明志勇，粟時(shí)平，劉桂英，鄧明鋒，鄭彬宇，左鵬輝（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004）

微網(wǎng)友好接入的柔性變流器并網(wǎng)接口控制方法

明志勇，粟時(shí)平，劉桂英，鄧明鋒，鄭彬宇，左鵬輝
（長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙410004）

針對(duì)微網(wǎng)友好接入對(duì)高性能并網(wǎng)接口的需求，提出了一種新型的柔性變流器并網(wǎng)接口。為了使該并網(wǎng)接口有效地工作，給出了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電流檢測(cè)方法，深入研究了柔性變流器并網(wǎng)接口直流側(cè)電壓和定無(wú)功功率控制方法；此外，基于加權(quán)電流反饋的思想，提出了諧波和不對(duì)稱(chēng)電流綜合補(bǔ)償?shù)臏h(huán)電流控制方法。最后應(yīng)用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了使用所提并網(wǎng)接口與控制策略實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)友好接入的有效性和可行性。

微網(wǎng)；并網(wǎng)接口；柔性變流器；諧波補(bǔ)償；并網(wǎng)控制

世界上的石油、天然氣、煤炭等傳統(tǒng)能源的開(kāi)發(fā)利用量由于全球經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展而與日俱增，由此產(chǎn)生的溫室效應(yīng)日益明顯，但是人們對(duì)電力的需求還在節(jié)節(jié)攀升，因此新能源發(fā)電技術(shù)正受到廣泛關(guān)注。而發(fā)展含新能源發(fā)電的微網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)，有助于提高分布式電源的利用率，使其控制更加靈活和智能。微電網(wǎng)在電力系統(tǒng)擴(kuò)容、增強(qiáng)電力電力系統(tǒng)可靠性、改善電能質(zhì)量、節(jié)能減排與綠色環(huán)保以及提高能源利用率等方面都發(fā)揮出巨大的潛能[1-2]。

微電網(wǎng)是由一定數(shù)量的分布式電源DG（distributed generation）、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置，保護(hù)和監(jiān)控裝置所共同組成的系統(tǒng)，通過(guò)相應(yīng)的控制裝置，形成一個(gè)單一可控的單元[3-4]。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等DG輸出功率的隨機(jī)性、間歇性，微網(wǎng)所帶的不平衡、非線性負(fù)荷，電力電子并網(wǎng)接口本身的非線性，都使得并網(wǎng)聯(lián)接點(diǎn)的電能質(zhì)量[5]水平深受影響，可能出現(xiàn)諧波、保護(hù)干擾、電壓調(diào)整等問(wèn)題。若不采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題將會(huì)面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn)。因此微網(wǎng)的友好接入顯得尤為重要，而其“友好”性主要體現(xiàn)在：①電能質(zhì)量良好；②能量交換高效靈活；③與主電網(wǎng)之間的影響是良性的；④并網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)安全。

為了解決上述問(wèn)題，并保證微電網(wǎng)并網(wǎng)正常運(yùn)行，微網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)至少面臨2個(gè)基本要求：一是常規(guī)并網(wǎng)接口的并網(wǎng)功能，如保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)潮流傳輸；二是電能質(zhì)量的綜合治理功能，如不出無(wú)功、諧波、電壓跌落等電能質(zhì)量問(wèn)題。于是，有助于微網(wǎng)友好并網(wǎng)的柔性變流器[6]接口成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的焦點(diǎn)。浙江大學(xué)曾正等[7]提出了單相和三相多功能并網(wǎng)逆變器，不僅可以傳輸有功功率，而且還能充當(dāng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的作用，補(bǔ)償負(fù)荷無(wú)功功率和控制連接點(diǎn)的電能質(zhì)量；江蘇南自通華電氣成套有限公司倪道宏等[8]研制了一種全功率直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組柔性并網(wǎng)變流器；韓國(guó)Myongji大學(xué)的Han等和新加坡國(guó)立大學(xué)的YU等分別提出一種多功能的并網(wǎng)變流器[9-10]，除了具有常規(guī)并網(wǎng)接口的并網(wǎng)功能外，還復(fù)合了UPQC的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能；JenoPaul等提出了一種恒頻統(tǒng)一電能質(zhì)量并網(wǎng)變流器[11]，它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個(gè)矩陣逆變器和一個(gè)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器UPQC（unified power quality conditioner）組成，矩陣逆變器主要負(fù)責(zé)頻率調(diào)整，而UPQC負(fù)責(zé)補(bǔ)償電流電壓諧波以及無(wú)功控制；新加坡的南洋理工（Nanyang Technological）大學(xué)的Li等提出了一種新型的并網(wǎng)變流器拓?fù)鋄12]，其由一個(gè)串聯(lián)和一個(gè)并聯(lián)的三相四線制逆變器組成，可以補(bǔ)償所有正序、負(fù)序、零序諧波電流電壓，提高整個(gè)并網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量水平；印度理工學(xué)院（Institute of tec-hnology）的Sawant等針對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的諧波、不平衡電流等電能質(zhì)量問(wèn)題的治理提出了一種多功能并網(wǎng)變流器拓?fù)鋄13]，其由AC/DC和DC/AC共同完成。然而，國(guó)內(nèi)外學(xué)者所做的研究大部分集中在多功能柔性變流器并網(wǎng)接口上，但是現(xiàn)有的多功能柔性變流器功能比較單一，復(fù)合功能主要集中在諧波電流、無(wú)功電流補(bǔ)償。復(fù)合補(bǔ)償電網(wǎng)電壓不平衡、跌落以及諧波的多功能柔性變流器并網(wǎng)接口卻鮮有涉及，而且控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。

本文提出的柔性變流器并網(wǎng)接口，相比于常規(guī)并網(wǎng)變流器，不僅實(shí)現(xiàn)了微網(wǎng)并網(wǎng)的基本功能，而且復(fù)合了微電網(wǎng)輸出功率可控、電能質(zhì)量問(wèn)題治理等功能；而相比于功能分離的多臺(tái)裝置，又降低了系統(tǒng)的投資和體積，提高了并網(wǎng)變流器的性能價(jià)格比。相應(yīng)地，對(duì)于柔性變流器并網(wǎng)接口的并聯(lián)逆變器部分，提出了一種直流側(cè)電壓和定無(wú)功功率控制控制和電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制方法；對(duì)于其串聯(lián)逆變器部分，提出了一種基于加權(quán)電流反饋的滯環(huán)電流控制策略。

1 柔性變流器并網(wǎng)接口的基本原理

1.1 柔性變流器的基本原理

電力電子變流器一般可以由DC/DC、AC/AC、AC/DC、DC/AC等4種變流器中的一種或者幾種構(gòu)成。早期的電力電子變流器大都停留在量身訂做，針對(duì)固定的應(yīng)用場(chǎng)合以及功能要求，選取合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和元器件去開(kāi)發(fā)完成的。它的基本特點(diǎn)是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定、應(yīng)用場(chǎng)合單一、通用性能差。

對(duì)于拓?fù)鋯我坏墓潭ㄐ妥兞髌?，能量轉(zhuǎn)換功能比較單一，拓?fù)浜凸δ艿倪x擇需要針對(duì)特定的應(yīng)用對(duì)象，不適于標(biāo)準(zhǔn)化集成，因而存在著適應(yīng)范圍窄的局限性。目前，不少專(zhuān)家學(xué)者都在致力于研究如何通過(guò)改善相關(guān)技術(shù)來(lái)拓展已有拓?fù)涞膶挿秶m應(yīng)性，于是提出一種變拓?fù)涞娜嵝宰兞髌?。柔性變流器是一種在工作過(guò)程中可以根據(jù)外部環(huán)境自動(dòng)改變運(yùn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和（或）能量轉(zhuǎn)換功能的新型集成式電力電子裝置。柔性變流器理論上克服了固定型且功能單一電力電子變流器的不足，可以看成是電壓源、電流源、阻抗源、矩陣型變流器的各種基本拓?fù)湫问胶湍芰哭D(zhuǎn)換功能的靈活組合和轉(zhuǎn)換，增加了傳統(tǒng)變流器所不具備的“柔性”特性，是電力電子系統(tǒng)集成技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向，因此具有很好的應(yīng)用前景。

1.2 微網(wǎng)柔性變流器并網(wǎng)接口拓?fù)?/p>

如圖1所示，整個(gè)微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)由DG、主電網(wǎng)、負(fù)荷以及柔性變流器并網(wǎng)接口組成。其中DG可以由太陽(yáng)能光伏電源、儲(chǔ)能電池或者風(fēng)力發(fā)電電源一種或幾種構(gòu)成，通過(guò)直流母線（DCbus）連接形成直流微網(wǎng)電源。交流母線（ACbus）上公共連接點(diǎn)PCC（pointof common coupling）的負(fù)荷包含整流性負(fù)載、三相不平衡負(fù)載、三相不對(duì)稱(chēng)負(fù)載。主電網(wǎng)為三相交流電源，通過(guò)交流線路和開(kāi)關(guān)連接到PCC。柔性變流器并網(wǎng)接口由2個(gè)三相電壓源逆變器構(gòu)成（1個(gè)并聯(lián)和1個(gè)串聯(lián)，見(jiàn)圖1），類(lèi)似于UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

從UPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，其由連接直流側(cè)電容的2個(gè)逆變器構(gòu)成，其中的串聯(lián)逆變器通過(guò)變壓器與三相電源和PCC相連，可以看作一個(gè)電壓源；而另一個(gè)逆變器，也稱(chēng)為并聯(lián)逆變器經(jīng)過(guò)變壓器連接著PCC。UPQC一般用來(lái)補(bǔ)償電壓的短時(shí)跌落和上升、諧波電流和電壓以及控制功率潮流和電壓穩(wěn)定；然而UPQC直流側(cè)沒(méi)有電能儲(chǔ)存，故無(wú)法補(bǔ)償電壓中斷。本文提出的柔性并流器并網(wǎng)接口，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，由3部分構(gòu)成：①并聯(lián)逆變器；②串聯(lián)逆變器；③直流側(cè)。與UPQC唯一不同的是其直流側(cè)連接上了直流母線，并由DG提供電能。而在功能上，復(fù)合了并網(wǎng)逆變器和UPQC改善電能質(zhì)量的功能。詳情見(jiàn)表1。

圖1 帶柔性變流器接口的微網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.1 Grid-connected systemsw ith flexible converter interface

表1 并網(wǎng)接口中各逆變器的控制目標(biāo)Tab.1 Grid-connected interface controlobjectivesof each inverter

微網(wǎng)在運(yùn)行時(shí)既要保證正常穩(wěn)定工作，還要滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量的要求。為了更好地闡述并網(wǎng)接口各部分的功能、控制以及運(yùn)行情況，將重點(diǎn)介紹并網(wǎng)接口在聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行模式下的控制策略以及運(yùn)行過(guò)程。

2 基于柔性變換器并網(wǎng)接口的微電網(wǎng)友好接入的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行控制

2.1 功率參考電流的生成

根據(jù)三相瞬時(shí)無(wú)功功率理論，設(shè)DG或儲(chǔ)能裝置的額定運(yùn)行有功功率和無(wú)功功率分別為p和q，可以在abc三相坐標(biāo)軸上得到

式中，θ=wt+θ0，θ0為初相位。

Cabc/dqdq/abc的逆變換滿(mǎn)足條件C==。

將abc三相坐標(biāo)軸上的p和q通過(guò)Park變換轉(zhuǎn)換到dq軸上，即

在三相交流電壓平衡的條件下，使d軸和交流側(cè)的電壓矢量u同軸，那么有：uq=0，ud=u。則式（4）可以簡(jiǎn)寫(xiě)為

由于u為常數(shù)，所以u(píng)d也是常數(shù)，電流和功率呈線性關(guān)系，因此可以通過(guò)控制電流來(lái)達(dá)到控制功率的目的。

而有功電流參考值idef為

2.2 并聯(lián)逆變器的控制

控制系統(tǒng)采用直流側(cè)電壓和定無(wú)功功率控制策略，其中包括直流側(cè)電壓和定無(wú)功功率控制控制和電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。其原理框圖見(jiàn)圖2。

一般來(lái)說(shuō)，保證微網(wǎng)中分布式電源最大功率點(diǎn)運(yùn)行是提高能源利用率的重要體現(xiàn)，而直流側(cè)的最大功率追蹤可以由直流側(cè)工作電壓的穩(wěn)定控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。并網(wǎng)功率接口的直流側(cè)電壓是通過(guò)逆變器的有功功率p即有功電流id進(jìn)行控制的。實(shí)際上，不妨設(shè)逆變器輸出有功電流為id，有功電壓為ed，逆變橋直流側(cè)輸入電流為idc，輸入電壓為udc，則由

圖2 并聯(lián)逆變器在聯(lián)網(wǎng)時(shí)的控制策略原理框圖Fig.2 Block diagra Mof parallel inverter controlstrategy in the interconnection

可得idc=3 edid。若令穩(wěn)態(tài)時(shí)udc=UDC，可得到2udc

從而可得直流側(cè)電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 直流側(cè)電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)Fig.3 DC side voltage loop controlstructure

直流側(cè)電壓控制PI調(diào)節(jié)器的輸出量即為電流解耦控制的有功電流參考值idref。無(wú)功電流的參考值iqref則根據(jù)并網(wǎng)接口向電網(wǎng)輸送的無(wú)功功率參考值Qref確定。

電壓外環(huán)采用了網(wǎng)側(cè)電壓的前饋解耦控制，在并網(wǎng)接口的輸出電壓中分別引入了和，來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓變化對(duì)系統(tǒng)控制的影響，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。比較后得到電壓的補(bǔ)償量，作為電流內(nèi)環(huán)的輸入。

電流內(nèi)環(huán)中，并聯(lián)逆變器輸出電流經(jīng)過(guò)Park變換，再通過(guò)相應(yīng)的PI調(diào)節(jié)器控制后與上述得到的補(bǔ)償量相疊加，最后獲得逆變器輸出的參考電壓。再經(jīng)過(guò)Park反變換后，由SPWM調(diào)制即可得到相應(yīng)的開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)并聯(lián)逆變器的并網(wǎng)控制。

2.3 串聯(lián)逆變器的控制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)微網(wǎng)的友好并網(wǎng)控制，要求并網(wǎng)接口具有并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量治理的復(fù)合功能。柔性變流器并網(wǎng)接口的并聯(lián)部分，即并聯(lián)逆變器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的自動(dòng)調(diào)節(jié)以及直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制等并網(wǎng)發(fā)電的功能；串聯(lián)逆變器主要通過(guò)補(bǔ)償諧波電流、三相不平衡電流以及無(wú)功電流來(lái)改善并網(wǎng)連接點(diǎn)的電能質(zhì)量水平，達(dá)到電能質(zhì)量治理的目的。

本文根據(jù)一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的ip-iq的諧波檢測(cè)算法[14]，檢測(cè)出諧波電流、無(wú)功補(bǔ)償電流、三相不平衡電流后。進(jìn)一步根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論，由并網(wǎng)功率接口輸出的有功功率、無(wú)功功率指令值，生成并網(wǎng)功率參考電流，然后兩者疊加形成串聯(lián)逆變器的參考電流。其原理框圖見(jiàn)圖4。其中，uabc為PCC的電壓，iabc為由主電網(wǎng)流向PCC的電流，ilabc為串聯(lián)逆變器流出的電流，iabc和ilabc可以看做流向負(fù)荷的廣義電流；ihdq為檢測(cè)出的除基波外的其他電流分量；igabc為并網(wǎng)串聯(lián)逆變器指令電流值。

三相電壓uabc和三相電流iabc經(jīng)過(guò)Park變換和低通濾波器LPF（low-pass filter）后獲得基波電壓與電流的dq軸分量，再由下面的CPQ變換可以得到所需的正序基波有功電流分量ipd和ipq。而并網(wǎng)功率參考電流idqref的計(jì)算可以參考第2.1節(jié)，再通過(guò)反變換可得

串聯(lián)逆變器控制器采用了一種基于加權(quán)反饋電流[15]的滯環(huán)電流比較控制。和分別通過(guò)加權(quán)系數(shù)m和n后合成加權(quán)反饋電流，與c的上下限比較后，通過(guò)一個(gè)環(huán)寬為Δi的滯環(huán)，生成觸發(fā)脈沖。

圖4 串聯(lián)逆變器在聯(lián)網(wǎng)時(shí)的控制策略原理框圖Fig.4 Block diagra Mof series inverter controlstrategy in interconnection

3 仿真

為了驗(yàn)證本文提出的并網(wǎng)功率接口及其控制算法的有效性，檢驗(yàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能，將利用軟件平臺(tái)搭建仿真模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表2所示。

仿真過(guò)程如下：0.01 s后，微電網(wǎng)投入聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；0.3 s后微電網(wǎng)分布式電源出現(xiàn)短時(shí)故障，輸出功率降低，0.5 s后恢復(fù)正常，微電網(wǎng)分布式電源重新正常運(yùn)行。正常運(yùn)行時(shí)，微電網(wǎng)輸出有功功率為100 kW，無(wú)功功率為10 kW。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

圖5 （a）表示直流側(cè)參考電壓和實(shí)際電壓，可以清楚地看出，微電網(wǎng)在0.01 s并網(wǎng)后，直流側(cè)電壓大概經(jīng)過(guò)0.05 s基本穩(wěn)定；微電網(wǎng)中電源出現(xiàn)功率波動(dòng)后恢復(fù)正常，直流側(cè)電壓都能很快保持穩(wěn)定。圖（b）表明，聯(lián)網(wǎng)下，微網(wǎng)按照最大功率點(diǎn)跟蹤的最大有功功率運(yùn)行，無(wú)功功率按照參考值輸出；微網(wǎng)故障時(shí)，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率的輸出。圖（c）表明，由于微網(wǎng)中分布式電源輸出功率的變化，并聯(lián)逆變器的輸出電壓保持穩(wěn)定，而電流有所減小并在一個(gè)周波時(shí)間后迅速恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。圖（d）表示，在0.2~0.3 s之間，微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)前后，主電網(wǎng)PCC處的線路電流。圖（e）表明，PCC的電流總諧波畸變率從17.71%下降到2.91%，低于IEEE1547標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的最大5%的總諧波畸變率。綜合圖（d）和（e），可見(jiàn)并網(wǎng)接口的串聯(lián)逆變器有一定的諧波補(bǔ)償能力。

5 結(jié)語(yǔ)

為了促進(jìn)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的友好并網(wǎng)，本文提出了一種柔性變流器并網(wǎng)接口，并給出了相應(yīng)的控制策略。該并網(wǎng)功率接口不僅可以補(bǔ)償主電網(wǎng)和微電網(wǎng)中負(fù)荷（包括整流性負(fù)荷、不平衡負(fù)荷、非線性負(fù)荷）產(chǎn)生的無(wú)功電流或諧波電流，而且還對(duì)微電網(wǎng)中分布式電源輸出功率擾動(dòng)有一定的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償能力。更為重要的是，它結(jié)合相應(yīng)的控制策略，均能保障微電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)接口友好并網(wǎng)和電能質(zhì)量治理的雙重功能，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

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A Flexible Converter Grid-connected Interface Control Method for Friendly Accession of Microgrid

MING Zhiyong，SU Shiping，LIUGuiying，DENGMingfeng，ZHENGBinyu，ZUOPenghui
（College of Electricaland Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha410004，China）

For the needsof friendly accession ofmicrogrid to high-performance grid-connected interface，a new type of grid-connected interface based on flexible converter isproposed in this paper．To enable the grid-connected interface to work efficiently and effectively，an approach to detectcompensative currentbased on instantaneous reactive power theory isgiven，and the corresponding DC side voltage and constant reactive power controlstrategy are presented．Furthermore，a hysteresis current controller based on weighted current feedback is also given．Finally，by simulation on Matlab/simulink platform，the feasibility and effectiveness of the providedmicrogrid interface and its control strategy are verified．

microgrid；grid-connected interface；flexible converter；harmonic compensation；grid-connected control

TM76

A

1003-8930（2015）07-0054-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.07.10

明志勇（1988—），男，碩士研究生，從事微電網(wǎng)并網(wǎng)及其電能質(zhì)量方面的研究。Email：mingzyong@163.com

2013-11-18；

2014-03-26

湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2012B362）

粟時(shí)平（1963—），男，博士，教授，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與電能質(zhì)量方面的研究。Email：sushiping@126.com

劉桂英（1964—），女，碩士，副教授，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與電能質(zhì)量方面的研究。Email：liuguiy9809@126.com