本发明涉及电气工程技术领域，特别是基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法和系统。
背景技术：
随着微电网技术的发展，配电网侧电力电子设备的大量接入对电网的安全稳定运行构成了极大的威胁。为了控制配电网侧的谐波、无功率和不平衡，通常需要在网络中安装一定的电能质量控制设备，如有源电力滤波器、静态无功发生器和统一的电能质量调节器。随着微电网技术的发展，配电网侧电力电子设备的大量接入对电网的安全稳定运行构成了极大的威胁。为了控制配电网侧的谐波、无功率和不平衡，通常需要在网络中安装一定的电能质量控制设备，如有源电力滤波器、静态无功发生器和统一的电能质量调节器。
但微电网中并网逆变器的拓扑结构与传统电能质量控制设备相似，在一定条件下也可以补偿网内电能质量。此外，由于新能源的间歇性、随机性和波动性，并网逆变器并不总是处于全发状态。对于光伏发电设备，在雨天和夜间，光伏逆变器的输出几乎为0。对于风力发电机，在无风或微风条件下也没有功率输出。因此，可以充分利用网络分布式电源的剩余容量，参与网络电能质量的处理，避免对管理设备的额外投资，降低经济投资成本，降低维护成本。
该设备不仅可以输出基波参考指令电流，还可以控制网络中的电能质量，称为多功能并网逆变器。在多功能并网逆变器的指令电流生成中，常用的方法是瞬时功率理论。然而，该功率理论可以分解较少的重量，不利于电能质量控制任务的共享和协调。
技术实现要素：
本发明需要解决的技术问题是提供基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法和系统，以克服现有技术的不足。本发明不仅可以跟踪基波功率参考指令，还可以实现负荷无功率、谐波和不平衡的选择性补偿和协同治理。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法，包括以下步骤：
步骤1。根据分布式电源侧发出的最大功率或上层能源管理系统给出的基波功率参考指令，使用Clark基波参考电流的变换计算；
第二步。负载侧负载分析分配设备，采样负载电流，分解对称无功电流、不对称有功电流、不对称无功电流和无效电流，从以上四个电流中选择部分或全部作为单个或多个多功能并网逆变器；
第三步。接收基波参考电流和电能质量控制电流后，多功能并网逆变器将接收到的两种电流之和作为多功能并网逆变器的实际参考电流；
步骤四、在三相静止坐标系下，利用比例谐振控制器或重复控制器对实际参考电流进行指令进行跟踪，实现多功能并网逆变器的有功功率输出与电能质量治理。
多功能并网逆变器控制方法作为本发明所述的基于守恒功率理论的进一步优化方案，第二步包括以下步骤：
检测负载侧电压电流，计算各相有功电流、无功电流和无效电流，计算不对称有功电流和不对称无功电流，选择部分或全部作为逆变器的电能质量控制电流。
多功能并网逆变器控制方法作为本发明所述的一种基于守恒功率理论的进一步优化方案，第四步的比例谐振控制器的参数是基于波特图和根轨迹图。
基于上述基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统，多功能并网逆变器的直流侧电容器与分布式电源或储能设备的直流输出端并联。多功能并网逆变器为三相三线系统，输出端与滤波器直接连接，滤波器直接或通过变压器与配电网连接。
作为基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统进一步优化方案，分布式电源或储能设备的直流输出端包括光伏设备输出端、风力发电机整流输出端、电池组/飞轮储能/超级电容器输出端、燃料电池输出端和燃气轮机输出端。
基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法网逆变器控制方法的系统，滤波器是RL、LC或LCL滤波器。
作为基于守恒功率理论的多功能并网逆变器控制方法的系统进一步优化方案，还包括控制逆变器触发脉冲的控制器，包括功率电流、无功率、谐波和不平衡电流、逆变器输出侧电压传感器和电流传感器，用于测量负载输出电流的电流传感器和采用守恒功率理论开发的负载分析分配设备。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
（1）本发明充分利用微电网、有源配电网和智能电网中逆变器设备的剩余容量，不仅实现基波功率输出，而且补偿谐波、无功率、不平衡，避免额外的电能质量设备投资，降低系统运行成本和维护成本，提高经济效益；
(2)本发明利用守恒功率理论，分解出负荷电流中的多种分量，为多功能并网逆变器的选择性补偿与协同治理提供了理论依据。
附图说明
图1为多功能并网逆变器和非线性、不平衡负载的电路拓扑图。
图2为多功能并网逆变器指令电流跟踪控制算法框图。
图3是给定参数下系统的根轨迹图。
图4为给定参数下开环传递函数bode图；其中，(a)为幅频特性，(b)相频特性。
图5为非线性、不平衡负载下的电流分解效果图，其中，(a)为负荷电流IL，(b)对称有功电流Iab，(c)有功电流不对称Iau，(d)对称无功电流Irb，(e)不对称无功电流Iru，(f)为无效电流Iv。
图6是两个多功能并网逆变器在非线性和不平衡负载下协同处理电能质量的效果图；其中，(a)电网侧电流Is，(b)输出电流为多功能并网逆变器1Ig1，(c)输出电流为多功能并网逆变器2Ig2，(d)为负荷电流IL。
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，本发明将结合附图和具体实施例进行详细描述。
守恒功率理论将负载电流分解为对称有功分量、对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量和无效分量，然后根据多功能并网逆变器的剩余容量选择性补偿负载电流的部分或全部分量。
此外，由于PI控制器无法跟踪交流量，通常需要锁相环和park转换将交流转换为直流。理论上，比例谐振控制器等于上述方法，因此比例谐振控制器可以直接跟踪交流参考电流指令。
但微电网中并网逆变器的拓扑结构与传统电能质量控制设备相似，在一定条件下也可以补偿网内电能质量。此外，由于新能源的间歇性、随机性和波动性，并网逆变器并不总是处于全发状态。对于光伏发电设备，在雨天和夜间，光伏逆变器的输出几乎为0。对于风力发电机，在无风或微风条件下也没有功率输出。因此，可以充分利用网络分布式电源的剩余容量，参与网络电能质量的处理，避免对管理设备的额外投资，降低经济投资成本，降低维护成本。
该设备不仅能输出基波参考指令电流，还能控制网络电能质量，称为多功能并网逆变器。瞬时功率理论是多功能并网逆变器指令电流的生成。然而，功率理论可以分解较少的重量，不利于电能质量控制任务的分担和协调。守恒功率理论将负载电流分解为对称有功分量、对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量和无效分量，然后根据多功能并网逆变器的剩余容量选择性补偿负载电流的部分或全部分量。
此外，由于PI控制器无法跟踪交流量，通常需要锁相环和park转换将交流转换为直流。理论上，比例谐振控制器等于上述方法，因此比例谐振控制器可以直接跟踪交流参考电流指令。
图1所示一种多功能并网逆变器系统及其组成系统包括：分布式电源或储能设备；三相三线制全桥逆变电路；输出RL滤波器；多功能并网逆变器的比例谐振控制器；配电网的非线性、不平衡负载和公共耦合点。其中，多功能并网逆变器的控制方法是：采样后，采用守恒功率理论分解对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量和无效分量，将部分或全部作为多功能并网逆变器的电能质量控制指令。由当前分布式电源的最大可输出功率或上层能最大可输出功率指令clark变换后，生成多功能并网逆变器的有功参考指令。作为多功能并网逆变器的最终参考电流，两个指令之和。本发明采用比例谐振控制器跟踪参考电流，实现基波功率输出和电能质量控制。
基波功率参考电流的计算
本发明基于多功能并网逆变器对有功功率指令的跟踪Clark变换和反变换的方法。
采用的Clark变换公式如(1)所示。
Clark反变公式为：T2s-3s＝TT3s-2s。
其中T3s-2s将变量从三相静态坐标系转换为两相静态坐标系，T2s-3s表示将变量从两相静态坐标系转换为三相静态坐标系的变换矩阵，上标T表示转移。
利用Clark转换，电网电压uag,ubg,ucg变换到两相静止坐标系下uαg,uβg。
设置当前多功能并网逆变器的有功参考指令和无功参考指令分别为P*,Q*,通过公式(3)计算出两相静止坐标下的基波指令电流。
再根据Clark反转换可将基波指令电流转换为三相静态坐标系
电能质量控制指令电流的计算
对于负载中的电流in，可分解为有功电流、无功电流和无效电流。
n相有功电流ian：
等效电导，Pnn相有功功率，Unn相电压有效值，un为n相瞬时电压，in为n相瞬时电流，iann相有功电流，
||||为2范数。
n相无功电流irn：
等效电纳，Wn为无功能量，为n相电压的无偏积分有效值，为n相电压的无偏积分。
n相无效电流ivn:
ivn＝in-ian-irn (7)
无效电流是在瞬时电流中去除有功电流和无功电流后的剩余电流。
对称重量和不对称重量可以在上述电流的基础上分解。
对称有功电流
其中，Gb＝P/U二是等效对称电导，P三相总有功率，U三相电压的总参数值，u,i三相瞬时电压、电流。
对称无功电流
为等效对称电导，W三相总无功能量，三相电压无偏积分的总参数值，三相瞬时电压无偏积分。
不对称有功流
不对称无功电流
由此非线性、不平衡负载情况下完整的电流分解为：
其中为对称有功分量，为对称无功分量，iu为不对称分量，iv为无效分量。
根据多功能并网逆变器的剩余容量，可选择性补偿对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量中的部分或全部。
多功能并网逆变器指令电流的跟踪
因多功能并网逆变器的指令电流为交流量，不能采用PI控制器对该电流进行跟踪。本发明采用比例谐振控制器对指令电流进行跟踪。比例谐振控制的表达式为：
其中，ω1和ωh分别为系统的基波角频率与h次谐波角频率。ωch为剪切频率，用于设置谐振频率的带宽，以提高PR控制器对系统频率变换的鲁棒性。通常设置剪切频率为：ωch＝5rads-1，Kph为比例系数，Kih为谐振系数。
根据图2可得系统的开环传递函数为：
其中L为输出滤波器电感，R为输出滤波器电阻，Kpwm为逆变器等效增益，ωh为谐振频率。
可根据式(13)写出系统关于Kih的参数根轨迹的等效开环传递函数：
分析系统的极点可知共轭极点为系统的主导极点，因此式(14)可近似为：
从式(15)可知，参数根轨迹增益为：
利用matlab，可以绘制出当Kph＝10时，系统的根轨迹如图3所示。从根轨迹中，可以看出
1)参数Kph,Kih在正实数内变化时，系统始终稳定。
2)Kih≈44Kph
为了分析系统在不同参数下的频域特性，分别绘制出Kph＝10,Kih＝440与Kph＝100,Kih＝4400时，开环传递函数G与G1的bode图如图4所示。
图4为给定参数下开环传递函数的bode图；其中，图4中的(a)为幅频特性，图4中的(b)为相频特性。从图4中可以看出，随着增益Kph,Kih的增大，系统的开环增益增加，稳态误差减小，稳态性能提升，系统的截止频率增大，系统的调节时间减少，响应速度增快。此外不同参数下的相频特性相同。
在本发明中选取的参数为Kph＝100,Kih＝4400。
守恒功率理论对电流分解的有效性与比例谐振控制器跟踪效果
针对本发明中给出的非线性、不平衡负载，利用守恒功率理论对其电流进行分解后的对称有功分量、对称无功分量、不对称有功分量、不对称无功分量与无效分量如图5所示，图5为非线性、不平衡负载下，守恒功率理论对电流的分解效果图。其中，图5中的(a)为负荷电流IL，图5中的(b)为对称有功电流Iab，图5中的(c)为不对称有功电流Iau，图5中的(d)为对称无功电流Irb，图5中的(e)为不对称无功电流Iru，图5中的(f)为无效电流Iv。从图5中可以看出，守恒功率理论能有效给出负荷电流中各种分量。
本发明实施案例中采用了两个多功能并网逆变器第一个多功能并网逆变器接收负荷电流中的对称有功分量与对称无功分量。第二个多功能并网逆变器接收负荷电流中的不对称分量与无效分量。最终的治理效果如图6所示。图6为非线性、不平衡负载下，两个多功能并网逆变器协同对电能质量治理的效果图。其中，图6中的(a)为电网侧电流Is，图6中的(b)为多功能并网逆变器1的输出电流Ig1，图6中的(c)为多功能并网逆变器2的输出电流Ig2，图6中的(d)为负荷电流IL。从图中可以看出，经过两个逆变器的协同，可以实现电能质量的治理。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。