馮　偉　孫　凱　關(guān)雅娟　王一波

(1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))　北京　100084

2.奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)學(xué)院　奧爾堡　9000　3.中國科學(xué)院電工研究所　北京　100190)

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孤立微電網(wǎng)中基于輸出電壓復(fù)合控制的電壓源型并網(wǎng)逆變器諧波電流抑制策略

馮偉1孫凱1關(guān)雅娟2王一波3

(1.電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備安全控制和仿真國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(清華大學(xué))北京100084

2.奧爾堡大學(xué)能源技術(shù)學(xué)院奧爾堡90003.中國科學(xué)院電工研究所北京100190)

摘要針對具有平衡諧波電壓擾動的孤立水光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)疊加原理提出一種電壓源并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)諧波電流抑制策略。首先利用陷波器將網(wǎng)側(cè)電壓基頻與諧波分量進(jìn)行分離，利用下垂功率控制器對逆變器輸出端基頻電壓分量進(jìn)行下垂控制；同時(shí)逆變器電壓電流內(nèi)環(huán)采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的比例積分與諧振混合控制器，在保證逆變器向電網(wǎng)注入基頻電流的同時(shí)，提高逆變器控制環(huán)路對網(wǎng)側(cè)電壓諧波分量的跟蹤能力，通過減少網(wǎng)側(cè)與逆變器輸出端諧波電壓誤差的方法，降低系統(tǒng)并網(wǎng)電流的諧波含量；最后仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提策略的有效性。

關(guān)鍵詞：諧波電流電壓源逆變器下垂控制微電網(wǎng)

0引言

大力發(fā)展新能源和可再生能源，不僅是保護(hù)生態(tài)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化以及實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的需要，也是解決我國偏遠(yuǎn)地區(qū)無電人口民用電問題的主要途徑[1]。我國西藏、青海等邊遠(yuǎn)地區(qū)建有許多由小水電供電的孤立電網(wǎng)，但水力發(fā)電站的發(fā)電能力受季節(jié)和自然條件的影響很大，枯水期水不能保證出力。在邊遠(yuǎn)地區(qū)架設(shè)電網(wǎng)成本過高，但這些地區(qū)光照資源普遍比較豐富。因此，利用光伏發(fā)電與當(dāng)?shù)毓铝⑺啺l(fā)電機(jī)組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，能夠有效緩解上述問題，為解決我國邊遠(yuǎn)地區(qū)無電及缺電問題開辟了一條新途徑[2，3]。

傳統(tǒng)電流源型光伏并網(wǎng)逆變器(Grid-Connected Current Controlled Inverter，GC-CCI)的工作原理是利用逆變器電流控制環(huán)路參考指令對光伏電池板進(jìn)行最大功率跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)控制，再將光伏能量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)正弦波電流，并注入電網(wǎng)[4]。由于太陽輻照度存在較大隨機(jī)性，并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率波動較大，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定。文獻(xiàn)[5]提出了為GC-CCI添加儲能環(huán)節(jié)，MPPT改由前級充電控制器完成，從而保證后級逆變器輸出功率穩(wěn)定。但GC-CCI為電流源控制，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)無法直接實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，并繼續(xù)為敏感負(fù)荷供電。文獻(xiàn)[6]提出了雙模式逆變器控制策略，但該策略控制復(fù)雜，且在孤島與并網(wǎng)模式轉(zhuǎn)換時(shí)，逆變器輸出端電壓易發(fā)生突變。針對GC-CCI存在的問題，文獻(xiàn)[7]提出了一種利用下垂原理進(jìn)行控制的電壓源逆變器并網(wǎng)系統(tǒng) (Grid-Connected Voltage Controlled Inverter，GC-VCI)，并對其基本理論進(jìn)行了論述。該系統(tǒng)在并網(wǎng)工作時(shí)，通過控制逆變器輸出端電壓的幅值與相位，控制逆變器向電網(wǎng)注入的功率。由于GC-VCI為電壓源控制，當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行孤島與并網(wǎng)模式切換時(shí)，其控制環(huán)路結(jié)構(gòu)未發(fā)生根本變化，因此，其控制簡單且不存在電壓突變，改善了系統(tǒng)的暫態(tài)特性。但由于GC-VCI等效輸出阻抗較小[8]，網(wǎng)側(cè)電壓擾動對其穩(wěn)定性與并網(wǎng)電流總諧波畸變率(Total Harmonics Distortion of Current，THDi)影響較大。

GC-VCI系統(tǒng)以公共耦合點(diǎn)(Point of Common Coupling，PCC)的網(wǎng)側(cè)電壓作為其運(yùn)行參考值。但是，由于逆變器LCL濾波器特性，單臺光伏系統(tǒng)可能存在內(nèi)部諧振；多臺光伏系統(tǒng)間存在相互擾動，可能引發(fā)串聯(lián)及并聯(lián)諧振；而孤立電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)之間可能存在串聯(lián)諧振[9]；同時(shí)，隨著光伏發(fā)電在水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中所占比例增大，孤立電網(wǎng)無法再等效為無窮大電源，其等效電路中存在一定線路阻抗。因此，由于多種因素相互疊加，極有可能在PCC激發(fā)出不同頻率及能量的諧波電流分量，并受線路阻抗影響，引起PCC電壓的諧振，導(dǎo)致孤立運(yùn)行的水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中PCC電能質(zhì)量較差。為定量分析逆變器并網(wǎng)系統(tǒng)對電網(wǎng)造成的影響，文獻(xiàn)[10]運(yùn)用諧波分量線性化方法，對基于鎖相環(huán)(Phase-Lock Loop，PLL)進(jìn)行同步的三相并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)在頻域中的正負(fù)序阻抗進(jìn)行了建模，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證，指出利用該模型可以對并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行適用性與電能質(zhì)量分析。

文獻(xiàn)[7]所提出的GC-VCI控制策略中，已對由PCC電能質(zhì)量較差引起的系統(tǒng)并網(wǎng)諧波電流問題進(jìn)行了論述，并提出了諧波電流抑制策略。文獻(xiàn)[11]在文獻(xiàn)[7]的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，針對原控制策略無法對線電流中諧波分量進(jìn)行控制的問題，提出一種新型HCM混合控制策略。但文獻(xiàn)[7，11]所提控制策略均未考慮網(wǎng)側(cè)頻率波動對GC-VCI造成的影響。在孤立水光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，受到系統(tǒng)容量與成本的約束，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)通常不參與系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，孤立電網(wǎng)的頻率主要由水電機(jī)組調(diào)速器決定，較大負(fù)荷投切會使系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動，且頻率暫態(tài)過渡過程較長[12]。文獻(xiàn)[13]在文獻(xiàn)[7，11]的基礎(chǔ)上提出一種變頻率比例諧振(Proportional-Resonant，PR)控制器，可有效解決由網(wǎng)側(cè)頻率波動對GC-VCI造成的影響。但文獻(xiàn)[13]所提控制策略屬于變參數(shù)控制，因此，對控制器工程實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)穩(wěn)定性及其分析帶來影響。為保證GC-VCI穩(wěn)定工作，文獻(xiàn)[14]對采用比例積分(Proportional-Integral，PI)與PR控制器作為內(nèi)環(huán)控制器的GC-VCI進(jìn)行了狀態(tài)空間建模，通過參數(shù)敏感度的對比與分析，得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下采用PI控制器進(jìn)行內(nèi)環(huán)控制的GC-VCI能夠克服電網(wǎng)頻率波動對其帶來影響的結(jié)論。

本文在文獻(xiàn)[14]的基礎(chǔ)上，針對具有平衡諧波電壓的孤立水光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)疊加原理提出一種GC-VCI控制策略。利用陷波器對網(wǎng)側(cè)電壓基頻分量與諧波分量進(jìn)行分離，并利用下垂控制器對逆變器輸出端電壓基頻分量進(jìn)行控制，使逆變器向電網(wǎng)注入基頻電流。同時(shí)，逆變器電壓電流內(nèi)環(huán)采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的比例積分諧振(Proportional-Integral-Resonant，PIR)復(fù)合控制器，提高逆變器控制環(huán)路對諧波分量的跟蹤能力，通過減少逆變器輸出側(cè)與PCC之間的諧波電壓誤差的方式，減少并網(wǎng)諧波電流。通過分析可知，本文所提控制策略均采用常規(guī)控制器，易于工程實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。最后，通過仿真及包含兩臺并聯(lián)逆變器的實(shí)驗(yàn)平臺驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

1水光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)

水光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)按照水電站的類型(徑流式、蓄水式)可分為并聯(lián)運(yùn)行及交互運(yùn)行兩種方式。微電網(wǎng)系統(tǒng)由水輪發(fā)電機(jī)、GC-VCI、GC-CCI、充電控制器、鉛酸蓄電池組、光伏電池板、能量管理系統(tǒng)以及靜態(tài)開關(guān)構(gòu)成。國內(nèi)某水光互補(bǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　水光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The scheme of hydro-PV hybrid microgrid

充電控制器利用MPPT算法實(shí)現(xiàn)光伏電池最大功率輸出，并對鉛酸蓄電池組進(jìn)行分段式充電與維護(hù)。能量管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)整逆變器出力、對電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行檢測、控制靜態(tài)開關(guān)及GC-VCI運(yùn)行模式切換等工作。水電機(jī)組工作正常時(shí)，靜態(tài)開關(guān)閉合，GC-CCI以MPPT方式進(jìn)行并網(wǎng)工作，而GC-VCI按照能量管理系統(tǒng)或上級電網(wǎng)的調(diào)度指令，向電網(wǎng)注入指定的有功及無功功率；當(dāng)水電站水量不足或電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，靜態(tài)開關(guān)斷開，GC-VCI由并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)為孤島運(yùn)行，維持系統(tǒng)的電壓以及頻率，并與GC-CCI構(gòu)成微電網(wǎng)，繼續(xù)為敏感負(fù)荷供電，提高供電可靠性。

GC-VCI與水電機(jī)組并聯(lián)運(yùn)行的模型可簡化為圖2a，圖中Vinv與Vgrid分別為GC-VCI與水電機(jī)組輸出端電壓矢量，圖2a中矢量關(guān)系如圖2b所示。

圖2　互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)簡化結(jié)構(gòu)圖及其矢量關(guān)系圖Fig.2　The simplified diagram of hybrid power system and vector relationship

圖2a中sLline+Rline為傳輸線等效阻抗，GC-VCI向電網(wǎng)側(cè)傳遞的有功及無功功率分別為[15-17]

(1)

式中，P、Q分別為逆變器向電網(wǎng)傳輸?shù)挠泄Αo功功率；Vinv、Vgrid分別為GC-VCI側(cè)與水電機(jī)側(cè)電壓幅值；Δφ為GC-VCI側(cè)與水電機(jī)側(cè)電壓矢量相角差；Z、θ分別為傳輸線等效阻抗的幅值與相位。

在中高壓電網(wǎng)中，線路阻抗主要呈感性[2]，因此，式(1)可簡化為

(2)

從式(2)中可看出，GC-VCI可通過控制其輸出電壓與網(wǎng)側(cè)電壓基頻分量之間的相位差與幅值差來控制其向電網(wǎng)注入的有功及無功功率。

2GC-VCI并網(wǎng)諧波電流抑制策略

2.1原理分析

GC-VCI并網(wǎng)等效電路如圖3a所示。圖3中Gv(s)為逆變器內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)；urefGv(s)為逆變器輸出電壓；Zout(s)為逆變器等效輸出阻抗；Zgrid(s)為線路阻抗；Igrid(s)為逆變器并網(wǎng)電流。取電路中某一相電壓進(jìn)行分析，根據(jù)線性電路疊加定理，可得到網(wǎng)側(cè)電壓ugrid、 并網(wǎng)電流igrid及逆變器參考信號uref的表達(dá)式，分別為

(3)

式中，ugrid_b和ugrid_h、 ibase和iharmonic、 uref_b和uref_h分別為網(wǎng)側(cè)電壓、并網(wǎng)電流以及逆變器參考信號的基頻及諧波分量。

圖3　電壓源并網(wǎng)逆變器等效電路圖Fig.3　The equivalent circuit diagram of GC-VCI

根據(jù)圖3b可得GC-VCI并網(wǎng)電流基頻分量的幅值表達(dá)式為

(4)

同理，根據(jù)圖3c可得GC-VCI并網(wǎng)電流諧波分量的幅值表達(dá)式為

(5)

(6)

由式(4)可知，為保證GC-VCI正常工作，需要對逆變器輸出端電壓的基頻分量進(jìn)行下垂控制；由式(5)可知，為減少GC-VCI向電網(wǎng)注入的諧波電流，需要提高逆變器對網(wǎng)側(cè)諧波電壓分量的跟蹤能力。

2.2系統(tǒng)參考信號生成

假設(shè)電網(wǎng)存在三相平衡的諧波電壓擾動，經(jīng)過Park變換后，網(wǎng)側(cè)電壓諧波分量會以不同角頻率的三角函數(shù)信號形式疊加在dq軸直流信號上。而PLL控制環(huán)路中使用的PI調(diào)節(jié)器不包含三角函數(shù)信號的內(nèi)模，因此，必然會對PLL輸出造成擾動。為避免上述問題，在檢測前可利用陷波器將諧波分量信號濾除。陷波器的傳遞函數(shù)為

(7)

通過改變k值可改變陷波器在諧振頻率點(diǎn)附近的衰減頻率寬度，改變n值可改變諧振頻率點(diǎn)衰減幅度。假設(shè)需要濾除電網(wǎng)中11次正序諧波電壓，當(dāng)k=10 且n?[10,40]時(shí)，其幅頻特性如圖4所示。

圖4　陷波器傳遞函數(shù)波特圖Fig.4　The bode diagram of notch filter

利用上述陷波器對PLL進(jìn)行改進(jìn)，如圖5所示。通過改進(jìn)后的PLL可得到網(wǎng)側(cè)電壓基頻分量的相位θbase、 幅值Ebase及完整的電網(wǎng)電壓諧波分量uharmonic。

圖5　改進(jìn)后的PLL結(jié)構(gòu)圖Fig.5　The block diagram of the improved PLL

當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓存在多個(gè)頻率點(diǎn)的平衡諧波電壓時(shí)，可利用串聯(lián)陷波器方式將電壓基頻與諧波分量進(jìn)行分離，如式(8)所示。

(8)

采用上述方法對網(wǎng)側(cè)電壓采樣信號進(jìn)行分離時(shí)，所引入的陷波器環(huán)節(jié)會導(dǎo)致電壓基頻采樣信號相位滯后及幅值衰減。但由圖6可知，由陷波器對信號采樣造成的影響僅與其參數(shù)有關(guān)，因此可利用固定值補(bǔ)償?shù)姆椒右韵?/p>

圖6　不同參數(shù)的陷波器對基頻分量的影響Fig.6　The influence of notch filter’s different parameter to the foundational component

GC-VCI的有功、無功功率下垂控制環(huán)路及逆變器電壓參考信號生成模塊的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　下垂控制環(huán)路及參考信號生成Fig.7　The droop control loop and reference generation

為使GC-VCI向電網(wǎng)注入的功率對功率參考值進(jìn)行無差跟蹤，可采用PI控制器作為功率下垂控制器，同時(shí)采用帶寬為ωc的一階低通濾波器(Low Pass Filter，LPF)濾除逆變器輸出功率中的高頻分量，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)有功及無功功率下垂控制器分別為

(9)

式中，kpp、kpi與kqp、kqi分別為有功和無功功率下垂控制器的比例及積分系數(shù)。

(10)

2.3基于PIR的GC-VCI內(nèi)環(huán)復(fù)合控制器設(shè)計(jì)

在由水輪發(fā)電機(jī)構(gòu)成的孤立電網(wǎng)中，有功負(fù)荷投切會對系統(tǒng)頻率造成較大擾動。為使GC-VCI可靠地與孤立電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，避免系統(tǒng)頻率波動造成GC-VCI過電流，本文利用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI控制器對電壓參考信號中基頻分量進(jìn)行控制。該原理已在文獻(xiàn)[14]中進(jìn)行詳述，此處不再贅述。同時(shí)，為減少并網(wǎng)電流THDi，需要提高逆變器電壓電流內(nèi)環(huán)對諧波信號的跟蹤能力，因此提出一種逆變器電壓內(nèi)環(huán)PIR復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8　PIR復(fù)合電壓電流內(nèi)環(huán)控制器Fig.8　The inner PIR voltage/current control loop

其原理是：n次平衡諧波信號在經(jīng)Park變換后被映射為dq軸上頻率為n+1或n-1次三角函數(shù)信號。復(fù)合控制器利用PI控制器包含對直流量的內(nèi)模以及諧振控制器包含對三角函數(shù)信號的內(nèi)模的特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下分別實(shí)現(xiàn)對參考信號中基頻分量及n次平衡諧波分量無差跟蹤。假設(shè)網(wǎng)側(cè)電壓存在三相平衡的11次正序諧波擾動，該諧波信號經(jīng)Park變換后，被映射為dq軸上500 Hz三角函數(shù)信號。因此，PIR中諧振控制器的中心頻率被設(shè)為500 Hz。圖9為采用所提PIR復(fù)合電壓控制器后，逆變器電壓電流內(nèi)環(huán)傳遞函數(shù)的幅頻特性圖。

圖9　復(fù)合控制環(huán)路幅頻特性圖Fig.9　The bode diagram of system with PIR controller

從圖9中可看出，由于電壓控制環(huán)路中PI控制器的作用，控制系統(tǒng)在0 Hz處幅值衰減為0 dB，相位滯后為0°，即控制系統(tǒng)可使逆變器輸出電壓零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤基頻電壓參考信號；同時(shí)，由于電壓環(huán)路中諧振控制器的作用，控制系統(tǒng)在500 Hz處的幅值衰減為0.41 dB，相位滯后為0°，因此，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，有效提高了逆變器控制環(huán)路對參考信號中500 Hz頻率分量的跟蹤能力，即提高了逆變器在abc坐標(biāo)系下對網(wǎng)側(cè)11次平衡諧波信號的跟蹤能力。

3仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提GC-VCI并網(wǎng)諧波電流抑制策略的有效性，分別對改進(jìn)前以及改進(jìn)后的系統(tǒng)與存在11次平衡諧波擾動的電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行模型進(jìn)行了時(shí)域?qū)Ρ确抡?。模型中控制參?shù)如表1所示。

表1　仿真模型控制器參數(shù)

圖10為未采用所提諧波電流抑制策略時(shí)，PCC電壓與GC-VCI并網(wǎng)電流的時(shí)域仿真波形圖。通過對圖中A相網(wǎng)側(cè)電壓以及A相并網(wǎng)電流進(jìn)行諧波分析可知，此時(shí)電網(wǎng)電壓總諧波畸變率(Total Harmonics Distortion of Voltage，THDv)為9.56%，THDi為7.59%。受到網(wǎng)側(cè)諧波電壓擾動的影響，此時(shí)GC-VCI并網(wǎng)電流已超過THDi<5%的要求[18，19]。

圖10　改進(jìn)前系統(tǒng)PCC電壓及并網(wǎng)電流仿真波形Fig.10　The simulation waveform of voltage and injected current at PCC without the proposed strategy

圖11為在相同條件下，采用本文所提并網(wǎng)諧波電流抑制策略后的GC-VCI系統(tǒng)時(shí)域仿真波形?？梢钥闯?，GC-VCI并網(wǎng)電流波形正弦度明顯提高，對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到此時(shí)網(wǎng)側(cè)電壓THDv仍為9.56%，而THDi下降到2.6%，因此，已符合并網(wǎng)系統(tǒng)對其并網(wǎng)電流波形的要求。

圖11　改進(jìn)后系統(tǒng)PCC電壓及并網(wǎng)電流仿真波形Fig.11　The simulation waveform of voltage and injected current at PCC with the proposed strategy

通過基于小功率實(shí)驗(yàn)平臺相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提諧波電流抑制策略的有效性。實(shí)驗(yàn)平臺由兩臺10 kV·A三相電壓源逆變器并聯(lián)組成，如圖12所示。逆變器由LC二階濾波器、基于TMS320F28335 DSP控制板、三相全橋電路、變壓器以及并網(wǎng)開關(guān)構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)中，利用一臺逆變器對水電站有功出力/頻率下垂特性進(jìn)行模擬，另一臺逆變器用于驗(yàn)證所提GC-VCI并網(wǎng)諧波電流抑制策略，實(shí)驗(yàn)平臺參數(shù)如表2所示。

電壓源并網(wǎng)系統(tǒng)投入與切除對孤立電網(wǎng)系統(tǒng)頻率造成的影響及有功出力變化實(shí)驗(yàn)波形如圖13所示。可以看出，當(dāng)GC-VCI系統(tǒng)投入后，其功率下垂控制器控制系統(tǒng)向孤立電網(wǎng)注入900 W有功功率，導(dǎo)致水電機(jī)模擬單元出力下降，系統(tǒng)頻率上升，經(jīng)過約24 s調(diào)整，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在約49.75 Hz，暫態(tài)過程如圖13a所示；同理，當(dāng)電壓源并網(wǎng)系統(tǒng)切除后，水電機(jī)模擬單元出力增加，當(dāng)調(diào)整過程結(jié)束后，系統(tǒng)頻率下降0.25 Hz，并穩(wěn)定在約49.50 Hz，如圖13b所示。

圖12　實(shí)驗(yàn)平臺Fig.12　The experiment platform

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值R/Ω0.1VDC/V400L/mH1.5Freq/kHz10C/μF9.9Pload/kW2Lline/mH1.5Qload/kvar0.5Rline/Ω0.08

圖13　GC-VCI系統(tǒng)投入與切除實(shí)驗(yàn)波形Fig.13　The connection and disconnection of GC-VCI

為測試所提策略的有效性，在水電站模擬單元的電壓參考信號中加入7次正序諧波擾動信號。參考信號經(jīng)其內(nèi)部控制器運(yùn)算后，通過三相全橋電路放大，再經(jīng)LC二階濾波器進(jìn)行濾波后，在PCC產(chǎn)生的電壓波形如圖14所示。經(jīng)過對電壓采樣數(shù)據(jù)的分析可知，此時(shí)THDv=6.97%。

當(dāng)GC-VCI與上述具有7次正序諧波擾動的電網(wǎng)進(jìn)行并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)Park變換后呈現(xiàn)為直流信號與300 Hz三角函數(shù)信號的線性疊加。通過上述分析可知，如果采用傳統(tǒng)PI控制器作為電壓內(nèi)環(huán)控制器，該控制器只能對直流分量進(jìn)行無差跟蹤，而無法對環(huán)路中存在的6次諧波分量進(jìn)行跟蹤。因此，dq軸電壓控制環(huán)誤差信號中包含6次諧波分量，如圖15所示。當(dāng)GC-VCI采用所提PIR復(fù)合控制器作為電壓環(huán)控制器，并將諧振控制器中心頻率設(shè)為300 Hz時(shí)，在dq坐標(biāo)系下，消除了逆變器電壓誤差信號中6次諧波分量，如圖16所示。

圖14　7次電壓諧波擾動的PCC電壓波形 Fig.14　The voltage of PCC with 7th voltage harmonic

圖15　采用PI控制器的逆變器電壓內(nèi)環(huán)dq軸誤差Fig.15　The inverter’s voltage looperror in the dq frame with PI controller

圖16　采用PIR控制器的逆變器電壓內(nèi)環(huán)dq軸誤差Fig.16　The inverter’s voltage looperror in the dq frame with PIR controller

GC-VCI采用傳統(tǒng)控制策略時(shí)，其PCC電壓與并網(wǎng)電流波形如圖17所示，并網(wǎng)電流采樣信號與其傅里葉分析如圖18所示。由圖可知，并網(wǎng)電流受網(wǎng)側(cè)諧波電壓擾動影響發(fā)生畸變，此時(shí)I7th=0.32 A，THDi=7.86%；在相同條件下，當(dāng)逆變器采用本文所提并網(wǎng)諧波電流抑制策略后，其PCC電壓與并網(wǎng)電流波形如圖19所示，電流采樣信號與其傅里葉分析如圖20所示?？梢钥闯?，逆變器輸出電流正弦度提高。通過計(jì)算可知，此時(shí)I7th=0.08 A，THDi=4.6%。

圖17　改進(jìn)前系統(tǒng)PCC電壓及并網(wǎng)電流波形Fig.17　The waveform of PCC voltage and injected current without the proposed strategy

圖18　改進(jìn)前系統(tǒng)并網(wǎng)電流采樣信號及其傅里葉分析Fig.18　The sample and Fourier analysis of injected current without the proposed strategy

圖19　改進(jìn)后系統(tǒng)PCC電壓及并網(wǎng)電流波形Fig.19　The waveform of voltage and injected current with the proposed strategy

圖20　改進(jìn)后系統(tǒng)并網(wǎng)電流采樣信號及其傅里葉分析Fig.20　The sample and Fourier analysis of injected current with the proposed strategy

4結(jié)論

針對具有平衡電壓諧波擾動的孤立水光互補(bǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)，提出了一種基于PIR復(fù)合控制器的GC-VCI并網(wǎng)諧波電流抑制策略。該策略利用陷波器對網(wǎng)側(cè)電壓采樣信號的基頻與諧波分量進(jìn)行分離，并利用傳統(tǒng)有功/無功下垂控制器控制逆變器向電網(wǎng)注入基頻電流，以保證逆變器向電網(wǎng)注入有效功率。同時(shí)利用PIR復(fù)合控制器提高了電壓源逆變器對電壓參考信號中諧波分量的跟蹤能力。通過抑制網(wǎng)側(cè)與逆變器輸出端諧波電壓誤差的方法，降低了系統(tǒng)并網(wǎng)電流的諧波含量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)電網(wǎng)THDv=6.97%時(shí)，采用所提控制策略可使GC-VCI并網(wǎng)電流THDi由7.86%下降到4.6%，其中，I7th可由0.32 A下降到0.08 A。因此，本文所提GC-VCI并網(wǎng)諧波電流抑制策略是有效的。

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馮偉男，1983年生，博士研究生，研究方向?yàn)樗饣パa(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)及微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)。

E-mail：fwqqrse@163.com(通信作者)

孫凱男，1977年生，副教授，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c新能源發(fā)電。

E-mail：sun-kai@mail.tsinghua.edu.cn

A Harmonic Current Suppression Strategy for Voltage Source Grid-Connected Inverters Based on Output Voltage Hybrid Control in Islanded Microgrids

FengWei1SunKai1GuanYajuan2WangYibo3

(1.State Key Lab of Security Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipments Tsinghua UniversityBeijing100084China 2.Department of Energy Technology Aalborg UniversityAalborg9000Denmark 3.Institute of Electrical Engineering CASBeijing100190China)

AbstractThe principle of injected fundamental and harmonic current of grid-connected inverter with droop controller is analyzed firstly in this paper, and a compound harmonic current suppression strategy of GC-VCI with distorted grid voltage is proposed. A notch filter is firstly designed for the separation of different frequency components of the PCC voltage. Then the fundamental component of the inverter’s output is controlled by the droop controller solely. A PIR complex controller is adopted for enhancing the tracking ability for harmonic component. As a result, the difference of harmonic voltage between PCC and the output point of inverter is reduced, and the injected harmonic current is decreased. These theoretical findings are verified through simulations and experiments on the laboratory platform with two inverters.

Keywords：Harmonic current, voltage source inverter, droop, microgrid

作者簡介

中圖分類號：TM464

收稿日期2015-02-03改稿日期2015-04-15

國家國際科技合作專項(xiàng)(2014DFG62610)，國家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃(2015AA050606)，北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ201511232035)資助項(xiàng)目。