雷敏

(中國船舶重工集團(tuán)第七一○研究所，湖北 宜昌 443002)

基于智能微網(wǎng)PCS系統(tǒng)功率不平衡補(bǔ)償研究

雷敏

(中國船舶重工集團(tuán)第七一○研究所，湖北 宜昌 443002)

三相負(fù)載不平衡對微網(wǎng)并網(wǎng)具有許多不利影響。本文選取了智能微電網(wǎng)作為研究平臺，引入了PCS的雙同步旋轉(zhuǎn)系的矢量計算方法，將電流矢量分解成正序和負(fù)序的d、q四個矢量，經(jīng)過4個PI控制器進(jìn)行無差控制，最后在MATLAB軟件仿真中，利用這種方法在三相對稱或不對稱電壓下，載入不平衡負(fù)載的3種情況想進(jìn)行仿真，實驗的結(jié)果一致表明：PCS的引入的確能夠?qū)θ嗖黄胶庵蟮墓β士刂凭哂袃?yōu)化平衡的作用。

智能微網(wǎng);dq矢量;三相不平衡

1 引言

近年來傳統(tǒng)的大電網(wǎng)在能源利用、環(huán)境保護(hù)等方面臨了巨大的挑戰(zhàn)，而且也不得不面對人們用電量逐年大幅度遞增，因此電力系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越大，帶來的問題就是運(yùn)行的難度越來越大，運(yùn)行成本越來越昂貴。有光伏、風(fēng)能、火電機(jī)組、儲能電池多種能源組成分布式發(fā)電能源組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)在能源的使用效率、改善電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能減排等方面具有明顯的優(yōu)勢。但是風(fēng)能、光伏發(fā)電具有間歇性和波動性等特點，如果直接并網(wǎng)，會對電網(wǎng)的頻率和電壓的波形產(chǎn)生影響，為了解決這個問題，人們就選用在微網(wǎng)發(fā)電中引入蓄電池組，蓄電池組能夠暫存光伏和風(fēng)能產(chǎn)生的能量[1-2]。但是實際運(yùn)行的微電網(wǎng)的容量受到各種因素的影響，不可能將功率做的很大，當(dāng)微電網(wǎng)和電網(wǎng)并網(wǎng)的時候，如果出現(xiàn)三相功率不平衡，那么微電網(wǎng)系統(tǒng)受的影響會更加嚴(yán)重。因此怎樣的優(yōu)化三相負(fù)載不平衡具有重要意義。

2 基于PCS三相電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及不平衡系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)不平衡的概述

不平衡系統(tǒng)是相對平衡系統(tǒng)而言的，系統(tǒng)平衡主要是表現(xiàn)在三相的電壓幅值相等且相序相差120度。在實際的配電系統(tǒng)中完全平衡幾乎是不可能的。三相負(fù)載不平衡時，當(dāng)某一相的負(fù)載消耗遠(yuǎn)大于其他相的時候，那么這一相的電壓會降低，從而三相系統(tǒng)不平衡就出現(xiàn)了。三相負(fù)載的不平衡主要來源是一方面單個用戶的負(fù)載增加的容量不可控，另一方面主要是單相負(fù)載工作時間的不確定性，對于智能微電網(wǎng)的原因還可能來自于光伏發(fā)電系統(tǒng)不平衡。系統(tǒng)不平衡造成的危害主要表現(xiàn)在：(1)降低了配電變壓器的可利用率。配電變壓器的單相的最大功率一般都是考慮單相最大負(fù)載功率來設(shè)計的，因此另外兩相的負(fù)載功率明顯會出現(xiàn)剩余容量，所以變壓器的可利用率下降。(2)縮短變壓器的正常使用壽命。對于三相四線的變壓器，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載不平衡的時候，零線中將有電流流過，電流產(chǎn)生磁通，造成電能的損耗，溫度也會升高，影響內(nèi)部絕緣老化。(3)造成變壓器的中性點偏移。三相負(fù)載不平衡會產(chǎn)生零序電動勢。供電電壓就不平衡，因此中性點會偏移[3]。

2.2 PCS三相電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 PCS三相電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

實際上PCS實際上就是儲能變流器，可以把它理解為一個能量可以在直流和交流側(cè)雙向流動的AC/DC變換器，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中它可以實現(xiàn)無功功率補(bǔ)償，抑制電網(wǎng)功率不平衡，削峰填谷的功能[4]。圖1是本文研究的PCS三相電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，為電網(wǎng)側(cè)三相電，為直流側(cè)電容的電壓，和分別是交流側(cè)濾波電容和直流側(cè)的母線電容。分別為橋臂電流，電網(wǎng)電流和電容電流。

2.3 PCS補(bǔ)償電網(wǎng)功率不平衡理論分析

為了更加好的敘述PCS在不平衡系統(tǒng)中的作用，我們以現(xiàn)實生活中的電力系統(tǒng)中負(fù)載不平衡現(xiàn)象作用研究對象，然后對其進(jìn)行等效簡化，可以得到如圖2的等效示意圖。

如果沒有PCS系統(tǒng)的存在，通過分析可得電網(wǎng)的電流值此時是恒等于負(fù)載側(cè)的電流值的，所以電網(wǎng)容易出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。為了簡化模型，假設(shè)電網(wǎng)三相等效阻抗都是相等，所以電網(wǎng)端口的輸出電壓理論幅值應(yīng)該就是相同，由于在不同的路徑傳輸，它們的電流是存在差異的，所以負(fù)載并網(wǎng)點的電壓就很容易出現(xiàn)不平衡的。

圖2 PCS 補(bǔ)償電網(wǎng)不平衡等效示意圖

當(dāng)PCS接入系統(tǒng)時，其等效示意圖如圖2所示，相對B相和C相，A相的負(fù)載較小，能量平衡的關(guān)系可以得到PCS就會從A相電網(wǎng)吸收能量；說明電網(wǎng)C相負(fù)載較大，為了滿足電網(wǎng)輸出功率的平衡，相當(dāng)于C相電網(wǎng)和PCS一起給負(fù)載提供能量。還有一種情況就是電網(wǎng)側(cè)某相的功率和對應(yīng)相負(fù)載的功率是相等的，例如圖2中的B相，因此對于PCS而言，實際上就沒有功率的傳入和傳出了，這個時候?qū)τ赑CS而言得到的一個好處就是直流側(cè)的有功損耗幾乎為零，可以很好的節(jié)約直流儲能器件的。

通過上面的分析，其實實現(xiàn)不平衡補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵就是利用PCS作為一個緩沖裝置，通過PCS和電網(wǎng)一起來對負(fù)載供電，讓PCS抵消電網(wǎng)用功功率和無功功率，然后根據(jù)實際系統(tǒng)的需要，通過對正序有功電流進(jìn)行給定，就可以在負(fù)載側(cè)得到需要的有功功率。因此接下來本系統(tǒng)的仿真實驗關(guān)鍵就是仿真研究PCS如何完全抵消電網(wǎng)的功率。

3 電網(wǎng)不平衡的PCS建模

3.1 三相系統(tǒng)不平衡PCS的數(shù)學(xué)模型

本文研究的PCS系統(tǒng)見圖1，它表示的是一個三相三線制的系統(tǒng)，所以零序分量在系統(tǒng)中沒有回路，因此系統(tǒng)中的電流矢量可以下式表示：

I=IP+IN

(1)

在式(1)中的P表示的電流的正序分量，N表示的電流的負(fù)序分量。如果系統(tǒng)中存在三相不平衡的PCS的交流側(cè)的輸入端的模型可以有公式(2)描述：

(2)

不平衡時，PCS的直流輸入端建立的模型如式(3)所示：

(3)

根據(jù)上面的分析，PCS在不平衡系統(tǒng)中正常工作的關(guān)鍵就是必須要對正序和負(fù)序相關(guān)量進(jìn)行分離，然后在分別的控制，然后在進(jìn)行疊加。

3.2 基于交叉解耦正負(fù)序分離技術(shù)

在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，當(dāng)正序分量和負(fù)序分量同時按電網(wǎng)電皮的角速度進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)，那么正序分量將會變成直流分量，而此時的負(fù)序分量則會變成2次諧波分量。可以推出的表達(dá)式：

(4)

式中的和表示正序和負(fù)序的相角。可以表示為：

φN=φN-wt

(5)

所以可以得到的表達(dá)式為：

(6)

根據(jù)上面的分析可以同理得到：

(7)

(8)

根據(jù)上式的結(jié)果進(jìn)行正負(fù)序交叉解耦的網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

其中解耦網(wǎng)絡(luò)的公式如下所示：

(9)

通過上面的操作后，網(wǎng)絡(luò)中還有少許的2次諧波的殘余，進(jìn)一步優(yōu)化，選擇LPF低通濾波器進(jìn)行濾波。由于濾波器的接入對信號的快速性和實時性有一定影響，所以本設(shè)計的控制信號選擇濾波前的信號。

圖3 正負(fù)序交叉解耦的網(wǎng)絡(luò)

4 PCS控制策略

通過上面的第3節(jié)理論分析，任意一個矢量可以在不平衡狀態(tài)下可以進(jìn)行正負(fù)序的解耦，因此在PCS在電網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行的模式下給定的電流矢量可以分解成4個部分：有功正序電流分量；有功負(fù)序電流分量；無功正序電流分量；無功負(fù)序電流分量。同理，將反饋的電流值也做上面同樣的處理，得到相應(yīng)的4個分量。將二者經(jīng)過4個PI調(diào)節(jié)器進(jìn)行無靜差控制，從而保證準(zhǔn)確快速的跟隨。為了驗證當(dāng)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)幅值不平衡的時候系統(tǒng)也能夠正常工作。同樣將不平衡的電壓也分解成四個分量，作為電圧環(huán)的給定，該控制系統(tǒng)如圖4所示[5]。

圖4 電網(wǎng)不平衡PCS控制的系統(tǒng)圖

5 PCS在功率不平衡系統(tǒng)的仿真分析

為了進(jìn)一步驗證本文敘述的方法是正確且可行的，本文選擇在MATLAB的Simulink環(huán)境下對上面的系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗證，通過示波器觀測電網(wǎng)側(cè)的電壓波形，電網(wǎng)側(cè)的電流波形以及負(fù)載側(cè)的電流波形加以驗證說明，該仿真實驗一個做了3組，分別仿真了電網(wǎng)電壓平衡且負(fù)載平衡，電網(wǎng)電壓平衡負(fù)載不平衡，電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載不平衡三種情況[6]。

5.1 電網(wǎng)電壓和負(fù)載都是平衡的仿真結(jié)果

在這一組實驗中，我們設(shè)置三相的負(fù)載值為相同值。根據(jù)2.3節(jié)的分析，這個時候?qū)嶋H上模擬的就是微電網(wǎng)孤島運(yùn)行的模式，此時PCS輸出的功率來抵消電網(wǎng)的功率，使電網(wǎng)出的功率為零，實際上負(fù)載消耗的功率是來自儲能設(shè)備。

圖5 電網(wǎng)電壓和負(fù)載都是平衡時電網(wǎng)三相電壓波形圖

圖6 電網(wǎng)電壓和負(fù)載都是平衡負(fù)載電流圖

圖5表示的電網(wǎng)側(cè)的電壓波形，圖6表示的是三相負(fù)載的電流波形。此時的PCS的輸出電流和負(fù)載電流基本保持一致的，以此電網(wǎng)側(cè)的電流應(yīng)該是幾乎為零的，從圖7中是仿真系統(tǒng)中測得的電網(wǎng)側(cè)電流，有波形圖可以得到實際上此時電網(wǎng)側(cè)的電流幾乎為零，和理論分析是一致。

圖7 電網(wǎng)電壓和負(fù)載都是平衡時電網(wǎng)的三相電流波形圖

5.2 電網(wǎng)三相電壓平衡負(fù)載三相不平衡仿真結(jié)果

在第二組實驗中，此時設(shè)置三相負(fù)載各不相同,設(shè)置B相、A相、C相負(fù)載依次減小，此時PCS輸出的功率還是抵消電網(wǎng)的功率，所以理論分析電網(wǎng)側(cè)的功率應(yīng)該也是為0的。圖8和圖9表示的是電網(wǎng)三相電壓平衡負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相平衡電壓波形圖和不平衡負(fù)載電流波形圖。圖10電網(wǎng)三相電壓平衡負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖，從圖上可以看出此時電網(wǎng)電流同樣幾乎為零。

圖8 電網(wǎng)三相電壓平衡負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相平衡電壓波形圖

圖9 電網(wǎng)三相電壓平衡負(fù)載三相不平衡時負(fù)載電流波形圖

圖10 電網(wǎng)三相電壓平衡負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖

5.3 電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載三相不平衡仿真結(jié)果

第三組實驗設(shè)置電網(wǎng)電壓不平衡，且負(fù)載不平衡，由于此時電網(wǎng)電壓也是不平衡的，因此要將電網(wǎng)采樣電壓矢量在雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行交叉解耦的結(jié)果作為電壓環(huán)的給定，如此同時，電流也進(jìn)行解耦和無靜差調(diào)節(jié)控制，保證電流輸出的精確性。如圖11和圖12分別表示的電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相不平衡電壓波形圖和三相負(fù)載電流波形圖，圖13表示的電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖。從圖上可以看出，此時電網(wǎng)電流仍然幾乎為零，再次證明了PCS在不平衡系統(tǒng)中的控制是精確的、可實施的。

圖11 電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相不平衡電壓波形圖

圖12 電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載三相不平衡時三相負(fù)載電流波形圖

圖13 電網(wǎng)電壓不平衡且負(fù)載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖

6 總結(jié)

智能微網(wǎng)越來越成為一個新的研究熱點，容量小的特點使它在并網(wǎng)的時候，電網(wǎng)三相功率不平衡對其影響比較嚴(yán)重。本文選取智能電網(wǎng)中PCS作為研究的切入點，總結(jié)了微網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)三相不平衡的主要原因，描述了三相負(fù)載不平衡帶來的危害。然后提出了PCS在基于雙向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的矢量計算方法。將一個電流或電壓矢量分解成正負(fù)序的dq四個分量，進(jìn)而對負(fù)序的不平衡分量單獨(dú)進(jìn)行無差控制。仿真結(jié)果表明了這種矢量分解的正確性以及實用性，其次PCS系統(tǒng)的接入可以使三相電壓平衡或不平衡的電網(wǎng)，在加入不平衡負(fù)載之后功率變得平衡了，顯現(xiàn)出了PCS在不平衡系統(tǒng)中的作用。

[1] 蘇玲，張建華，王利.微網(wǎng)相關(guān)問題及技術(shù)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010,38(19):235-239.

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Research on Unbalance Compensatin of PCS System Power Based on Smart Microgrid

LEI Min

(China Shipbuilding Industry Corporation 710 Research Institute,Yichang 443002,China)

Unbalanced three-phase load has many adverse effects on micro grid connected to grid.This paper selects the smart micro grid as a research platform,the introduction of the PCs double synchronous rotating reference frame vector calculation method and the current vector is decomposed into positive sequence and negative sequence D and Q four vector,after four PI controller without difference control.Finally,in the MATLAB software simulation using this method in three-phase symmetric or asymmetric voltage and load unbalanced load of the three kinds of situations to simulation and experimental results consistently show that:PCS introduced can indeed power control of three-phase imbalance is the balance optimization.

smart microgrid;vector DQ;three phase unbalance

1004-289X(2017)01-0031-05

TM71

B

2016-08-05

雷敏(1981-)，男，湖北天門人，研究生，研究方向為船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計制造。