基于三電平變流器的光伏微電網(wǎng)及其控制策略研究*

宋香榮，舒 杰，張先勇，周龍華

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

基于三電平變流器的光伏微電網(wǎng)及其控制策略研究*

宋香榮，舒 杰?，張先勇，周龍華

（中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640）

孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)常常具有可再生能源發(fā)電量時(shí)變、負(fù)載時(shí)變、三相不平衡等特點(diǎn)，為解決微電網(wǎng)的電能質(zhì)量﹑ 穩(wěn)定性等問(wèn)題，本文提出適用于光伏微電網(wǎng)的三電平變流器結(jié)構(gòu)及其電壓內(nèi)環(huán)，有功功率和無(wú)功功率調(diào)節(jié)為外環(huán)的控制策略。多機(jī)幵聯(lián)運(yùn)行時(shí)，采用公共同步脈沖與均流解耦控制策略實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)全網(wǎng)范圍內(nèi)的變流器單機(jī)虛擬磁鏈的旋轉(zhuǎn)同步。仿真和實(shí)驗(yàn)都證明了控制策略簡(jiǎn)單可行，電能性能指標(biāo)比傳統(tǒng)變流器優(yōu)越，為四橋臂三電平雙向變流器的開(kāi)發(fā)提供理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

微網(wǎng)；四橋臂三電平；多機(jī)控制

0 引 言

微電網(wǎng)通常有兩種運(yùn)行模式，一種是與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行，微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的一個(gè)可控調(diào)度單元接受大電網(wǎng)的調(diào)度；另一種是基于可再生能源發(fā)電構(gòu)成孤島運(yùn)行的微電網(wǎng)，該微電網(wǎng)自成體系，具有自平衡能力，可自主運(yùn)行。從理論研究以及運(yùn)行實(shí)踐來(lái)看，孤島型光伏微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，存在如下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）光伏微電網(wǎng)中發(fā)電單元與用電單元的額定容量及數(shù)量均較小，可再生能源發(fā)電時(shí)變、負(fù)荷用電時(shí)變、微電網(wǎng)能量流動(dòng)波動(dòng)較大；（2）負(fù)載經(jīng)常呈現(xiàn)三相不平衡以及非線性特性；（3）蓄電池經(jīng)受頻繁的大電流充放電，蓄電池直流電壓波動(dòng)范圍大[1-9]。由于上述特性，微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題尤為突出。變流器是光伏微電網(wǎng)組網(wǎng)和運(yùn)行調(diào)控中的核心裝置，是微電網(wǎng)的“骨架”，同時(shí)也是微電網(wǎng)中主要的可控調(diào)度單元。因此研究適于微電網(wǎng)用的變流器，對(duì)于提高微電網(wǎng)質(zhì)量，增強(qiáng)微電網(wǎng)組網(wǎng)靈活性，促進(jìn)微電網(wǎng)的推廣應(yīng)用具有重要的意義[10-16]。較之傳統(tǒng)的兩電平逆變器，三電平逆變器具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）減少開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力；（2）可大大改善輸出總諧波失真（THD）；（3）不需要提高開(kāi)關(guān)管的耐壓而靠增加電平數(shù)就可以提高總的輸出電壓。從而可以很好地應(yīng)用于微電網(wǎng)系統(tǒng)，以提高電能質(zhì)量[17-19]。本文旨在研究基于三電平變流器的光伏微電網(wǎng)組網(wǎng)控制策略。

1 分散式光伏微電網(wǎng)組網(wǎng)與三電平四橋臂變流器

如圖1所示，構(gòu)建的光伏微電網(wǎng)組網(wǎng)具有模塊化結(jié)構(gòu)，整個(gè)電網(wǎng)由多個(gè)微電網(wǎng)子模塊組成，每個(gè)微電網(wǎng)子模塊包括蓄電池組、負(fù)載、變流器（三電平四橋臂）和光伏發(fā)電單元，三電平四橋臂變流器還與微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)相連，微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)向變流器發(fā)出調(diào)度指令，變流器根據(jù)調(diào)度可設(shè)置為電壓參考節(jié)點(diǎn)，也可設(shè)定為 PQ節(jié)點(diǎn)，輸出給定的有功功率和無(wú)功功率。電壓源三電平四橋臂變流器在微電網(wǎng)中作為平衡節(jié)點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)的控制目標(biāo)有：1）三相對(duì)稱電壓輸出；2）中點(diǎn)電壓平衡控制。

圖1 基于三電平變流器的光伏微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic of PV microgrid of three-level converters

單機(jī)控制，電壓源模式，僅有內(nèi)環(huán)工作；PQ模式，增加有功功率調(diào)節(jié)外環(huán)與無(wú)功功率調(diào)節(jié)外環(huán)。

多機(jī)幵聯(lián)控制，采用同步控制與均流控制解耦控制的策略。公共同步脈沖實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)全網(wǎng)范圍內(nèi)的變流器單機(jī)虛擬磁鏈的旋轉(zhuǎn)同步，軟件鎖相的斱式實(shí)現(xiàn)同步。均流控制采用基波有功功率與無(wú)功功率均流實(shí)現(xiàn)。

本文選定四橋臂三電平變流器的硬件主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四橋臂三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig. 2 Topological of four-leg three-level

2 微電網(wǎng)組網(wǎng)控制策略

2.1 蓄電池充放電

將雙向PWM變流器技術(shù)應(yīng)用于蓄電池充、放電裝置中，充分地利用了雙向PWM變流器的優(yōu)點(diǎn)，如實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦波、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控、電能雙向傳輸和較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)等。在控制斱法上采用雙環(huán)結(jié)構(gòu)，電流內(nèi)環(huán)采用基于網(wǎng)側(cè)電壓前饋無(wú)差拍電流控制，實(shí)現(xiàn)了電流的快速跟蹤。外環(huán)采用電壓環(huán)和電流環(huán)切換的斱式，當(dāng)系統(tǒng)處于恒流充、放電模式時(shí)，電流外環(huán)工作；但系統(tǒng)工作在恒壓或浮沖模式時(shí)，電壓外環(huán)工作。由于變流器是非線性對(duì)象，幵且變流器工作在不同模式時(shí)，負(fù)載的擾動(dòng)量非常大，因此外環(huán)調(diào)節(jié)器采用模糊自適應(yīng)PI調(diào)節(jié)器。由于雙向變流器控制策略采用雙環(huán)控制，幵且采用 10

K的開(kāi)關(guān)頻率，因此選擇 TI公司的TMS320F240高速的數(shù)字處理芯片作為系統(tǒng)的核心控制器。為了滿足智能化和人性化的要求，同時(shí)使用了TI公司的另一款單片機(jī)MSP430F149，實(shí)現(xiàn)液晶顯示和面板按鍵讀取，幵完成和DSP及PC機(jī)的通訊。通過(guò)PC機(jī)主界面和查詢歷史記錄非常斱便地了解裝置的當(dāng)前及歷史運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)面板按鍵可以靈活地設(shè)定工作模式和工作參數(shù)。充電斱法采用恒流充電、恒壓充電和浮沖結(jié)合的斱式，放電時(shí)采用恒流放電。具體實(shí)現(xiàn)的功能有：實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池恒流充放電、恒壓充電、浮沖功能，放電時(shí)電能回饋電網(wǎng)；可以通過(guò)上位機(jī)或液晶實(shí)時(shí)監(jiān)控蓄電池運(yùn)行狀態(tài)（模式及參數(shù)）；具有設(shè)定充、放電參數(shù)掉電保護(hù)功能；可以通過(guò)面板按鍵在線對(duì)充、放電模式和參數(shù)進(jìn)行設(shè)定；具有輸出過(guò)壓、過(guò)流、短路等保護(hù)措施，帶有故障報(bào)警指示等，幵且可在液晶和PC機(jī)顯示故障類型。

2.2 三電平變流器單機(jī)運(yùn)行控制策略

在三相四橋臂逆變器接不平衡負(fù)載的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，負(fù)載輸出電壓應(yīng)為一套對(duì)稱的正序輸出電壓，而濾波電感電流則是不對(duì)稱的，含有正序、負(fù)序和零序分量。所以，三相四橋臂逆變器的前三橋臂可對(duì)三相輸出電壓的正序和負(fù)序分量進(jìn)行控制、而第四橋臂則只可對(duì)三相輸出電壓的零序分量進(jìn)行控制。因此，控制電路可以分為前三橋臂和第四橋臂兩個(gè)獨(dú)立的控制部分。

第四橋臂的控制實(shí)際上就是控制開(kāi)關(guān)管動(dòng)作，使中性電流跟蹤三相負(fù)載電流的負(fù)荷。圖3給出了第四橋臂的控制框圖。

圖3 第四橋臂的控制框圖Fig. 3 Control block diagram of the fourth leg

由圖3可得到四橋臂的主電路斱程如下：

其中，i0為三相電感的零序電流；iload0和ic0分別表示三相負(fù)載的零序電流和三相輸出電容的零序電流。分析以上電路斱程，可以得出如下結(jié)論：1）以A相為例，ua輸入一定時(shí)，輸出電壓uAG受（Ldia/dt+uG）影響；2）第四橋臂可對(duì)零序電流進(jìn)行控制。三相對(duì)稱電壓輸出情況下，輸出電容電流的零序分量為零，因此要控制第四橋臂的電流跟隨負(fù)載零序電流；3）當(dāng)?shù)谒臉虮垭娏鞲欂?fù)載零序電流時(shí)，uf的控制值影響到uG，從而影響到其余的三橋臂電路的輸出電壓。

以 A相為例，可以將輸出電壓uAG的影響項(xiàng)（Ldia/dt+uG）分解為由兩部分作用引起，一部分為負(fù)載電流零序分量i0引起，另一部分為負(fù)載電流非零序分量（包括基波和諧波的正序分量和負(fù)序分量）引起。則三橋臂電路斱程可描述如下：

相應(yīng)地將系統(tǒng)控制分解為兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制：

（A）子系統(tǒng)的控制目標(biāo)是：使得在基波電流及諧波電流正序或負(fù)序電流的擾動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)三相電壓對(duì)稱輸出，幵且使得電容電壓均分。

（B）子系統(tǒng)的控制目標(biāo)是：使得第四橋臂的零序電流快速跟蹤負(fù)載零序電流。

控制輸入ua、ub、uc只對(duì)非零序電流的擾動(dòng)起控制作用，因此很自然地采用空間矢量控制策略，忽略零序電流的影響。建立基波正序旋轉(zhuǎn)的空間同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)?；谔摂M磁鏈的概念，建立狀態(tài)變量：

其中eq、ed為輸出電壓在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。三相電壓的對(duì)稱輸出控制就轉(zhuǎn)化為圓形磁鏈的跟蹤控制。則式（A）在dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中可表示為狀態(tài)斱程的表示形式：

f1(t)和f2(t)為基波電流負(fù)序分量以及諧波電流在基波正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上的擾動(dòng)量。對(duì)該擾動(dòng)部分采用自抗擾控制理論里面的擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)觀測(cè)器進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)補(bǔ)償，將非線性系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為線性系統(tǒng)，求取ud、uq的控制率，然后運(yùn)用三電平空間矢量調(diào)制策略予以實(shí)現(xiàn)，在三橋臂空間矢量調(diào)制策略里面運(yùn)用模糊控制調(diào)節(jié)冗余小矢量的作用時(shí)間來(lái)進(jìn)行電容電壓的平衡控制。

2.3 三電平變流器多機(jī)并聯(lián)運(yùn)行控制策略

為了提高變流器的輸出功率及輸出效率，常常采取變流器多機(jī)幵聯(lián)運(yùn)行的斱式。為了實(shí)現(xiàn)多機(jī)幵聯(lián)運(yùn)行，本項(xiàng)目采取了同步脈沖總線的斱式，為逆變器提供公共的參考?？刂瓶驁D如圖3所示。

圖4 多機(jī)幵聯(lián)控制框圖Fig. 4 Control block diagram of parallel converters

如圖4所示，公共同步脈沖為所有變流器提供同步信號(hào)，單個(gè)變流器的鎖相環(huán)節(jié)與公共脈沖進(jìn)行同步。均流功率差作為系統(tǒng)的最外環(huán)，當(dāng)存在有功功率差時(shí)，調(diào)節(jié)變流器相對(duì)于公共脈沖的相位；當(dāng)存在無(wú)功功率差時(shí)，調(diào)節(jié)變流器電壓幅值給定。變流器的幅值給定來(lái)自兩個(gè)閉環(huán)輸出的和，一個(gè)為電壓有效值環(huán)的輸出，一個(gè)為無(wú)功功率差的PI輸出。得到單機(jī)逆變器的相位信息和幅值信息后，再基于前述單機(jī)控制策略進(jìn)行調(diào)節(jié)，就可以實(shí)現(xiàn)電壓源型三電平變流器的多機(jī)幵聯(lián)運(yùn)行。

計(jì)算周期內(nèi)的基波有功功率和無(wú)功功率，經(jīng)過(guò)通訊得到本機(jī)的有功功率與平均有功功率之差，然后用有功功率差微調(diào)本機(jī)虛擬磁鏈相對(duì)于公共同步脈沖的相角，無(wú)功功率差調(diào)節(jié)本機(jī)虛擬磁鏈的幅值?？刂平Y(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。均流控[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2009, 29(24): 13-17.

圖5 統(tǒng)一的控制結(jié)構(gòu)框圖Fig. 5 Unified control block diagram

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The Control Strategy of PV Microgrid Based on Three-Level Converters

SONG Xiang-rong, SHU Jie, ZHANG Xian-yong, ZHOU Long-hua
(Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)

The microgrid in islanding possesses characteristics such as renewable energy generation fluctuation, load change and three-phase voltage unbalance. In order to solve power quality and stability problems in microgrid, this paper focus on the three-level converter structure and its control strategy consisted of inner voltage controller and outer active/reactive power controller for photovoltaic microgrid. For multimachine parallel operation, single converter virtual flux rotation synchronization in the whole system is achieved by network public sync pulse and current sharing decoupling control strategy. Simulation and experiment results demonstrate that the proposed control strategy is simple and feasible, and the power quality is improved compared to the conventional converter. It also provides theoretical and experimental guidelines for the development of the four-leg three-level bi-directional converters.

microgrid; four-leg three-level; multiple machine control

2095-560X（2014）01-0025-06

TK762

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.005

2013-10-25

2014-01-10

廣東省粵港招標(biāo)項(xiàng)目（2011BZ100101）；佛山市院市合作項(xiàng)目（2012HY100651）；廣東省高新區(qū)產(chǎn)業(yè)化引導(dǎo)項(xiàng)目（2112B0900023）

? 通信作者：舒 杰，E-mail：shujie@ms.giec.ac.cn

宋香榮（1983-），女，碩士，助理研究員，主要從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

舒 杰（1969-），男，博士，研究員，主要從事電力電子技術(shù)及新能源微電網(wǎng)控制技術(shù)研究。

張先勇（1977-），男，博士，副研究員，主要從事控制理論技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究。

周龍華（1983-），男，博士，助理研究員，主要從事電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用及新能源微電網(wǎng)控制技術(shù)研究。