用自适应谐波补偿和谐波虚拟阻抗相结合对谐波分量进行控制。本发明所提供的控制方法简单易行，能实现含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制，易于工程化。

附图说明

图1是含非线性负荷孤岛微电网主电路及控制系统图；

图2是基波和谐波分量分离原理示意图；

图3是VSG控制系统框图；

图4是自适应谐波补偿控制系统框图；

图5是电压外环电流内环双环控制框图；

图6是实施例中非线性负荷孤岛微电网系统图；

图7是实施例中微电网PCC电压的谐波含量；

图8是实施例中两个逆变器输出电流波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

含非线性负荷孤岛微电网主电路及控制系统图如图1所示，对于每个逆变器，U

本发明的一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制方法，包括以下步骤：

步骤一：采集逆变器的输出电压、输出电流和微电网的PCC电压，分别对采集的电压电流进行基波和谐波分离，获得对应的基波和谐波分量。

根据孤岛微电网逆变器基波和谐波分量不同控制需求，对基波和谐波分量进行分离解耦控制。本发明实施例中，逆变器输出电流i

逆变器输出电流i

电压的基波和谐波分量分离同理可得，

传统控制的逆变器基波域和谐波域输出阻抗相同，难以满足基波和谐波分量的不同控制需求，非线性负荷下的控制效果也难以理想。本发明采用基波域和谐波域的解耦控制分别得到电压外环参考值的基波和谐波分量，改进输出特性，提高非线性负荷下孤岛微电网稳定运行能力。

步骤二：基波域：基于得到的逆变器输出电压u

为提高基波域下垂控制的稳定性，采用VSG控制得到电压外环参考电压的基波分量

根据解耦控制原则，基于步骤一得到的逆变器输出电压u

式中，

模拟同步电机的一次调频特性、转子运动方程和定子励磁调节特性，得VSG控制方程为：

式中，P

根据式(5)可得VSG给定的基波域电压参考值

式中，θ为逆变器相角，

为抑制并联逆变器环流、增强系统稳定性，进一步引入基波域虚拟阻抗

其中，基波域虚拟阻抗

步骤三：谐波域：基于PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环和谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压谐波分量

非线性负荷导致的孤岛微电网PCC电压谐波畸变以及各逆变器阻抗与容量不匹配导致的谐波环流，谐波域采用自适应谐波补偿和谐波虚拟阻抗相结合对谐波分量进行控制，谐波虚拟阻抗能有效实现谐波电流分配，自适应谐波补偿环能有效抑制PCC电压谐波畸变以消除谐波虚拟阻抗对PCC电能质量的影响。实现微电网PCC电压谐波分量和逆变器谐波环流的抑制。

电压外环参考电压谐波分量中引入自适应谐波补偿环，则自适应谐波补偿环得到的补偿量U

式中，k

引入谐波域虚拟阻抗，电压外环参考电压u

式中，

自适应谐波补偿控制如图4所示，通过式(9)可以得到

又由于

根据终值定理得稳态下

由于国家标准和IEEE标准规定电网电压THD不得大于5％，即：

微电网中往往是多台逆变器进行并联，需要抑制逆变器间谐波环流。本步骤下面分析中，为区别各逆变器的物理量，故在各物理下标中增加了标记逆变器序号，如：

抑制逆变器间谐波环流需要按照逆变器容量对逆变器间输出谐波电流进行分配。令微电网中第j、k台逆变器额定功率之比w，则逆变器间谐波电流的分配控制目标为：

将式(15)代入式(12)，可得：

式中，

又由于

根据式(17)可得：

根据式(18)可得为实现逆变器间谐波电流的分配，逆变器额定功率、自适应补偿系数和谐波虚拟阻抗之间的关系为：

式中，S

因此，结合式(14)、式(19)，可得到k

步骤四：基于电压外环参考电压的基波和谐波分量，获得电压外环参考电压

逆变器电压外环电流内环双环控制如图5所示，G

步骤五：基于通过上述步骤得到的逆变器三相逆变桥输出电压u

本发明对基波和谐波分量进行分离解耦控制得到逆变器电压外环参考电压的基波和谐波分量，满足基波和谐波分量的不同控制需求。谐波域采用自适应谐波补偿和谐波虚拟阻抗相结合，实现微电网PCC电压谐波分量和逆变器谐波环流的抑制。

实施例2

在Matlab/Simulink建模对本文所提控制方法进行仿真验证，图6为非线性负荷孤岛微电网仿真模型，采用两个逆变器进行仿真，逆变器INV1和逆变器INV2并联，每个逆变器都用本发明策略，k

表1主要参数

从图7实施例中微电网PCC电压的谐波含量图中可得，采用本发明控制策略能实现在非线性负荷下的孤岛微电网电能质量达标。从图8两个逆变器输出电流波形图中可以看出，逆变器INV2的输出电流为逆变器INV1的2倍，同频同相，且谐波含量接近，表明逆变器间谐波电流能够按照逆变器额定功率进行分配，谐波环流可得到有效抑制。

实施例3

基于与实施例1同样的发明构思，本发明的一种含非线性负荷孤岛微电网谐波抑制的逆变器控制装置，包括：

基波谐波分离模块，用于采集逆变器的输出电压、输出电流和微电网的PCC电压，分别对采集的电压电流进行基波和谐波分离，获得对应的基波和谐波分量；

基波分量计算模块，用于基于获得的逆变器输出电压和输出电流的基波分量，计算得到基波域逆变器瞬时有功和无功，对基波域逆变器瞬时有功和无功采用虚拟同步电机控制，得到电压外环参考电压的基波分量；

谐波分量计算模块，用于基于获得的PCC电压和逆变器输出电流的谐波分量，引入自适应谐波补偿环和谐波虚拟阻抗相结合，得到电压外环参考电压的谐波分量；

控制电压计算模块，用于基于获得的电压外环参考电压的基波和谐波分量，计算得到电压外环参考电压，针对电压外环参考电压，采用逆变器电压外环电流内环双环控制，得到逆变器三相逆变桥的控制电压。

本发明装置的各模块具体实现过程参见实施例1中各步骤的具体实现过程。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。