何晉偉，姬忠凱，韓俊飛，郭培健

基于加權電流控制的多功能分布式電源電能質(zhì)量控制

何晉偉1，姬忠凱1，韓俊飛2，郭培健3

(1. 天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津 300072；2. 內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司內(nèi)蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；3. 天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180)

可再生能源微電網(wǎng)存在著大量的分布式電源等電力電子裝置和非線性負載，其相互影響使得諧波振蕩等電能質(zhì)量問題日趨嚴重．另外，本地負荷諧波容易和分布式電源輸出濾波器發(fā)生復雜的相互作用，若設計和實施不當容易放大諧波．為了克服以上問題同時降低諧波補償?shù)某杀荆岢隽艘环N基于加權電流無差拍控制的新型分布式電源電能質(zhì)量控制方法．首先，構建了虛擬輸出濾波器系統(tǒng)的數(shù)學模型，將LCL濾波器的三階系統(tǒng)降低為加權平均電流相應的一階虛擬電感濾波器．其次，為了滿足諧波補償對高帶寬控制器的要求，以及電流快速跟蹤響應的需求，提出了加權平均電流的無差拍控制器算法，通過該方法增加有源阻尼，以抑制濾波器振蕩．通過揭示加權平均電流和并網(wǎng)點電流的內(nèi)在關系，引入了一個諧波補償項，該方法存在本地非線性負荷的情況下，不需額外增加電流傳感器和諧波電流提取環(huán)節(jié)，即可有效補償本地負載諧波，降低并網(wǎng)電流的THD至5%以下，顯著改善并網(wǎng)點電能質(zhì)量．最后本文通過多個場景的Matlab/Simulink仿真驗證結果，當負載跳變或參考給定電流突變時，并網(wǎng)電流超調(diào)小并且快速跟蹤響應，另外驗證了當電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變時，并網(wǎng)電流不會受諧波電壓的影響，以上仿真實驗證實了該方法的適應性和有效性．

虛擬電感；無差拍控制；加權平均電流；有源阻尼；微電網(wǎng)

隨著分布式發(fā)電(distributed generation，DG)單元在中低壓配電系統(tǒng)中的滲透率不斷提高，以微電網(wǎng)形式構成的DG運行方式愈發(fā)普遍．相比于傳統(tǒng)的集中式新能源發(fā)電，中低壓分布式DG可以和配電網(wǎng)、微電網(wǎng)內(nèi)的多種類電源負荷實現(xiàn)靈活互動，以提升配電網(wǎng)、微電網(wǎng)的運行效率和性能[1-2]．如DG能夠在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)異常，如電壓跌落、電壓閃變等時，通過主動向系統(tǒng)注入無功實現(xiàn)電壓波動抑制．此外在大電網(wǎng)停電時還能主動改變運行方式實現(xiàn)電壓和頻率支撐．

一方面，微電網(wǎng)內(nèi)大量非線性負荷和電力電子裝置的使用，使得系統(tǒng)的諧波和振蕩的電能質(zhì)量問題日趨嚴重．傳統(tǒng)的解決方案是加裝有源濾波器，其在微電網(wǎng)中的應用存在著成本高、適應性差等難題[3]；另一方面，通過靈活控制分布式電源接口變流器的輸出諧波來自適應地補償本地負載諧波[4]，其控制靈活、成本低，引起了近年來國內(nèi)外學者的高度關注．然而，本地負荷諧波容易和分布式電源輸出濾波器發(fā)生復雜的相互作用，若設計和實施不當容易放大諧波，因此，亟待進一步開展研究．

針對傳統(tǒng)的分布式電源輸出濾波器的振蕩問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了多年研究．例如，通過有源阻尼和無源阻尼的方式防止諧振[5-6]，由于無源阻尼是通過濾波器支路中串并聯(lián)電阻的方式實現(xiàn)，增加了功率損耗，所以有源阻尼的方法被廣泛研究并應用．例如外加補償?shù)膯伍]環(huán)控制和雙閉環(huán)電流控制都被很好地應用[7-8]．但需要說明的是，如上研究針對于正弦波并網(wǎng)分布式電源，但對本地負載未知的情況，其適用性有待進一步驗證．

近年來，一種新型的加權平均電流控制方法在分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)中得以應用，其可以通過對加權平均電流的直接控制，來同時實現(xiàn)間接控制并網(wǎng)點電流和逆變器輸出電流的目的[9-11]．因此，可充分利用其多目標控制的潛力，來實現(xiàn)諧波補償和振蕩抑制的功能．本文提出了一種基于加權電流控制的多功能分布式電源電能質(zhì)量控制方法，首先建立了分布式電源一階虛擬輸出濾波器系統(tǒng)，并分析了不同系統(tǒng)參數(shù)對電流跟蹤誤差的影響．其次，提出了基于一階無差拍控制的加權平均電流快速跟蹤方法．進一步分析表明，通過簡單地修改加權平均電流參考即可對LCL濾波器施加以有效的阻尼，并補償本地非線性負荷的諧波分量．本文通過對比虛擬濾波器和實際物理濾波器的參數(shù)的差異，構造出補償項并加入加權電流的參考，即可同步實現(xiàn)諧振的抑制和并網(wǎng)點電流的補償．最后，搭建了應用該方法的Matlab/Simulink仿真，驗證了各種工況下該控制策略的有效性．

1?加權平均電流控制

1.1?多功能分布式電源控制原理

圖1?分布式電源接口變流器控制框圖

為了實現(xiàn)精確的本地負荷精確地補償，首先建立該系統(tǒng)的數(shù)學模型．假設電網(wǎng)為三相對稱系統(tǒng)，故將三相簡化為單相系統(tǒng)進行分析．在基波和諧波頻率下的等效電路結構分別為圖2(a)和(b)．

圖2?單相系統(tǒng)基波和諧波等效電路

Fig.2 Fundamental and harmonic equivalent circuit of the single-phase system

其中

其中

式中：；表示線路中逆變側(cè)電感與并網(wǎng)側(cè)電感之和．從式(5)中可以看出，以加權平均電流作為控制對象，可將三階LCL濾波器系統(tǒng)降階為一階虛擬電感濾波器系統(tǒng)，應用該方法的等效電路如圖3所示．

由圖3可知加權平均電流與逆變器輸出電壓和PCC節(jié)點電壓的關系表達式為

1.2?誤差分析

1.2.1?與并網(wǎng)電流的誤差

根據(jù)基爾霍夫電流定律，圖2電流關系為

圖4?本地負荷變化時的電流偏差率

由圖4可見，當加權平均電流參考電流為50A、負載35kV·A時，隨著負荷負載率增加，并網(wǎng)點和加權平均電流的偏差率變大．本地非線性負載越大，存在的偏差就越大．以加權平均電流作為控制對象無法保證并網(wǎng)電流的大小，無法精準地控制功率．

1.2.2?參數(shù)匹配問題

圖5?濾波器參數(shù)變化時的開環(huán)傳遞函數(shù)伯德圖

2?改進的諧波補償控制方法

針對傳統(tǒng)加權平均電流對參數(shù)適應性較差的局限性，和本地非線性負荷嚴重影響并網(wǎng)點電能質(zhì)量，而傳統(tǒng)逆變器難以補償?shù)臓顩r，提出了改進的諧波補償控制方法．提出了一種前饋補償?shù)幕诩訖嗥骄娏鞯臒o差拍控制器實現(xiàn)諧波補償?shù)墓δ埽?/p>

2.1?諧波電流補償器

為了減小并網(wǎng)電流受非線性負載造成的畸變，需要對非線性負載的諧波進行補償．由圖2可知

聯(lián)立式(9)，可解得

圖6?諧波電流提取框圖

圖7?諧波電流提取傳遞函數(shù)GD(s)伯德圖

2.2?改進控制器的設計

圖8?基于加權平均電流無差拍控制器的控制框圖

表1?電路和控制器參數(shù)

Tab.1?Circuit and controller parameters

然后，檢測并聯(lián)支路上非線性負載的諧波，將檢測值作為前饋項加在加權平均電流的參考上；最后基于虛擬電感的無差拍控制器的離散域模型為

特別注意的是，常用的補償方式電流調(diào)制和電路參數(shù)是相互關聯(lián)的，這些參數(shù)都在電流調(diào)制的內(nèi)環(huán)參數(shù)上有所體現(xiàn)．在該控制方式下，補償項是直接加在單環(huán)電流調(diào)制的參考給定處，因此，補償項和電流調(diào)制器可以被獨立設計．

2.3?穩(wěn)定性分析

圖9?系統(tǒng)的根軌跡(L2從標稱值150%變?yōu)?0%)

3?仿真驗證

為了驗證所提出方法諧波補償?shù)挠行院涂尚行?，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，使用表1所述的電路及控制參數(shù)．

圖10?未進行諧波補償時的系統(tǒng)響應

當采用本文提出的改進控制方式后，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應如圖11所示．電網(wǎng)電流2由未補償時THD＝22.83%降低到THD＝4.58%，電網(wǎng)電流變得高度正弦．同時由于逆變器進行了諧波補償，逆變器的輸出電流1中含有負載的諧波成分，逆變器輸出電流THD升高至22.13%；相應地，加權平均電流中含有非線性負載的諧波成分，其THD也升高至17.39%．

圖11?諧波補償以后的系統(tǒng)響應

為了驗證系統(tǒng)的動態(tài)性能跟蹤能力，在0.4s，當給定參考電流由30A增加到45A時，仿真結果如圖12所示．從圖12中可以看出，當參考電流變化時，經(jīng)過約3ms的暫態(tài)過程，電網(wǎng)電流超調(diào)小，且能夠快速地跟隨給定，動態(tài)性能良好，無沖擊電流，系統(tǒng)仍能在穩(wěn)定裕度內(nèi)運行．

另外，當負載突變時系統(tǒng)的響應如圖13所示.在0.6s時，非線性負載的電阻由30Ω變?yōu)?5Ω，負載電流增大，由于參考電流值不變，逆變器的輸出電流保持不變，故電網(wǎng)電流減小，約20ms內(nèi)電網(wǎng)電流達到穩(wěn)態(tài)．在整個負載變化的暫態(tài)過程中，分布式電源不會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，且到達新穩(wěn)態(tài)后，電網(wǎng)電流仍保持正弦．

圖12?電流參考改變時系統(tǒng)的動態(tài)響應

圖13?負載突變時系統(tǒng)響應

圖14?注入電網(wǎng)諧波電壓時系統(tǒng)響應

雖然無差拍控制器依賴電路模型，對電路參數(shù)變化較為敏感，當控制器與電路參數(shù)失配時，會出現(xiàn)電流靜差．現(xiàn)如今提出了諸多該問題的解決辦法，例如引入狀態(tài)觀測器，在線系統(tǒng)辨識等方法提高無差拍控制的參數(shù)魯棒性[6]．但此問題不作為本文的研究內(nèi)容，因此未展開敘述．

圖15?權重系數(shù)g變化時系統(tǒng)響應

4?結?語

本文針對多功能分布式電源對本地非線性負荷諧波補償?shù)囊?，以及LCL振蕩抑制的要求，同時兼顧電流動態(tài)響應快速性的要求，提出了一種改進基于加權平均電流控制的改進無差拍控制器．通過揭示加權平均電流和并網(wǎng)點電流的內(nèi)在關系，引入了一個諧波補償項，在加權平均電流高度畸變的情況下，其并網(wǎng)點電流仍保持高度正弦化，并且系統(tǒng)具有較好的魯棒性和適應性．在各種工況下的綜合驗證結果證實了該方法的有效性．

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Power Quality Control of Multifunctional Distributed Power Generation Based on Weighted Current Control

He Jinwei1，Ji Zhongkai1，Han Junfei2，Guo Peijian3

(1. Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Inner Mongolia Electric Power Research Institute of Inner Mongolia Power (Group) Co.，Ltd.，Hohhot 010020，China；3. Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China)

There are a large number of power electronics based on the distributed power generation and nonlinear loads in renewable energy microgrids. The interactions among the equipment make harmonic oscillation problems more serious. In addition，there is a complex interaction between the local load harmonics and distributed power output filters. Harmonics can easily be amplified if improperly designed and implemented. To overcome the abovementioned problems and reduce the cost of harmonic compensation，a novel power quality control method of distributed generation based on weighted current deadbeat control is proposed. First，this paper constructs a mathematical model of a virtual output filter system that can reduce the physical third-orderfilter to a single virtual inductor filter. Second，to meet the high bandwidth requirement for harmonic compensation and fast current tracking response，a deadbeat control with a weighted average current is proposed，which uses active damping for filter oscillation mitigation. By revealing the relationship between the weighted average current and grid current，a harmonic compensation item is introduced. This method can effectively compensate local load harmonics and reduce the total harmonic distortion(THD) of the grid current to less than 5% without using additional sensors and harmonic current extractions. This can significantly improve the power quality of the grid. Finally，the effectiveness and practicality of the proposed method have been verified in different scenarios by Matlab/Simulink. When the load or the reference current changes suddenly，the grid current will be less overmodulated and will quickly track the response. In addition，it is verified that when the grid voltage is distorted，the grid current will not be affected by the harmonic voltage.

virtual inductance；deadbeat control；weighted average current；active damping；microgrid

the National Key Research and Development Program of China (No.2017YFB0902000)，the Science and Technology Project of State Grid(No.SGXJ0000KXJS1700841)，the Major Science and Technology Project in Inner Mongolia Autonomous Region(No.2019ZD027).

10.11784/tdxbz202101016

TM464

A

0493-2137(2021)12-1221-09

2021-01-11；

2021-03-19.

何晉偉（1983—??），男，博士，教授. Email：m_bigm@tju.edu.cn

何晉偉，18202539408@163.com.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2017YFB0902000)；國家電網(wǎng)公司科技資助項目(SGXJ0000KXJS1700841)；內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項資助項目(2019ZD027).

(責任編輯：孫立華)