周虎， 李順福， 吳麗珍， 楊旭生

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州　730030;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌　737100;3.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州　730050)

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孤島微電網(wǎng)的電壓不平衡控制策略研究

周虎1， 李順福2， 吳麗珍3， 楊旭生3

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州730030;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌737100;3.蘭州理工大學(xué)電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州730050)

隨著微網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，微網(wǎng)中負(fù)載的不對(duì)稱，導(dǎo)致了微網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡。為此提出了在αβ坐標(biāo)系下的低壓微網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償方法。該方法包括改進(jìn)的下垂控制，可使微源逆變器根據(jù)本地配置的實(shí)際情況改善功率分配；電壓不平衡補(bǔ)償 環(huán)節(jié)，協(xié)調(diào)控制分布式發(fā)電單元的有功和無功功率以自動(dòng)補(bǔ)償微電網(wǎng)電壓不平衡；并加入虛擬阻抗環(huán)來靈活地控制逆變型微源的等效輸出阻抗特性；而電壓電流環(huán)則采用準(zhǔn)比例諧振控制實(shí)現(xiàn)電流、電壓的無靜差控制。最后通過仿真結(jié)果證明了所提控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；電壓不平衡度；下垂控制；準(zhǔn)比例諧振控制；虛擬阻抗環(huán)

0　引　言

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、負(fù)荷、變流器以及監(jiān)控保護(hù)裝置有機(jī)整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)作為分布式電源的有效載體，是分布式電源接入配電網(wǎng)的重要方式，為局部消納可再生能源提供了有效途徑，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分[2]。但在電壓源型逆變器并網(wǎng)的低壓微電網(wǎng)中，基于下垂特性的對(duì)等控制帶來了電壓和頻率的偏差，三相負(fù)荷不對(duì)稱以及非線性負(fù)載的普遍存在，將導(dǎo)致微電網(wǎng)支撐電壓出現(xiàn)三相不平衡，從而造成較多的能量損失，影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。當(dāng)電壓存在嚴(yán)重不平衡時(shí)，對(duì)設(shè)備如感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、電力電子轉(zhuǎn)換器和調(diào)速驅(qū)動(dòng)器等有嚴(yán)重影響，因此，國際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定電力系統(tǒng)中電壓不平衡度應(yīng)限制在2%以內(nèi)[4]，根據(jù)國標(biāo)《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》的規(guī)定，電力系統(tǒng)公共耦合點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不得超過4%；接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶，引起該點(diǎn)正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。因此，研究微電網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償策略迫在眉睫。

現(xiàn)有不平衡電壓補(bǔ)償主要是通過串聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，向線路注入負(fù)序電壓[5-6]，或者通過并聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補(bǔ)償線路電流來實(shí)現(xiàn)不平衡補(bǔ)償[7-8]，但是對(duì)多逆變器的微電網(wǎng)成本高且容易造成調(diào)節(jié)器過流。而微電網(wǎng)可通過調(diào)節(jié)分布式電源(Distributed Generator, DG)逆變器輸出電壓的幅值和相位，調(diào)整DG向微電網(wǎng)中注入的有功和無功功率，以支撐微電網(wǎng)電壓。因而，文獻(xiàn)[9]提出了注入負(fù)序電流補(bǔ)償法，使得線電流變得平衡，以達(dá)到微網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償?shù)哪康?。文獻(xiàn)[10]通過控制負(fù)序電導(dǎo)來補(bǔ)償DG端電壓的不平衡，應(yīng)用負(fù)序無功產(chǎn)生一個(gè)參考的負(fù)序電導(dǎo)，進(jìn)而產(chǎn)生補(bǔ)償電流，再將補(bǔ)償所需的參考量注入到輸出的電壓控制器中進(jìn)行控制，從而是微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。但文獻(xiàn)[11]認(rèn)為這種方法是不合適的，因?yàn)殡妷嚎刂破鲗⒋藚⒖剂空J(rèn)為是一種擾動(dòng)。因此，文獻(xiàn)[11]提出在電壓控制器之前注入補(bǔ)償參考量，達(dá)到了補(bǔ)償效果。文獻(xiàn)[12]中用一個(gè)比例積分(PI)控制器，來跟蹤參考電壓的不平衡系數(shù)，但該方法基于dq坐標(biāo)系，需要鎖相環(huán)，計(jì)算量大。因此，本文針對(duì)多逆變器并聯(lián)的微電網(wǎng)電壓不平衡問題，提出基于αβ靜止坐標(biāo)系的三相電壓不平衡補(bǔ)償方法，采用改進(jìn)的下垂控制，并加入基于正序電流的虛擬阻抗環(huán)控制，靈活地控制逆變型微源的等效輸出阻抗特性；而電壓電流環(huán)則采用準(zhǔn)比例諧振控制實(shí)現(xiàn)電壓、電流的無靜差控制。

1　含多逆變器的微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

圖1為兩DG并聯(lián)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，主要由分布式直流電源Udc、三相全橋逆變電路、LCL濾波器以及線路阻抗組成。其中，R1、L1為DG1到公共耦合點(diǎn)(PCC)的線路阻抗，R2、L2為DG2到PCC的線路阻抗，ZB為三相平衡負(fù)載，而ZUB為不平衡負(fù)載連接在a、b相。

圖1　兩DG并聯(lián)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

為了減少計(jì)算量，本文采用兩相靜止αβ坐標(biāo)系及其控制原理圖如圖2所示。

圖2　DG控制結(jié)構(gòu)原理圖

采用二階廣義積分法進(jìn)行正負(fù)序分離，得到正序、負(fù)序電壓電流分量，進(jìn)而求出所需的正序有功、無功功率，通過下垂控制環(huán)得出所需的電壓參考幅值和相位，送入電壓參考發(fā)生模塊獲得正弦電壓參考信號(hào)，最后經(jīng)過電壓、電流雙環(huán)控制得到輸出電壓，作為脈沖信號(hào)控制逆變器。

2　多逆變器并聯(lián)的微網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償控制方法

2.1正負(fù)序分離及功率計(jì)算

將逆變器輸出的電壓、電流信號(hào)利用兩相靜止坐標(biāo)系變換到αβ坐標(biāo)下，對(duì)于三相三線制系統(tǒng)而言，不考慮零序分量問題。將abc變換到αβ坐標(biāo)系，所需要的變換矩陣為Tαβ，變換公式如下所示：

(1)

(2)

依據(jù)二階廣義積分SOGI正負(fù)序分離的原理，對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行90°相角偏移，以此獲得兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的電壓或電流正負(fù)序分量，其正負(fù)序分離計(jì)算公式:

(3)

(4)

此外，以二階廣義積分SOGI正負(fù)序分離的原理獲得兩相正交電壓信號(hào)，此方法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電壓信號(hào)進(jìn)行正負(fù)序分離，還可以濾除高次諧波[13]。

基于瞬時(shí)無功功率理論[14],有功無功的瞬時(shí)值計(jì)算如下：

p=voαioα+voβioβ

(5)

q=voβioα-voαioβ

(6)

其中voα和voβ為αβ下的兩相基波電壓；ioα和ioβ為αβ下的兩相基波電流。

瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q包含了直流分量和交流分量，其中，直流分量即為基波正序，基波正序有功功率P+和無功功率Q+可通過低通濾波器濾除p和q的交流分量得到。其中，所用的一階濾波器傳遞函數(shù)如下：

(7)

式中ωc為截止頻率。

2.2改進(jìn)的V/f下垂控制

由于傳統(tǒng)的下垂控制取自虛擬同步發(fā)電機(jī)的下垂特性曲線，一般認(rèn)為輸出阻抗是感性的，因而通過有功功率來調(diào)節(jié)頻率基準(zhǔn)，無功功率來調(diào)節(jié)電壓基準(zhǔn)。DG 輸出的基波正序有功功率和無功功率為[15]：

(8)

(9)

其中E為DG 逆變器輸出相電壓；V為電網(wǎng)電壓，φ為E與V之間的相角差；Z和θ分別為連接阻抗的幅值和相角，設(shè)定電網(wǎng)電壓的相角為0，φ則為逆變器電壓相角。當(dāng)連接阻抗Z接近感性，即有Z≈X和θ≈90°時(shí)，則有功和無功為:

(10)

(11)

由此可見，有功功率P主要取決于逆變器輸出電壓與母線電壓相位差,無功功率Q主要取決于逆變器輸出電壓幅值V。又因?yàn)殡妷合嘟遣詈徒穷l率之間滿足關(guān)系式：ω=dφ/dt。因此，可以采用PQ下垂控制法，通過調(diào)節(jié)有功功率來改變輸出角頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓相角差的控制，通過調(diào)節(jié)無功功率來實(shí)現(xiàn)電壓幅值的控制。圖3-a是有功/頻率下垂曲線，曲線由初始運(yùn)行點(diǎn)的f0和P0以及下垂系數(shù)m確定。圖3-b為無功/電壓下垂曲線，由初始運(yùn)行點(diǎn)的V0和Q0以及下垂系數(shù)n確定。假設(shè)系統(tǒng)工作在A點(diǎn)，當(dāng)系統(tǒng)輸出有功功率增大到P1時(shí)，系統(tǒng)頻率將減小到f1，系統(tǒng)將工作在B點(diǎn)，而頻率降低又會(huì)增加有功輸出，從而實(shí)現(xiàn)功率自動(dòng)平衡。同樣無功/電壓下垂曲線也有類似的下垂規(guī)律。

圖3　下垂控制原理

傳統(tǒng)的下垂控制雖然能解決簡單的功率和幅值的控制，但當(dāng)線路阻抗、本地負(fù)荷不同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生功率分配的誤差，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。為此本文提出的下垂控制方法公式如(12)和(13)所示。

(12)

E*=E0-nPQ+

(13)

其中E*、φ*為參考電壓幅值、參考電壓相角，mp為下垂有功比例系數(shù)，np為無功比例系數(shù)，mD為有功微分系數(shù)。為了增加響應(yīng)速度，在下垂控制中增加微分響應(yīng)系數(shù)mD，增加微分系數(shù)有助于改善動(dòng)態(tài)功率控制；ω0、E0分別為額定角頻率和額定電壓幅值。通過P-f、Q-E下垂控制，各分布式電源能獨(dú)立調(diào)節(jié)輸出基波頻率、電壓幅值。因此，各分布式逆變器之間可以實(shí)現(xiàn)有功、無功較為精確的分配。

2.3虛擬阻抗環(huán)

圖4　虛擬阻抗環(huán)原理框圖

下垂控制只有在X?R的條件下，無功出力才主要由電壓幅值來控制，但是在低壓微網(wǎng)中，輸出線路主要體現(xiàn)為阻性即R>X，加入虛擬阻抗可以使P-f、Q-E下垂控制適用于阻性線路，但虛擬阻抗會(huì)導(dǎo)致壓降過大以及諧波放大。針對(duì)此問題本文運(yùn)用負(fù)阻抗，利用原電壓減去逆變器輸出電流在虛擬負(fù)電阻上的壓降作為最終的電壓，達(dá)到用算法模擬虛擬負(fù)電阻作用的目的；用虛擬負(fù)電阻抵消一部分線路電阻，從而在同樣的效果下，減小虛擬阻抗的取值，提高電壓質(zhì)量。因此本文在逆變器單元中加入虛擬負(fù)阻抗環(huán)節(jié)，以補(bǔ)償線路阻抗大小不一致而造成的無功出力不均，其設(shè)計(jì)原理框圖如圖4所示。

圖4的方程表示為：

(14)

(15)

其中Rv、Lv為虛擬電阻、電感。圖4中只有正序電流通過虛擬負(fù)阻抗,這樣避免了由于DG輸出而引起的負(fù)序電壓不平衡，補(bǔ)償了線路阻抗大小不一致而造成的無功出力不均。而且，虛擬負(fù)阻抗沒有功率損耗，它不會(huì)減少效率，使得下垂控制更穩(wěn)定[16]。

2.4電壓電流環(huán)控制

因?yàn)榛讦力蚂o止坐標(biāo)系下的電壓和電流為交流分量，所以用準(zhǔn)比例諧振PR (proportional resonant)控制器來進(jìn)行αβ靜止坐標(biāo)系下的電壓、電流誤差信號(hào)控制。通過PR 控制器，使系統(tǒng)在諧振頻率處實(shí)現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。PR電壓、電流控制器傳遞函數(shù)為[17]：

(16)

(17)

kpV、kpI是比例諧振中電壓、電流控制系數(shù)；ωCV、ωCI是電壓、電流控制器的截止頻率。

3　仿真結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述控制方法的有效性，基于MATLAB/Simulink 軟件，搭建了如圖 1所示含有2個(gè)分布式電源的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主電路和控制系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1、表2。

表1　主電路參數(shù)

表2　控制系統(tǒng)參數(shù)

仿真時(shí)DGs逆變器的開關(guān)頻率為10 kHz，在t=0.5 s時(shí)加入電壓不平衡補(bǔ)償環(huán)節(jié)。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，電壓不平衡度(Voltage Unbalance Factor，VUF)可定義為負(fù)序電壓分量與正序電壓分量之比，其公式如下：

(18)

采用本文提出的電壓不平衡補(bǔ)償策略，在控制策略中計(jì)算出每個(gè)DG端口的輸出電壓正負(fù)序分量的有效值，并可獲得不平衡度VUF, 其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　DGs的VUF

圖6　DG1的補(bǔ)償前后電壓波形

圖7　DG1的電流波形

設(shè)參考電壓不平衡補(bǔ)償度VUF*=1%，在t=0.5 s 時(shí)加入電壓不平衡補(bǔ)償環(huán)節(jié)，由圖5可以看出,補(bǔ)償前各個(gè) DG的電壓不平衡度大于3%，而加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)后各個(gè) DG 的電壓不平衡度有了明顯的下降，約為0.5%，由此可見電壓不平衡補(bǔ)償?shù)男Ч^好。但由于在正負(fù)序分離的計(jì)算中有誤差，故電壓不平衡并未完全消除。

圖8　功率補(bǔ)償比較

DG1端點(diǎn)補(bǔ)償前后的電壓波形如圖6所示，可以看出由于a、b相所加不平衡負(fù)載，導(dǎo)致DG1三相電壓不平衡，但在t=0.5 s,應(yīng)用本文所提出的不平衡補(bǔ)償方法后，使的補(bǔ)償后三相電壓平衡(DG2類同)。DG1端點(diǎn)補(bǔ)償前后的電流波形如圖7所示，可以看出，由于所加不平衡負(fù)載的原因，a相與b相的電流基本相等而c相的電流接近于零。不平衡的負(fù)載電流導(dǎo)致了電壓的不平衡，加入不平衡補(bǔ)償環(huán)節(jié)之后，三相電流整體有所增加，但c相電流增加的較為明顯，減小了電流不平衡，從而減小了電壓不平衡。

為了進(jìn)一步說明補(bǔ)償效果，其補(bǔ)償前后輸出功率波形如圖8所示，可以看出，在t=0.5 s 時(shí)加入不平衡補(bǔ)償環(huán)節(jié)，由于對(duì)不平衡電壓、電流進(jìn)行了補(bǔ)償，負(fù)序電壓電流減小，從而使得負(fù)序無功功率有明顯的下降；同樣，正序電壓電流通過補(bǔ)償?shù)靡蕴岣?，使得正序功率也相?yīng)的有所提高，即有功功率得到補(bǔ)償。以上結(jié)果表明，所提出控制方法能有效地進(jìn)行電壓不平衡補(bǔ)償，且動(dòng)態(tài)性能良好。

4　結(jié)束語

本文對(duì)微電網(wǎng)接不平衡負(fù)載所造成的電壓不平衡問題進(jìn)行了研究，提出了基于αβ靜止坐標(biāo)系的一種微電網(wǎng)多逆變器不平衡補(bǔ)償方法，運(yùn)用不平衡補(bǔ)償方法對(duì)DG1和DG2端的電壓、電流進(jìn)行補(bǔ)償。通過仿真可以看出，該方法能有效的補(bǔ)償微電網(wǎng)不平衡電壓，動(dòng)態(tài)性能良好。最后仿真驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。但是，本文所提出來的方法僅討論了帶線性負(fù)載所造成的電壓不平衡問題，對(duì)于接入非線性負(fù)載的情況還有待進(jìn)一步深入研究。

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A Research on Voltage Unbalance Control Strategy for Island Micro-grids

ZHOU Hu1, LI Shun-fu2, WU Li-zheng3, YANG Xu-sheng3

(1.Gansu Electric Power Corporation, Lanzhou Gansu 730030, China; 2.State Grid Gansu Electric Power Co. Jinchang Power Supply Co., Jinchang Gansu 737100, China;3.College of Electrical and Information Engineering. Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050, China)

Along with expansion of micro-grid scale, load unbalance in the micro-grid leads to voltage unbalance in the micro-grid. This paper presents a method for compensating voltage unbalance of the low-voltage micro-grid in the case of the αβ coordinate system. This method includes an improved droop control for enabling the micro-source inverter to improve its power distribution according to actual local configuration, as well as a voltage unbalance compensation component for coordinating active and reactive powers of the distributed generators (DG) in their automatic compensation of voltage unbalance in the micro-grid. Furthermore, a virtual impedance loop is added for flexible control of the equivalent output impedance of the inverse micro-source. In the voltage-current loop, quasi-proportional-resonant control is adopted to realize a floating control over voltage and current. Finally, simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

micro-grid;voltage unbalance degree; droop control; quasi-proportional resonant control; virtual impedance loop

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(No. 51467009)；蘭州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No. 2014-1-162)，國網(wǎng)科技計(jì)劃項(xiàng)目(14-JS-188)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.023

TM712

A

1000-3886(2016)02-0072-04

周虎(1973-)男,甘肅蘭州人,碩士,高級(jí)工程師;電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制分布式發(fā)電及微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制。

定稿日期: 2015-03-20