本發(fā)明涉及配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制領(lǐng)域，具體涉及一種利用統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法。

背景技術(shù)：

隨著各類電氣設(shè)備的廣泛發(fā)展和應(yīng)用，電氣設(shè)備中非線性負(fù)載不斷增加，這些設(shè)備的操作可能引起系統(tǒng)電流、電壓波形發(fā)生畸變，造成電網(wǎng)的諧波污染與無(wú)功損耗等電能質(zhì)量問(wèn)題。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner，簡(jiǎn)稱UPQC)作為一種綜合性的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，可用于補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的無(wú)功功率、諧波、負(fù)序電流等，又可以補(bǔ)償電壓諧波、電壓閃變等，在配電網(wǎng)電能質(zhì)量治理方面得到較多研究和應(yīng)用。

目前，針對(duì)UPQC的研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電壓跌落檢測(cè)與補(bǔ)償控制、諧波檢測(cè)與補(bǔ)償控制等方面。如公開(kāi)號(hào)為CN103997043A的中國(guó)專利文獻(xiàn)，針對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題，提出一種基于T型三電平逆變技術(shù)的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器及控制方法，針對(duì)T型三電平UPQC的控制策略，提出了改進(jìn)型準(zhǔn)比例諧振電流控制策略和PWM脈沖優(yōu)化切換的中點(diǎn)電壓平衡控制策略。又如公開(kāi)號(hào)為CN105680451A的中國(guó)專利文獻(xiàn)，提出一種基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論檢測(cè)的補(bǔ)償負(fù)載端電壓并抑制電源電壓諧波。對(duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)而言，目前利用UPQC對(duì)配電網(wǎng)包括諧波控制在內(nèi)的電能質(zhì)量治理能夠取得較好的效果，然而，對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)而言，由于光伏等新能源具有隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，并網(wǎng)后給傳統(tǒng)配電網(wǎng)帶來(lái)新的諧波污染控制問(wèn)題，此時(shí)利用UPQC采用傳統(tǒng)的控制方法對(duì)諧波污染進(jìn)行控制效果不佳，因而，研究利用UPQC采用新的方法對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)中的諧波實(shí)施有效控制，顯得十分必要。

神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)作為人體各種激素調(diào)控中心，用以調(diào)控各種體內(nèi)激素，具有良好的自適應(yīng)性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)。因此研究基于在線遺傳算法的生物智能控制理論，相對(duì)于傳統(tǒng)控制理論將有助于提高復(fù)雜對(duì)象的控制質(zhì)量。遺傳算法是一種全局優(yōu)化算法，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但將其應(yīng)用于UPQC中則為鮮見(jiàn)，如果能夠?qū)⑦z傳算法和UPQC的PI控制有機(jī)結(jié)合對(duì)含光伏的配電網(wǎng)的諧波進(jìn)行檢測(cè)補(bǔ)償，對(duì)于探索利用UPQC對(duì)配電網(wǎng)諧波治理的新方法、提高UPQC對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的控制能力，具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是：提供一種光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，該方法通過(guò)采用自適應(yīng)在線遺傳算法整定統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的PI控制參數(shù)，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器采用整定后的PI控制參數(shù)對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波實(shí)施檢測(cè)控制，提升統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制的準(zhǔn)確性和有效性。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：本發(fā)明的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，通過(guò)UPQC實(shí)施，所述的UPQC包括用于采集電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流信號(hào)的信號(hào)采集模塊、用于調(diào)理所采集信號(hào)的信號(hào)調(diào)理模塊、用于接收信號(hào)調(diào)理模塊發(fā)送的信號(hào)并進(jìn)行處理和控制的微控制器、用于執(zhí)行微控制器所發(fā)控制指令并對(duì)配電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償?shù)尿?qū)動(dòng)電路模塊，包括以下步驟：

第一步，電壓電流信號(hào)檢測(cè)：

信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)配電網(wǎng)母線電壓u_a,u_b,u_c和負(fù)載電流i_a,i_b,i_c，經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊發(fā)送給微控制器；

第二步，微處理器計(jì)算PI控制前補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch：

①微控制器將三相負(fù)載電流i_a、i_b、i_c經(jīng)派克變換得到i_α、i_β，變換公式如式(1)：

②微控制器將將i_α、i_β根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算出i_p、i_q，變換公式如式(2)：

其中，ω為電網(wǎng)電壓頻率；

③經(jīng)過(guò)低通截止頻率為50HZ的LPF低通濾波得出i_p、i_q的基波正序分量i_pf、i_qf；

④微控制器根據(jù)基波正序分量i_pf、i_qf，進(jìn)行C_ωt逆變換和派克變換C₃₂的逆變換運(yùn)算，得出三相負(fù)載電流基波分量i_af、i_bf、i_cf，然后采用式(3)計(jì)算得出PI控制前補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch：

第三步，對(duì)PI控制前補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch進(jìn)行自適應(yīng)遺傳反饋PI控制，生成諧波補(bǔ)償指令信號(hào)i_ah1、i_bh1、i_ch1：

①建立性能指標(biāo)函數(shù)：微處理器內(nèi)置的PI控制單元表達(dá)式如式(4)：

式中，e(t)為PI控制單元的輸入，即所述的PI控制前諧波補(bǔ)償控制指令i_ah、i_bh、i_ch；u(t)為PI控制單元的輸出；k_p和k_i為PI控制單元的控制參數(shù)，k_p取值范圍為[1，20]，k_i取值范圍為[0.1，1]；

建立如式(5)的性能指標(biāo)函數(shù)J：

式中：e(t)即PI控制前諧波補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch，u(t)為PI控制單元的輸出，t_u為上升時(shí)間，取值為10ms；w₁、w₂和w₃為權(quán)值，取w₁＝0.999，w₂＝0.001，w₃＝4；

②微處理器采用自適應(yīng)在線遺傳算法確定最優(yōu)PI控制參數(shù)(k_p，k_i)，具體步驟是：

Ⅰ、生成初始種群：將PI控制單元的PI控制參數(shù)k_p在[1，20]范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)，k_i在[0.1,1]范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)，每個(gè)參數(shù)采用5位無(wú)符號(hào)二進(jìn)制碼，生成種群規(guī)模為30的初始種群；

Ⅱ、取自適應(yīng)度函數(shù)f(i)為：

f(i)＝1/(J+0.05) (6)

式中，J為性能指標(biāo)函數(shù)；

選擇概率P_s如式(7)：

Ⅲ、交叉與變異：

取交叉概率p_c＝0.9，采用兩點(diǎn)交叉方式，在交叉過(guò)程中，先從(0,1)范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r_k與交叉概率p_c相比較，若隨機(jī)數(shù)r_k＜p_c，則進(jìn)行交叉運(yùn)算，否則不進(jìn)入交叉運(yùn)算；設(shè)參數(shù)k_p的父代個(gè)體為參數(shù)k_i的父代個(gè)體為則交叉后產(chǎn)生子代個(gè)體為式(8)：

其中，c為比例因子，取值為0.6；交叉的結(jié)果是由父代生成子代

將選擇概率P_s按照式(9)變異PI兩個(gè)控制參數(shù)k_p和k_i，采用高斯變異算子進(jìn)行變異，子代個(gè)體的計(jì)算公式為(9)：

式中：α取值為0.8，N(0,σ)為高斯分布；σ為方差，其中為了使變異步長(zhǎng)隨遺傳代數(shù)的增加而減少，將σ設(shè)定為動(dòng)態(tài)參數(shù)σ(t)，即

σ(t)＝1-0.9g/G (10)

式中，g為當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)，G為遺傳代數(shù)，取值100；

Ⅳ、重復(fù)步驟Ⅱ和Ⅲ，經(jīng)過(guò)100代的進(jìn)化交叉和變異對(duì)種群進(jìn)行迭代，通過(guò)式(4)和式(5)計(jì)算，直至尋找到性能指標(biāo)函數(shù)J最小值，微處理器將該性能指標(biāo)函數(shù)J最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的PI控制參數(shù)(k_p，k_i)確定為PI控制單元的最優(yōu)控制參數(shù)；

③微處理器采用確定的最優(yōu)PI控制參數(shù)(k_p，k_i)對(duì)PI控制前諧波補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch進(jìn)行PI控制，輸出諧波補(bǔ)償指令信號(hào)i_ah1、i_bh1、i_ch1；

第四步，對(duì)配電網(wǎng)實(shí)施諧波電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償：

微控制器利用PI控制單元輸出的諧波補(bǔ)償指令信號(hào)i_ah1、i_bh1、i_ch1，生成相應(yīng)的PWM控制信號(hào)并輸出給驅(qū)動(dòng)電路模塊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路模塊產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流輸入配電網(wǎng)。

本發(fā)明具有積極的效果：(1)本發(fā)明的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，其通過(guò)采用自適應(yīng)在線遺傳算法整定統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的PI控制參數(shù)，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器采用整定后的PI控制參數(shù)對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波實(shí)施檢測(cè)控制，能夠有效提升統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制的準(zhǔn)確性和有效性。(2)本發(fā)明的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，提供了一種利用統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制的新方法。(3)本發(fā)明的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，其用于對(duì)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的PI控制參數(shù)進(jìn)行整定的自適應(yīng)在線遺傳算法，與單純形法相比，克服了單純形法參數(shù)初值的敏感度，具有良好的尋優(yōu)特性；與專家整定法相比，它有操作靈活，速度快等特點(diǎn)，無(wú)需復(fù)雜原則，只需要對(duì)字符串進(jìn)行復(fù)制，交叉，變異，即能滿足尋優(yōu)，從而規(guī)避專家整定法前期大量仿真工作；而且該算法從多點(diǎn)進(jìn)行操作，不僅適合單目標(biāo)尋優(yōu)，而且也適用于多目標(biāo)尋優(yōu)，無(wú)論單目標(biāo)或多目標(biāo)，均可在范圍內(nèi)尋找到合適的參數(shù)。(4)由于光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)特點(diǎn)，在諧波檢測(cè)過(guò)程中，傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)器參數(shù)不能隨之變化，使系統(tǒng)得不到理想的控制效果；本發(fā)明的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，其所采用的遺傳算法能夠隨對(duì)象的變化而變化，從而使PI控制參數(shù)隨之改變，本發(fā)明通過(guò)將自適應(yīng)在線遺傳算法應(yīng)用于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器諧波檢測(cè)控制，能夠有效解決光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波治理問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中所采用的UPQC的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中還示意性地顯示了UPQC與光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)的電連接關(guān)系；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中所采用的UPQC中參與實(shí)施諧波補(bǔ)償控制的硬件結(jié)構(gòu)示意框圖，圖中還示意性地顯示了其與配電網(wǎng)的電連接關(guān)系；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中所采用的UPQC實(shí)施諧波電流檢測(cè)控制的算法原理示意圖。

上述附圖中的附圖標(biāo)記如下：

串聯(lián)濾波單元1，并聯(lián)濾波單元2，供電單元3。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

(實(shí)施例1)

本實(shí)施例的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，通過(guò)現(xiàn)有的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(以下簡(jiǎn)稱UPQC)實(shí)施，通過(guò)采用自適應(yīng)在線遺傳算法整定UPQC的PI控制參數(shù)，UPQC采用整定后的PI控制參數(shù)對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波實(shí)施檢測(cè)控制，以提升UPQC對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制的準(zhǔn)確性和有效性。

如圖1所示，含光伏的配電網(wǎng)系統(tǒng)由市電配網(wǎng)、并網(wǎng)光伏和非線性負(fù)載組成，配電網(wǎng)具有配電母線；采用的UPQC主要包括串聯(lián)濾波單元1、并聯(lián)濾波單元2和供電單元3，UPQC接入光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)的方式如圖1所示。供電單元3主要由光伏陣列和與其連接的蓄電池裝置組成，用于提供UPQC自身工作電源。

參見(jiàn)圖2，該UPQC參與諧波補(bǔ)償控制的具體功能模塊包括用于采集電網(wǎng)電壓和負(fù)載電流信號(hào)的信號(hào)采集模塊、用于調(diào)理所采集信號(hào)的信號(hào)調(diào)理模塊、用于接收信號(hào)調(diào)理模塊發(fā)送的信號(hào)并進(jìn)行處理和控制的微控制器、用于執(zhí)行微控制器所發(fā)控制指令并對(duì)配電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償控制的驅(qū)動(dòng)電路模塊。本實(shí)施例中，微控制器優(yōu)選采用DSP。

參見(jiàn)圖3，本實(shí)施例的光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波檢測(cè)控制方法，具體步驟如下：

第一步，電壓電流信號(hào)檢測(cè)：

UPQC的信號(hào)采集模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)配電網(wǎng)母線電壓u_a,u_b,u_c和負(fù)載電流i_a,i_b,i_c，經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊發(fā)送給微控制器。

第二步，微處理器計(jì)算PI控制前補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch：

①微控制器將三相負(fù)載電流i_a、i_b、i_c經(jīng)派克變換得到i_α、i_β，變換公式C₃₂如下：

②微控制器將將i_α、i_β根據(jù)瞬時(shí)功率理論計(jì)算出i_p、i_q，變換公式C_ωt如下：

其中，ω為電網(wǎng)電壓頻率，如圖2和圖3所示，通過(guò)采集配電網(wǎng)電壓(圖3中僅示意性顯示了u_a，并利用鎖相環(huán)可獲得穩(wěn)定的電網(wǎng)電壓頻率；

③經(jīng)過(guò)低通截止頻率為50HZ的LPF低通濾波得出i_p、i_q的基波正序分量i_pf、i_qf；

④微控制器根據(jù)基波正序分量i_pf、i_qf，進(jìn)行C_ωt逆變換(即圖3中)和派克變換C₃₂的逆變換(即圖3中的C₂₃)運(yùn)算，得出三相負(fù)載電流基波分量i_af、i_bf、i_cf，然后與三相負(fù)載電流i_a、i_b、i_c相減得出PI控制前補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch：

第三步，對(duì)PI控制前補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch進(jìn)行自適應(yīng)遺傳反饋PI控制，生成諧波補(bǔ)償指令電流信號(hào)i_ah1、i_bh1、i_ch1：

①建立性能指標(biāo)函數(shù)：微處理器內(nèi)置的PI控制單元表達(dá)式如式(4)：

式中，e(t)為PI控制單元的輸入，e(t)即為前述的PI控制前諧波補(bǔ)償控制指令i_ah、i_bh、i_ch；u(t)為PI控制單元的輸出；k_p和k_i為PI控制單元的控制參數(shù)，k_p取值范圍為[1，20]，k_i取值范圍為[0.1，1]；

建立如式(5)的性能指標(biāo)函數(shù)J：

式中：e(t)即PI控制前諧波補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch，u(t)為PI控制單元的輸出，t_u為上升時(shí)間，取值為10ms；w₁、w₂和w₃為權(quán)值，取w₁＝0.999，w₂＝0.001，w₃＝4；

性能指標(biāo)函數(shù)J作為自適應(yīng)在線遺傳算法與UPQC的微處理器的PI控制單元結(jié)合的紐帶，當(dāng)性能指標(biāo)函數(shù)值J最小時(shí)，PI控制達(dá)到最優(yōu)；采用自適應(yīng)在線遺傳算法，通過(guò)變化式(4)中的k_p、k_i值得到變化的u(t)值，當(dāng)某一組(k_p、k_i)值對(duì)應(yīng)的u(t)值使得性能指標(biāo)函數(shù)J最小時(shí)，微處理器則選定該組(k_p、k_i)值為整定后的PI控制單元的控制參數(shù)；從而UPQC根據(jù)整定的該組PI控制參數(shù)(k_p，k_i)實(shí)施PI控制；

②微處理器采用自適應(yīng)在線遺傳算法確定最優(yōu)PI控制參數(shù)(k_p，k_i)，具體步驟是：

Ⅰ、生成初始種群：對(duì)于UPQC的兩個(gè)PI控制參數(shù)k_p和k_i，k_p在[1，20]范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù),k_i在[0.1,1]范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻隨機(jī)數(shù)，每個(gè)參數(shù)采用5位無(wú)符號(hào)二進(jìn)制碼，生成種群規(guī)模為30的初始種群；

Ⅱ、取自適應(yīng)度函數(shù)f(i)為：

f(i)＝1/(J+0.05) (6)

式中，J為性能指標(biāo)函數(shù)；

選擇概率P_s如式(7)：

Ⅲ、交叉與變異：

取交叉概率p_c＝0.9，采用兩點(diǎn)交叉方式，在交叉過(guò)程中，先從(0,1)范圍內(nèi)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)r_k與交叉概率p_c相比較，若隨機(jī)數(shù)r_k＜p_c，則進(jìn)行交叉運(yùn)算，否則不進(jìn)入交叉運(yùn)算；設(shè)參數(shù)k_p的父代個(gè)體為參數(shù)k_i的父代個(gè)體為則交叉后產(chǎn)生子代個(gè)體為式(8)：

其中，c為比例因子，取值為0.6，交叉的結(jié)果是由父代生成

變異過(guò)程是將選擇概率P_s按照式(9)變異PI兩個(gè)控制參數(shù)k_p和k_i，采用高斯變異算子進(jìn)行變異，減少完全隨機(jī)變異的不確定性，子代個(gè)體的計(jì)算公式為(9)：

式中：α取值為0.8，N(0,σ)為高斯分布；σ為方差，其中為了使變異步長(zhǎng)隨遺傳代數(shù)的增加而減少，將σ設(shè)定為動(dòng)態(tài)參數(shù)σ(t)，即

σ(t)＝1-0.9g/G (10)

式中，g為當(dāng)前進(jìn)化代數(shù)，G為遺傳代數(shù)，取值100；

Ⅳ、重復(fù)步驟Ⅱ和Ⅲ，經(jīng)過(guò)100代的進(jìn)化交叉和變異對(duì)種群進(jìn)行迭代，通過(guò)式(4)和式(5)計(jì)算，直至尋找到性能指標(biāo)函數(shù)J最小值，微處理器將該性能指標(biāo)函數(shù)J最小值時(shí)對(duì)應(yīng)的PI控制參數(shù)(k_p，k_i)確定為PI控制單元的最優(yōu)控制參數(shù)；

③微處理器采用確定的最優(yōu)PI控制參數(shù)(k_p，k_i)對(duì)PI控制前諧波補(bǔ)償指令i_ah、i_bh、i_ch進(jìn)行PI控制，輸出諧波補(bǔ)償指令電流信號(hào)i_ah1、i_bh1、i_ch1。

第四步，對(duì)配電網(wǎng)實(shí)施諧波電流的實(shí)時(shí)補(bǔ)償：

微控制器利用PI控制單元輸出的諧波補(bǔ)償指令電流信號(hào)i_ah1、i_bh1、i_ch1，生成相應(yīng)的PWM控制信號(hào)并輸出給驅(qū)動(dòng)電路模塊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路模塊產(chǎn)生諧波補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)與補(bǔ)償控制，提高光伏并網(wǎng)的配電網(wǎng)電能質(zhì)量。

以上實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式的說(shuō)明，而非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變換和變化而得到相對(duì)應(yīng)的等同的技術(shù)方案，因此所有等同的技術(shù)方案均應(yīng)該歸入本發(fā)明的專利保護(hù)范圍。