朱世欣，包繼剛，王維斌

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

微電網(wǎng)電壓質(zhì)量控制方法研究

朱世欣，包繼剛，王維斌

（蘭州理工大學(xué)技術(shù)工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

由于微電網(wǎng)中不平衡負(fù)載的影響，使得微電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡。針對(duì)這類(lèi)問(wèn)題，在dq坐標(biāo)系下對(duì)低壓微電網(wǎng)電壓不平衡進(jìn)行研究，并提出了相應(yīng)的補(bǔ)償方法。該方法采用加虛擬阻抗的下垂控制器來(lái)靈活準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)分布式電源的功率分配；通過(guò)電壓不平衡補(bǔ)償，使得分布式電源輸出穩(wěn)定的負(fù)荷電壓從而自動(dòng)補(bǔ)償微電網(wǎng)的不平衡電壓；而電壓電流環(huán)對(duì)下垂控制中所給定的參考信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確的跟蹤，提高輸出電能質(zhì)量，進(jìn)一步提升整個(gè)控制系統(tǒng)的性能。最后通過(guò)仿真結(jié)果證明了所提控制策略的可實(shí)現(xiàn)性和有效性。

微電網(wǎng)；電壓不平衡度；下垂控制；虛擬阻抗環(huán)

隨著世界傳統(tǒng)能源逐漸枯竭，能源危機(jī)日漸嚴(yán)重，以新能源為支撐的微電網(wǎng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生。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]。

但在低壓微電網(wǎng)中，由于三相負(fù)荷不對(duì)稱普遍存在，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。當(dāng)公共連接點(diǎn)（point of common coupling，PCC）電壓存在嚴(yán)重不平衡時(shí)，甚至?xí)绊懜袘?yīng)電機(jī)、電力電子變換裝置等的正常工作。對(duì)此，國(guó)際電工委員會(huì)明確規(guī)定電力系統(tǒng)中電壓不平衡度應(yīng)限制在2%以內(nèi)[3]。我國(guó)電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)PCC正常電壓不平衡度允許值為2%，短時(shí)不超過(guò)4%[4]。因此，研究微電網(wǎng)電壓不平衡補(bǔ)償迫在眉睫。

當(dāng)微電網(wǎng)中含有非線性或不平衡等負(fù)荷時(shí)，分布式電源（distributed generators，DG）必須采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，以消除本地非線性不平衡負(fù)荷對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)部和對(duì)配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[5-6]中針對(duì)公共電網(wǎng)電壓不平衡和電網(wǎng)故障時(shí)的限流要求，分別設(shè)計(jì)了三相三線制和三相四線制微電網(wǎng)的電能直流補(bǔ)償接口。該并網(wǎng)接口方案由一個(gè)并聯(lián)逆變器和一個(gè)串聯(lián)逆變器組合而成，有效消除了大電網(wǎng)電壓不平衡引起的聯(lián)絡(luò)線負(fù)序電流，并通過(guò)串聯(lián)逆變器限制了大電網(wǎng)電壓驟降時(shí)微電網(wǎng)的輸出電流。文獻(xiàn)[7]研究了每個(gè)DG帶都有不平衡和非線性負(fù)載的微電網(wǎng)電能質(zhì)量補(bǔ)償控制，根據(jù)DG額定功率和本地負(fù)荷需求大小的比較，提出了給定功率參考值時(shí)DG的補(bǔ)償電流算法。該算法基于abc坐標(biāo)系的瞬時(shí)功率理論，但未考慮DG在孤島和并網(wǎng)模式切換時(shí)與其他電源的功率分配問(wèn)題及電壓諧波對(duì)補(bǔ)償性能的影響[8-9]。

本文主要針對(duì)三相電壓型逆變器進(jìn)行研究，提出一種dq坐標(biāo)系下的低壓微電網(wǎng)逆變器并聯(lián)三相電壓不平衡補(bǔ)償方法，通過(guò)下垂控制器并加入虛擬阻抗環(huán)，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)對(duì)下垂控制中所給定的參考信號(hào)起跟蹤作用。準(zhǔn)確地跟蹤電壓和電流，提高輸出電能質(zhì)量，進(jìn)一步提升整個(gè)控制系統(tǒng)的性能，最后通過(guò)三電平SPWM進(jìn)行調(diào)制。

1 三相逆變器并聯(lián)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PCC點(diǎn)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Fig.1 The structure of two parallel DG microgrids

圖2為電壓不平衡補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)圖，圖示對(duì)DG輸出電壓進(jìn)行正負(fù)序分離，得到的量進(jìn)行電壓不平衡補(bǔ)償計(jì)算；輸出的電壓、電流通過(guò)功率模塊，得到P/Q，通過(guò)下垂控制器最后合成所需的參考電壓信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)電壓、電流環(huán)雙環(huán)的調(diào)節(jié)合成脈沖信號(hào)送入逆變器中。

圖2 電壓不平衡補(bǔ)償控制結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of the voltage unbalance compensation control

1.1 功率計(jì)算

三相電路的相電壓和相電流分別為usa、usb、usc和ia、ib、ic先將其轉(zhuǎn)換到αβ坐標(biāo)系下，由變換可得該坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電壓和電流分別為：

其中，

在dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，將d軸看作復(fù)平面的實(shí)軸，q軸看作復(fù)平面虛軸，此時(shí)電壓和電流表示如下：

根據(jù)復(fù)數(shù)下的功率[10]定義有：

1.2 下垂控制

對(duì)于傳統(tǒng)的下垂控制，單個(gè)DG輸出的基波正序有功功率和無(wú)功功率為[11]：

式中：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(wú)功為：

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(wú)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(guò)調(diào)節(jié)有功功率來(lái)改變輸出角頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電壓相角差的控制。通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功功率來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓幅值的控制，其下垂控制式（12）和式（13）所示。

式中：E*，φ*為參考電壓幅值、參考電壓相角；kp為下垂有功比例系數(shù)；kq為無(wú)功比例系數(shù)；ω0，E0分別為額定角頻率和額定電壓幅值。通過(guò)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，而且各分布式逆變器之間可以實(shí)現(xiàn)有功、無(wú)功的精確分配分配。

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(wú)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(wú)功/電壓下垂曲線也有類(lèi)似的下垂規(guī)律。

圖3 下垂控制原理Fig.3 The principle of the droop control

通過(guò)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(wú)功較為精確的分配。

1.3 電壓電流環(huán)控制

圖4為基于dq坐標(biāo)系下的電壓、電流環(huán)控制，其中u*sdq、i*Ldq、ddq分別是功率下垂控制[12]的參考電壓、電壓環(huán)參考電流、PWM占空比，由圖4可得電壓、電流環(huán)閉環(huán)傳遞函數(shù)可表示為式（14）、式（15）所示：

其中，GiL（s）=kip+kii/s，Gus（s）=kvp+kvi/s。

圖4 電壓電流控制原理Fig.4 The principle of the voltage and current control

圖4電壓、電流回路可以建模為一個(gè)電源和一個(gè)阻抗的串聯(lián)形式，如圖5所示

圖5 電壓電流環(huán)控制模型Fig.5 Voltage and current loop control model

其中：

1.4 虛擬阻抗環(huán)

下垂控制只有在X?R的條件下，無(wú)功出力才主要由電壓幅值來(lái)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，用虛擬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[13]。由于虛擬阻抗是在電壓外環(huán)增加一個(gè)額外的控制回路，因此它沒(méi)有損耗，并且通過(guò)改變外電路可以改變虛擬阻抗值，能更好地根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此本文在逆變器單元中加入虛擬阻抗環(huán)節(jié)，其控制圖如圖6（a）所示。

圖6 加虛擬阻抗環(huán)的電壓電流回路Fig.6 Loop voltage and current circuits with virtual impedance added

由圖6（a）可知，加入虛擬阻抗改變了原來(lái)的電壓回路，則輸出電壓可被計(jì)算為：

Gu（s）和Zodq（s）在式（16）、式（17）中已表示。

ZD（s）為加虛擬環(huán)的總阻抗，由于加入了虛擬阻抗，電壓回路中輸出阻抗的動(dòng)態(tài)性能被影響，故圖5更替為圖6（b），此時(shí)控制參數(shù)和虛擬阻抗大小共同影響整個(gè)輸出阻抗值，等效模型如圖所示。

1.5 電壓不平衡補(bǔ)償

為了降低通信帶寬，保證通信可靠性，本文采用基于dq坐標(biāo)計(jì)算不平衡度。其中正負(fù)序提取采用如圖7所示方法，利用鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）獲得電壓角頻率ω，利用低通濾波（low-pass filters，LPFs），提取PCC點(diǎn)的正負(fù)序電壓，低通濾波器（LPFs）傳遞函數(shù)[14]如下：

式中：ωcut和ζ為濾波器的截止頻率和阻尼比；ωcut= 4π，rad/s，ζ=0.7。

圖7 電壓不平衡補(bǔ)償原理圖Fig.7 Voltage unbalance compensation schematics

電壓不平衡補(bǔ)償原理圖如圖7所示。在本文補(bǔ)償控制器中，VUF*=1%，v+和v－分別為DG逆變器輸出電壓的正序和負(fù)序分量有效值，而所得的VUF通過(guò)與設(shè)定值作比較，經(jīng)過(guò)PI控制器，最終得到UCRdq[15]如下：

式中：UCRdq為在dq坐標(biāo)系下的電壓不平衡補(bǔ)償系數(shù)，由通信網(wǎng)絡(luò)送到DGs本地控制器，作為產(chǎn)生電壓環(huán)控制參考值的補(bǔ)償。

2 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)Tab.1 Power stage parameters

表2 控制系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 Control system parameters

DGs逆變器的仿真開(kāi)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)。由文獻(xiàn)[16]，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：

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8所示。

圖8 DGs的VUFFig.8 VUF at DGs terminal

設(shè)參考電壓不平衡補(bǔ)償度VUF*=0.5%，在t=0.5 s時(shí)加入電壓不平衡補(bǔ)償環(huán)節(jié)。從圖8中可以看出，在0.5 s前由于不平衡負(fù)載的影響，DG1、DG2的電壓不平衡度大于3%，0.5 s時(shí)加入不平衡補(bǔ)償器，對(duì)DG1、DG2的不平衡電壓進(jìn)行補(bǔ)償，電壓不平衡度下降約為0.5%，證明所提補(bǔ)償策略能夠很好地補(bǔ)償電壓的不平衡。

DG1電壓補(bǔ)償前后的電壓波形如圖9所示，在a、b相加人不平衡負(fù)載，導(dǎo)致DG1三相電壓不平衡。在t=0.5 s，加入本文所提出的不平衡補(bǔ)償方法后，三相電壓得到了補(bǔ)償電壓平衡。

圖9 DG1的補(bǔ)償前后電壓波形Fig.9 The voltage waveform DG1before and after compensation

為說(shuō)明補(bǔ)償效果，其補(bǔ)償前后輸出功率波形如圖10所示，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(wú)功功率Q-有明顯的下降；正序電壓電流通過(guò)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。因?yàn)樗硬黄胶庳?fù)載為純阻性負(fù)載，所以正序無(wú)功功率Q+的值非常小，且Q+下垂控制器有效控制了DGs之間流動(dòng)的無(wú)功功率。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。

圖10 功率補(bǔ)償Fig.10 Power compensation

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)微源接不平衡線性負(fù)載所造成的電壓不平衡問(wèn)題進(jìn)行了控制研究，提出dq坐標(biāo)系下的一種微電網(wǎng)多逆變器不平衡補(bǔ)償方法，通過(guò)不平衡補(bǔ)償方法對(duì)DG的端電壓、端電流進(jìn)行了補(bǔ)償。從仿真中可以看出，該方法能有效地補(bǔ)償微電網(wǎng)電壓的不平衡。最后仿真驗(yàn)證了該方法的正確性和有效性。

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（編輯 馮露）

Research on Voltage Quality Control Strategy in Microgrids

ZHU Shixin，BAO Jigang，WANG Weibin
（College of Technology and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China）

Unbalanced load leads to voltage unbalance in microgrids.For this type of problem，this paper studies the voltage imbalance of the low-voltage microgrid in the dq coordinate system，and puts forward the corresponding compensation method.This method uses the droop controller with virtual impedance to realize the flexible and accurate implementation of power distribution of the distributed generators；and through the voltage unbalance compensation，the distributed generators is made to output stable voltage while compensate the unbalance voltage automatically；and the current and voltage control loop accurately tracks the given reference signal in the droop control to improve the output power quality，and further enhance the performance of the whole control system.Finally，the simulation results demonstrate that the proposed control strategy is both achievable and effective.

microgrid；voltage unbalance factor；droop control；virtual impedance loop

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51467009）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51467009）.

1674-3814（2016）10-0022-06

TM726

A

2016-03-29。

朱世欣（1971—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化工程等；

包繼剛（1980—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际桨l(fā)電與微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制。