四橋臂電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器及其在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

李彥林，王明彥

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及其自動化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001；2.黑龍江東方學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150086）

隨著新能源的發(fā)展，尤其是風(fēng)電和太陽能發(fā)電的接入，使得電力系統(tǒng)日趨復(fù)雜，一種趨勢是分布式發(fā)電裝置和負(fù)荷大量地以微網(wǎng)形式接入配電網(wǎng)。處于配電網(wǎng)末端的負(fù)載，如微電網(wǎng)，其與配電網(wǎng)的公共連接點（PCC）的電壓易受配電網(wǎng)電壓暫態(tài)跌落、驟升、瞬間中斷、不平衡及諧波等擾動的影響產(chǎn)生波動，使微電網(wǎng)內(nèi)微電源及用電負(fù)荷不能穩(wěn)定工作，甚至損壞。因此對系統(tǒng)電壓閃變等問題治理的同時，電壓驟升、不對稱分量和諧波補償也逐漸成為補償要求[1-4]。

目前最常用的改善電壓質(zhì)量的有效裝置是電壓源型動態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）[5]。為補償持續(xù)電壓跌落提供有功功率常需要配有儲能裝置，文獻(xiàn)[6-8]分別提出采用超級電容器和飛輪儲能的DVR，用于解決電網(wǎng)電壓跌落。然而這些DVR多以補償電壓跌落為主，很少同時考慮對輸出電壓的跌落、驟升、不平衡、諧波等波形畸變補償。

傳統(tǒng)DVR常用控制方法主要采用電壓外環(huán)比例積分（PI）控制，電流內(nèi)環(huán)比例（P）控制的雙環(huán)反饋控制策略，該策略具有較好的穩(wěn)定性和動態(tài)性能[8-9]。但在配電網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡分量和諧波時，僅使用單個PI控制無法實現(xiàn)補償量的精確跟蹤，需要對系統(tǒng)電壓的基波和各次諧波正負(fù)序分量分別提取并進(jìn)行分序控制，特別是配電網(wǎng)采用四線聯(lián)接存在零序分量，還需對零序分量進(jìn)行控制，建立正、負(fù)、零序dq坐標(biāo)系PI控制器，對正序、負(fù)序、零序分量分別進(jìn)行控制。上述分序控制方法能實現(xiàn)電壓精確補償控制，但分序提取需多次坐標(biāo)變換采用低通濾波器，且計算量大，影響系統(tǒng)動態(tài)性能。

為解決并網(wǎng)運行時配電網(wǎng)電壓質(zhì)量惡化對微電網(wǎng)的影響，本文在分析一種新型諧振控制的基礎(chǔ)上，提出能同時補償配電網(wǎng)電壓跌落、驟升、不平衡、諧波等電壓質(zhì)量問題的四橋臂電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Voltage Quality Regulator，VQR）補償配電網(wǎng)電壓擾動。針對電網(wǎng)電壓暫降、驟升、電壓不平衡和諧波等工況進(jìn)行仿真了驗證，結(jié)果表明該方法實現(xiàn)了電壓質(zhì)量的綜合補償。

1 四橋臂VQR結(jié)構(gòu)及補償分析

圖1是本文建立的VQR結(jié)構(gòu)，串接在微網(wǎng)與低壓配電網(wǎng)之間的PCC處，由配電網(wǎng)為微電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐。

圖1 VQR結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the VQR

圖1 主要包括直流超級電容（SC）儲能，濾波電感Lb，DC-DC變換器，直流側(cè)電容Cb；三相四橋臂變流器（VSC），LC濾波器（Lvsc，C）；旁路功率半導(dǎo)體開關(guān)S，并網(wǎng)功率開關(guān)Spcc；udc為直流電壓，io為直流側(cè)電流。其中四橋臂VSC是在三相三線VSC的基礎(chǔ)上增加一個橋臂，用來直接控制中性點電壓，解決零序電壓不平衡，第四橋臂的增加使得控制更加靈活，但并未增加控制的復(fù)雜性。

當(dāng)三相四線連接的微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間無隔離或采用有中線Y-Y變壓器隔離方式聯(lián)接（本文中采用無隔離方式聯(lián)接），配電網(wǎng)存在電壓跌落、驟升、不平衡和諧波質(zhì)量問題時，電壓中包含正序、負(fù)序、零序分量，如式（1）所示。

式中，Ui、φi（i=P，N，Z）代表正序、負(fù)序、零序電壓的幅值和初相位。因此需要采用四橋臂VQR實現(xiàn)對正序、負(fù)序、零序電壓控制，電網(wǎng)電壓存在諧波時VQR還應(yīng)具有諧波抑制功能。所以VQR補償目標(biāo)為：對跌落和驟升電壓基波正序分量補償差值，對不平衡基波負(fù)序、零序及諧波電壓產(chǎn)生相反電壓抵消。

2 一種新型諧振控制

VQR輸出電壓要求有很好動態(tài)、靜態(tài)性能，應(yīng)充分考慮配電網(wǎng)的擾動，實現(xiàn)對配電網(wǎng)電壓跌落、驟升、不平衡、諧波的補償，常用的PI控制器難以達(dá)到理想的控制效果。

以貫徹實施《蘇南國家自主創(chuàng)新示范區(qū)條例》為契機，結(jié)合落實中關(guān)村創(chuàng)新政策，省科技創(chuàng)新40條、科技改革30條、人才新政26條、知識產(chǎn)權(quán)18條等政策，研究制定相關(guān)配套措施，著力破解體制性障礙，完善以市場為導(dǎo)向的科技投入機制，健全科技資源共享和成果轉(zhuǎn)化機制，營造最優(yōu)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)生態(tài)，最大限度釋放各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)主體活力。定期開展創(chuàng)新載體評估，樹立一批創(chuàng)新標(biāo)桿，宣傳一批創(chuàng)新典型，充分發(fā)揮創(chuàng)新標(biāo)桿在蘇南自創(chuàng)區(qū)建設(shè)中的示范效應(yīng)和引領(lǐng)帶動作用，更好地營造蘇南自創(chuàng)區(qū)建設(shè)的良好氛圍，在蘇南自創(chuàng)區(qū)加快形成各類創(chuàng)新載體建設(shè)比學(xué)趕超、爭先進(jìn)位的良好局面。

本文采用能夠在靜止坐標(biāo)系下對交流信號進(jìn)行無靜差調(diào)節(jié)的新型諧振控制器，在矢量比例積分（Vector Proportional-Integral，VPI）控制的基礎(chǔ)上（見參考文獻(xiàn)[11]），增加比例控制P，由P與VPI綜合組成比例矢量比例積分控制（PVPI），本質(zhì)上該控制器基于內(nèi)模原理實現(xiàn)[12]。新的PVPI控制（見式（3））無需多次旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，不存在耦合項，易于實現(xiàn)低次諧波補償。

VPI控制傳遞函數(shù)如式（2）所示，Kp、Ki為比例和積分系數(shù)，ω為諧振頻率。

由式（3）可見，PVPI控制由于比例項Kp0的加入使動態(tài)性能可以獨立調(diào)節(jié)，改善了PVPI控制VQR的動態(tài)性能。

PVPI控制在50 Hz特定頻率下的幅頻相頻特性如圖2所示，開環(huán)增益趨近于無窮大，理論上在諧振頻率處實現(xiàn)了零穩(wěn)態(tài)誤差，既保留了VPI控制在諧振頻率處增益趨近無窮大的選頻特性，同時可以通過調(diào)節(jié)控制器的比例項，改善動態(tài)性能。

圖2 PVPI控制波特圖Fig.2 Bode diagram of PVPI control

3 基于PVPI控制的VQR控制策略

建立在αβ0靜止坐標(biāo)系內(nèi)的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)由變流器控制和超級電容控制兩部分組成。VSC輸出補償電壓對PCC電壓進(jìn)行完全補償。系統(tǒng)功率變化會導(dǎo)致直流母線電壓波動，通過DC-DC控制超級電容快速充放電來維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

3.1 VSC控制

VSC控制采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略。配電網(wǎng)電壓經(jīng)過Cabc-αβ0坐標(biāo)變換，提取正序基波電壓合成包含電壓基波正序、負(fù)序、零序及諧波分量的補償電壓，將給定的電網(wǎng)電壓參考基準(zhǔn)分量減去補償電壓作為電壓環(huán)參考值。電壓外環(huán)采用PVPI控制，電流內(nèi)環(huán)采用比例控制P，電流環(huán)輸出無需再進(jìn)行坐標(biāo)變換即可作為三維空間矢量脈寬調(diào)制（Three-Dimensional Space Vector Pulse Width Modulation Algorithm，3D-SVPWM）的調(diào)制信號，實現(xiàn)對四橋臂電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器的有效控制。

利用設(shè)定的電網(wǎng)電壓參考基準(zhǔn)uref減去補償電壓usys，得到的所有分量作為VSC參考信號。補償信號usys實現(xiàn)過程如圖3所示，電壓usys包括跌落后基波正序分量、待補償?shù)幕ㄘ?fù)序、零序分量以及各次諧波分量。

為獲得電壓usys，首先在靜止αβ坐標(biāo)系內(nèi)檢測出基波正序電壓，在配電網(wǎng)電壓不平衡且含有諧波的情況下，采用圖4所示方法進(jìn)行正序基波檢測。圖中，ω0為諧振頻率；ωc為截至頻率；K為比例系數(shù)，文獻(xiàn)[13]證明圖4方法具有正序基波提取功能，其輸壓usys為

圖3 補償電壓計算Fig.3 Calculating of compensation voltage

圖4 基波檢測Fig.4 Fundamental wave extraction

由第2節(jié)分析可知PVPI控制具有頻率選擇特性，可以實現(xiàn)對指定次電壓指令信號的零誤差跟蹤。系統(tǒng)的控制框圖如圖5所示，圖中VQR輸出電壓uvsc、電感電流iLvsc經(jīng)過Clarke變換為uvscαβ0、iLvscαβ0作為電壓和電流反饋。

圖5 VSC控制框圖Fig.5 Block diagram of VSC control

3.2 DC-DC控制

SC儲能系統(tǒng)通過雙向直流變換器與直流母線相連，當(dāng)超級電容充電時構(gòu)成降壓電路實現(xiàn)充電，當(dāng)超級電容器放電時構(gòu)成升壓電路實現(xiàn)放電。

為使直流母線電壓保持在給定的電壓值，SC儲能系統(tǒng)采用電感電流isc內(nèi)環(huán)直流電壓udc外環(huán)控制，外環(huán)采用PI控制器，內(nèi)環(huán)采用比例控制器P，Kpwm是DC/DC變換器等效增益。控制結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 DC/DC控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of DC/DC control system

SC的端電壓Usc過高會影響使用壽命，而其端電壓過低又會導(dǎo)致輸出功率時電流過大而引起過熱，為避免SC的過度充放電需要對端電壓控制使其工作電壓保持在一定范圍之內(nèi)，采用文獻(xiàn)[14]方法對充放電進(jìn)行控制。

4 仿真分析

為了驗證分析結(jié)果在MATLAB/SIMULINK下建立下圖7仿真模型對VQR在微電網(wǎng)中應(yīng)用進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)如下：配電網(wǎng)電壓Us=380 V/220 V，微電源DG1、DG2額定功率Pdg1=Pdg2=15 kW，DG3、DG4額定功率Pdg3=Pdg4=6 kW；重要負(fù)荷三相有功功率PL=5 kW，無功功率QL=2 kV·A；普通三相負(fù)荷R11=R12=R13=100Ω，L11=L12=L13=3 mH，線路阻抗Zx=0.642+j0.101（x=1，2，3，s），超級電容（SC）組為1 320 F。

圖7 串聯(lián)VQR的微電網(wǎng)Fig.7 Micro-grid structure with the VQR

4.1 短時電壓跌落及驟升補償

圖8 是電源電壓幅度在0.1~0.2 s發(fā)生短時平衡跌落，跌落至10%的補償結(jié)果。圖8（a）為配電網(wǎng)側(cè)電壓，圖8（b）為微電網(wǎng)側(cè)電壓。圖9是電源電壓幅度在0.1~0.2 s發(fā)生短時平衡驟升，驟升50%后的補償結(jié)果。圖9（a）為配電網(wǎng)側(cè)電壓，圖9（b）為微電網(wǎng)側(cè)電壓。對比可以看出，采用基于多諧振PVPI控制的VQR實現(xiàn)了補償配電網(wǎng)的電壓跌落和驟升。

圖8 電壓跌落補償Fig.8 Results of compensation for voltage sags

圖9 電壓驟升Fig.9 Results of compensation for voltage swell

配電網(wǎng)常發(fā)生單相不平衡跌落，圖10是a相電壓跌落至0的仿真波形，可以看出0.1 s發(fā)生跌落持續(xù)到0.3 s恢復(fù)。跌落發(fā)生后啟動VQR對電網(wǎng)電壓完全補償，補償后微電網(wǎng)側(cè)電壓基本不變。

4.2 短時電壓諧波補償

圖11是配電網(wǎng)電壓存在諧波（THD=8.5%）條件下仿真結(jié)果，經(jīng)過VQR補償后微電網(wǎng)電壓諧波降低為THD=0.6%，達(dá)到了微電網(wǎng)運行要求。

配電網(wǎng)電壓諧波經(jīng)常與電壓故障同時發(fā)生，圖12為配電網(wǎng)端電壓在0.1～0.3 s有電壓幅值不平衡跌落，并且存在3次、5次、7次、9次和11次諧波分量，對比配電網(wǎng)側(cè)電壓和微電網(wǎng)側(cè)電壓可以看出，VQR啟動后起到了顯著的補償效果，可以同時補償電網(wǎng)電壓諧波和短時跌落。

圖10 單相不平衡跌落補償Fig.10 Result of compensation for unbalanced singlephase voltage sags

圖11 電壓諧波畸變Fig.11 Results of compensation for voltage harmonics

圖12 電壓跌落伴隨諧波Fig.12 Results of compensation for voltagesags and harmonics

從以上驗證結(jié)果可以看出，基于PVPI控制的四橋臂VQR雙環(huán)控制策略可以實現(xiàn)對配電網(wǎng)電壓擾動有效補償，從而在電網(wǎng)電壓存在擾動情況下確保微電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種串聯(lián)于低壓配電網(wǎng)和微電網(wǎng)PCC處，采用三相四橋臂結(jié)構(gòu)的電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)器。提出了基于多諧振PVPI控制器的VQR控制策略，實現(xiàn)了對電壓跌落、驟升的補償和對電壓不平衡負(fù)序、零序以及諧波分量的抑制。VQR在微電網(wǎng)中的應(yīng)用提高了配電網(wǎng)電壓擾動時微電網(wǎng)故障穿越能力，此外還可以對配電網(wǎng)內(nèi)其他負(fù)載電壓擾動進(jìn)行綜合補償，具有一定應(yīng)用前景。

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