基于諧振控制的微電網(wǎng)儲能變流器多目標控制策略

李彥林 ，王明彥 ，鄭載滿

（1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.黑龍江東方學院，黑龍江 哈爾濱 150086）

0 引言

相對于大電網(wǎng)，以分布式發(fā)電理論為基礎，包含分布式電源、負荷、儲能裝置的微電網(wǎng)作為一個可控的供電系統(tǒng)，既可運行在并網(wǎng)模式，也可運行在孤島模式。由于微電網(wǎng)自身的容量相對較小而呈現(xiàn)出弱電網(wǎng)的特點以及在負載非線性、不平衡突變等情況影響下，微電網(wǎng)內的電壓、電流諧波、三相電壓不平衡、電壓波動跌落等電能質量問題相對于大電網(wǎng)更突出，尤其在微電網(wǎng)與配電網(wǎng)公共連接點（PCC）處的電能質量問題，除了會影響微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，還會對配電網(wǎng)帶來影響。此外，可再生能源，如風力發(fā)電、光伏發(fā)電等微電源由于受天氣、環(huán)境等因素影響而具有的功率波動性也會影響微電網(wǎng)的電能質量，特別是對PCC處電壓、頻率的穩(wěn)定性影響。如何抑制微電網(wǎng)內電能質量問題，在保證微電網(wǎng)有效運行的前提下發(fā)揮其優(yōu)勢，是非常值得關注的問題［1-2］。

針對微電網(wǎng)的功率波動，一般采用儲能裝置通過雙向變流器（VSC）來平抑功率波動。文獻［3-4］采用蓄電池儲能進行功率調節(jié)來抑制功率波動。儲能系統(tǒng)在調節(jié)微電網(wǎng)功率時通常有冗余容量，甚至可能在一定時間內閑置。另一方面，結合并網(wǎng)發(fā)電同時實現(xiàn)無功、不平衡補償和有源濾波等功能的復合多功能并網(wǎng)逆變器被提出［5-6］。

儲能裝置若能結合多功能并網(wǎng)逆變器充分利用儲能容量，則既可降低系統(tǒng)的投資成本，減小系統(tǒng)體積，又能在實現(xiàn)功率輸出的同時具有電能質量補償功能。為此本文提出基于比例矢量比例積分（PVPI）控制的微電網(wǎng)儲能變流器分頻協(xié)調控制策略，實現(xiàn)功率輸出控制和對微電網(wǎng)無功、三相電流不平衡及諧波等多目標按系統(tǒng)余量進行分頻補償控制。

1 微電網(wǎng)組成和變流器結構

圖1所示的輻射狀微電網(wǎng)組成結構中含有微電源、儲能和負荷。其中，微電源包括采用并網(wǎng)逆變器接口的光伏電池DG2、DG3，風力發(fā)電模擬器DG4，儲能裝置DG1掛接在PCC處，微電網(wǎng)帶有的負荷為整流負荷、不平衡負荷、單相負荷與普通阻感性負荷；Sx（x=s，1，2，3，4）為靜態(tài)開關；線路阻抗 Zx（x=s，2，3，4）呈阻性。光伏與風力發(fā)電接口變流器均采用PQ控制，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行，由配電網(wǎng)對其提供電壓和頻率支撐。

圖1 微電網(wǎng)組成結構Fig.1 Structure of microgrid

基于諧振控制的多功能儲能系統(tǒng)既能對微電網(wǎng)提供有功支持，輸出或吸收有功功率，還可以對微電網(wǎng)指定次（如5、7、11次）諧波以及一定量的無功和不平衡電流進行補償。該儲能系統(tǒng)主要由磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池儲能和四橋臂VSC構成，結構如圖2所示。圖中，Lb為直流電感；udc1為直流電壓；io為直流電流；ux、ix（x=a，b，c，n）為電網(wǎng)電壓、電流。

LiFePO4動態(tài)特性模型采用二階RC模型，如圖3所示。圖中，R0表示歐姆內阻；RP1和RP2表示極化內阻；CP1和 CP2表示極化電容［7］。

圖2 微電網(wǎng)變流器結構Fig.2 Structure of microgrid converter

圖3 LiFePO4電池模型Fig.3 Model of LiFePO4battery

2 參考電流合成方法

微電網(wǎng)變流器輸出由兩部分組成：上層控制給出的有功、無功電流指令；補償無功、不平衡和諧波電流指令。兩者合成作為VSC控制電流指令。

2.1 補償電流生成方法

如果微電網(wǎng)三相電壓不平衡并含有諧波，會影響鎖相環(huán)（PLL）輸出的頻率和相位使其產(chǎn)生誤差。正常電壓情況下代表實際電網(wǎng)電壓矢量的相位Ф和采用PLL檢測到的電壓矢量相位θ應相等，但由于受電壓不對稱和諧波的干擾使得Ф≠θ，致使PLL在檢測電網(wǎng)電壓相位時產(chǎn)生誤差［8］。

本文采用基于瞬時功率理論的諧波、無功及不平衡電流檢測方法抑制電壓不平衡畸變干擾，如圖4中利用 Cabc-αβ（Clarke）變換將三相電網(wǎng)電壓 ua、ub、uc變換到 αβ 兩相靜止坐標系內［5，9］，如式（1）所示。

變換后得到含有各次諧波與正、負序基波分量的uα、uβ。為消除干擾，需檢測出不含諧波的正序基波，利用圖5中基于諧振器的檢測方法可以檢測出基波正序電壓［9-10］，其中分別為響應頻率、阻尼系數(shù)和基波電壓正序α、β分量。

在αβ坐標系到同步旋轉dq坐標系變換過程中，同步旋轉角 ωt+θ正弦、余弦可直接由電壓表示［11-12］：

圖4 多目標電流補償值檢測框圖Fig.4 Detection of multi-objective compensation current

圖5 基波正序電壓檢測框圖Fig.5 Detection of fundamental positive sequence voltage

ωt+θ與實際電網(wǎng)基波電壓矢量中相位時刻保持一致。三相靜止坐標系內電流ia、ib、ic變換到兩相靜止坐標系內表示為 iα、iβ、i0，其中 iα、iβ包含正序基波分量。iα、iβ利用Park變換到dq同步旋轉坐標系中表示為直流形式的有功電流（id）、無功電流（iq）。電流變換到dq坐標系內，其所包含的諧波及負序電流分量均以諧波的形式體現(xiàn)在id、iq內，需要采用低通濾波器（LPF）濾除id、iq中的諧波，得到不含諧波的直流有功電流 id-dc、無功電流 iq-dc，再對 id-dc、iq-dc進行Park反變換得到αβ靜止坐標系內的不含諧波的基波有功電流（Ks斷開），再從兩相靜止坐標系內電流 iα、iβ中減去加上零序分量 i0構成含有無功和諧波及不平衡基波負序、零序分量的補償電流

2.2 并網(wǎng)參考電流

在αβ坐標系內，根據(jù)瞬時功率理論復功率S可定義為電壓矢量e與電流共軛矢量i*的乘積［13］：

其中，uα、uβ和 iα、iβ分別為系統(tǒng)電壓、電流在 αβ 坐標系下的分量。由式（4）可知，控制輸出功率p、q只需控制iα和iβ。控制微電網(wǎng)變流器輸出有功、無功時，零序電流分量為零（i0=0），將參考值 p=p*、q=q*代入式（4）中，可得：

根據(jù)式（4）、（5），如果微電網(wǎng)背景電壓不平衡并含有諧波，則 αβ 靜止坐標系內電流參考值中將引入基波負序分量和各次諧波，使輸出電流不平衡并含有諧波，可以采用圖5所示方法濾除基波電壓負序及各次諧波。提取正序電壓時，在合理范圍內K值可以取相對較大值，提高響應速度。

3 微電網(wǎng)變流器分頻控制

儲能裝置并聯(lián)在PCC處，控制目標為：根據(jù)微電網(wǎng)變流器剩余容量補償有限次電流諧波、基波電流無功和三相不平衡電流，根據(jù)指令向微電網(wǎng)提供有功功率從而實現(xiàn)電能質量控制和瞬時功率平衡。

圖6 多目標補償電流控制框圖Fig.6 Block diagram of multi-objective compensation current control

3.1 VSC多目標分頻控制

圖6的儲能變流器的多目標控制結構中變流器輸出為有功電流和補償電流量。微電網(wǎng)變流器電流參考值由補償給定值和功率給定值復合而成，包括可能需要補償?shù)幕ㄘ撔蚝土阈螂娏鞣至?、基波無功電流分量、各次諧波分量和并網(wǎng)有功電流分量。

微電網(wǎng)中儲能變流器根據(jù)指令輸出功率，剩余容量對電能質量擾動進行補償，根據(jù)自身容量計算出補償電流，當補償量超出實際輸出容量時，根據(jù)自身容量選擇只補償無功或某指定次頻率電流諧波（如5次、7次、11次諧波等）或某些次電流諧波之和，實現(xiàn)有限補償輸出。

圖6中為實現(xiàn)有選擇性地重點補償某些量及充分利用變流器剩余容量，采用一種改進的諧振控制對基波和各次諧波實現(xiàn)分頻控制，具有分頻控制功能的諧振控制器是在文獻［14］提出的矢量比例積分（VPI）控制的基礎上，使比例控制P與VPI控制并聯(lián)構成的PVPI控制。

根據(jù)文獻［14］，式（6）表示的 VPI控制是式（7）的復矢量PI控制根據(jù)式（8）進行等效變換，從正、負序旋轉dq坐標系到α β兩相靜止坐標系變換后合成的表達式。

將PI控制器表達式與復矢量PI控制器表達式對比，可以看出式（7）中復矢量PI控制比例項KP與jωKP/s項之間存在耦合關系，致使難以實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)響應單獨控制，為改善其動態(tài)響應能力，在復矢量PI控制基礎上并聯(lián)比例控制項KP0，并聯(lián)后表達式如下：

依據(jù)式（8），將正序旋轉dq坐標系內的表達式（9）變換到兩相靜止αβ坐標系得到表達式（10）；從負序旋轉dq坐標變換到兩相靜止α β坐標系可得表達式（11）。

其中，上標+、-分別代表正、負序。

由式（10）、（11）相加可得到在兩相靜止 αβ 坐標系內表達式為：

式（12）本質上是比例諧振控制的一種，稱為PVPI控制，PVPI控制中通過改變比例項2KP0使動態(tài)性能可以獨立調節(jié)，改善了PVPI控制的微電網(wǎng)變流器性能。

為比較VPI和PVPI 2種控制器性能，假設VPI控制參數(shù)KP0=0、PVPI控制參數(shù)KP0=10，其他參數(shù)相同統(tǒng)一設定為 KP=20，K1=1000，ω=314 rad/s。圖 7為2種控制器波特圖對比，根據(jù)圖7并結合式（6）、（12）分析，理論上2種控制器均可以使并網(wǎng)電流誤差為0，原因是2種控制器均使虛軸上增加了極點，該極點頻率為ω，使頻率為ω的輸入在此處產(chǎn)生諧振，利用諧振特性使頻率ω處的增益值理論上達到無窮大（如圖7中當ω=314 rad/s時），從而系統(tǒng)在諧振頻率為ω的VPI或PVPI控制器控制下使系統(tǒng)輸出無靜差地跟蹤同頻率正弦指令輸入。由于在諧振頻率點之外增益很小，能使非諧振頻率點的信號得到有效抑制，即具有頻率選擇性能，實現(xiàn)僅對某一頻率信號控制，因此若要補償某幾次諧波，只需將每次諧波頻率對應的PVPI控制并聯(lián)即可［15-16］。

相對VPI控制，PVPI控制在VPI控制諧振點頻率選擇特性基礎上，通過加入比例項（P）使系統(tǒng)開環(huán)零點發(fā)生變化以加快響應，改變控制器的比例項（P）則使系統(tǒng)的動態(tài)性能相應同步變化。從另一角度看，通過圖7可見加入比例項使系統(tǒng)改變了頻率特性引起轉折頻率增大，因此提高了動態(tài)響應能力。

圖7 VPI和PVPI控制器的波特圖對比Fig.7 Comparison of Bode diagrams between VPI and PVPI controls

3.2 直流DC/DC變換器控制

LiFePO4電池儲能系統(tǒng)通過雙向DC/DC變換器與直流母線相連，在儲能充/放電過程中在降壓/升壓模式之間變換。

為使直流電壓穩(wěn)定，LiFePO4電池儲能系統(tǒng)采用雙環(huán)控制策略，外環(huán)采用PI控制器控制直流電壓udc1，為提高電流環(huán)響應速度，內環(huán)采用比例控制器（P）對電感電流isc1進行快速控制，使電流io前饋抑制其對直流母線電壓udc1的影響。如圖8所示的DC/DC控制框圖，電壓外環(huán)作用是穩(wěn)定直流電壓udc1，抑制功率波動；電感電流內環(huán)還可確保電流不超過允許值。

圖8 DC/DC控制框圖Fig.8 Block diagram of DC /DC control

另外應防止LiFePO4電池內電量的過充過放：在電池充電量達到上限值后限制充電，使電池僅對外放電；當電池放電量達到下限值后限制電池放電，僅對電池進行充電。

需要指出的是，LiFePO4電池儲能系統(tǒng)由于其自身特點只適合平抑低頻功率波動，所以其功率指令需限制在相對低頻段。

4 仿真與分析

利用MATLAB/Simulink建立圖1所示微電網(wǎng)仿真模型，對提出的儲能變流器控制策略進行仿真驗證。微電網(wǎng)各參數(shù)為：微電網(wǎng)并網(wǎng)運行，低壓配電網(wǎng)電壓Um為380 V/220 V，儲能直流側電壓udc1=800 V；微電源DG1為LiFePO4電池儲能系統(tǒng)，額定功率Pdg1=20 kW；DG2額定功率Pdg2=6 kW；DG3額定功率Pdg3=6 kW；DG4模擬風電輸出波動功率，額定功率Pdg4=15 kW；非線性負荷為三相整流電路整流后帶L11=3 mH電感、R11=100 Ω電阻；三相平衡阻感負載有功功率PL=150 kW，無功功率QL=50 kvar；三相不平衡電阻負荷 R21=40 Ω，R22=80 Ω，R23=100 Ω；單相負荷采用非線性二極管整流給電阻R31=10 Ω的負載供電；線路阻抗Zline=0.642+j0.101 p.u.。

4.1 諧波及無功補償

由于微電網(wǎng)中帶阻感三相不可控整流負載，微電網(wǎng)電流發(fā)生畸變，THD=5.98%，其中5、7、11次諧波含量相對較高，其余各次諧波含量較低。

圖9（a）是LiFePO4電池儲能系統(tǒng)根據(jù)上層調度指令，僅輸出10 A電流、不參與電能質量補償時PCC處電流，方向為由微電網(wǎng)到配電網(wǎng)；圖9（b）是LiFePO4電池儲能系統(tǒng)參與補償5次諧波后的電流；圖9（c）是補償5、7次諧波后的電流。補償5次諧波后THD=4.67%，補償5、7次諧波后 THD=3.58%，可看出微電網(wǎng)PCC處電流波形得到明顯改善，達到并網(wǎng)要求。

圖10是微電網(wǎng)內交流公共母線帶有功功率P=150 kW、無功功率Q=50 kvar負載時的波形，0.2 s之前LiFePO4電池儲能系統(tǒng)不參與補償，0.2 s后啟動多功能補償。可見，補償前PCC處電壓、電流有很大相位差，補償后電壓與電流的相位相同，功率因數(shù)近似等于1，有效實現(xiàn)了無功功率補償。

4.2 負載不平衡

微電網(wǎng)帶有三相不平衡負載，圖11（a）為未補償時PCC處電流，圖11（b）為投入帶補償功能的DG1后PCC處電流波形。可見采用多目標控制補償有效地減弱了不平衡負荷對PCC處電流的影響，使微電網(wǎng)輸出到配電網(wǎng)的電流不平衡被消除。

圖12為帶單相整流負載時，LiFePO4電池儲能系統(tǒng)進行補償前后PCC處電流波形，可見未補償時PCC處電流含諧波且不平衡，存在負序和零序電流，在0.23 s LiFePO4電池儲能系統(tǒng)投入運行后PCC處電流實現(xiàn)平衡，諧波降低。

由以上結果分析可以看出，采用LiFePO4電池儲能系統(tǒng)多目標補償控制使微電網(wǎng)輸出到配電網(wǎng)的電流符合電能質量要求。

圖9 補償諧波后PCC處電流波形Fig.9 Waveforms of PCC current with harmonic compensation

圖10 無功補償前后波形Fig.10 Waveforms before and after reactive compensation

圖11 三相不平衡負荷時PCC處電流波形Fig.11 Waveforms of PCC current with unbalanced three-phase load

圖12 帶單相整流負載時PCC處電流波形Fig.12 Waveforms of PCC current with single-phase rectifier load

4.3 輸出電流功率

圖13是LiFePO4電池儲能系統(tǒng)輸出有功功率跟蹤上層調度功率指令值的跟蹤過程，可見LiFePO4電池儲能系統(tǒng)能根據(jù)上層調度指令輸出相應的并網(wǎng)電流，對微電網(wǎng)提供短時功率支持。

圖13 儲能系統(tǒng)并網(wǎng)輸出電流波形Fig.13 Waveforms of output current of grid-connected energy storage system

5 結論

為充分利用儲能系統(tǒng)，使其既可以提供有功功率，又可以利用剩余容量補償微電網(wǎng)電能質量擾動，本文提出基于PVPI控制的儲能多目標分頻控制策略。理論分析和仿真結果表明所提出的控制策略能輸出指定功率和對微電網(wǎng)無功、三相電流不平衡及諧波進行補償，使儲能系統(tǒng)實現(xiàn)了功能復用。