基于分層控制的微電網(wǎng)諧波抑制策略研究

黎金英，艾 欣，鄧玉輝

(華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

基于分層控制的微電網(wǎng)諧波抑制策略研究

黎金英，艾 欣，鄧玉輝

(華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206)

針對微電網(wǎng)分布式能源并網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波的問題，提出了一種分層控制的諧波抑制策略，通過控制微電網(wǎng)分布式電源逆變器的輸出電壓和功率來實現(xiàn)諧波抑制。分層控制包含初級控制層和二級控制層 2個層次，初級控制層采用下垂控制，設計了包含虛擬阻抗、電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)和功率環(huán)的反饋控制器；二級控制層通過測量低諧波電壓，并與參考值進行比較，差值作為補償量反饋回初級控制。仿真結(jié)果表明，該分層控制策略對微電網(wǎng)運行中的諧波有很好的抑制作用。

微電網(wǎng)；諧波抑制；分層控制；補償反饋

當前，利用電力電子技術對微電網(wǎng)中的諧波進行抑制，主要有兩種類型[1-2]：一種是利用柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible alternative current transmission systems，F(xiàn)ACTS)技術，如配網(wǎng)靜止同步補償器(Distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)、靜止無功補償器(Static var compensator，SVC )、有源濾波器(Active power filter，APF)、動態(tài)電壓恢復器(Dynamic voltage restorer，DVR)、統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified power quality conditioner，UPQC) 等；另一種是改進分布式電源并網(wǎng)接口的控制器參數(shù)以及控制策略。文獻[3]采用比例諧振控制器，使用單相空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)技術能夠消除交流系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，抑制低次諧波和開關頻率附近的高次諧波，但沒有考慮5次諧波、7次諧波。文獻[4]提出的電容反饋法，可以有效抑制LCL濾波器帶來的高頻諧振問題。文獻[5]提出基于比例諧振PR控制的APF控制策略，實現(xiàn)了對微電網(wǎng)系統(tǒng)特定次數(shù)諧波的實時無靜差控制。鑒于現(xiàn)狀，本文進一步研究了微電網(wǎng)的諧波抑制問題，并提出了一種抑制微電網(wǎng)諧波的分層控制策略。分層控制策略包括初級控制層與二級控制層，初級控制層包括下垂控制、電流內(nèi)環(huán)控制器、電網(wǎng)外環(huán)控制器、虛擬阻抗控制以及功率控制；二級控制為諧波的補償反饋，維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定、改善電能質(zhì)量。

1 微電網(wǎng)的初級控制策略

1.1 多重PR控制器設計

傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)一般采用雙閉環(huán)比例積分(Proportional integral，PI)控制器，要求電流內(nèi)環(huán)控制具有足夠?qū)挼膸捄洼^快的相應速度，但同時也限制了對諧波電壓的補償能力。對此，本文提出了一種基于多重比例諧振(Proportional resonant，PR)的控制器，即采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制方法[6]。

1.1.1 電流內(nèi)環(huán)控制器

電流內(nèi)環(huán)控制器采用電流多重比例諧振控制，將指定次諧波的內(nèi)模植入系統(tǒng)，即可以得到諧振環(huán)節(jié)。電流多重比例諧振控制器的傳遞函數(shù)可以表示為[7]

(1)

式中：GPR(s)為例諧振控制器的傳遞函數(shù)；GHC(s)為諧波補償器(Harmonic compensator，HC)的傳遞函數(shù)；kpI為比例增益；krI為諧振系數(shù)；h為指定次諧波次數(shù)(在單相系統(tǒng)中主要是3次和5次，在三相系統(tǒng)中主要是5次和7次等)；krIh為h次諧振系數(shù)；ωo為基波角頻率。

1.1.2 電壓外環(huán)控制器

電壓外環(huán)控制器采用電壓多重比例諧振控制，多重比例諧振控制器的傳遞函數(shù)可以表示為[8]

(2)

式中：kpV為基波比例系數(shù)；krV為基波諧振系數(shù)；ωc為基波截止角頻率；krVh為h次諧波諧振系數(shù)；ωch為h次諧波截止角頻率。

1.2 基于虛擬阻抗的下垂控制策略

基于虛擬阻抗的下垂控制策略包括PQ計算模塊、下垂控制和電壓合成模塊，如圖6所示[9]。

圖1 基于虛擬阻抗的下垂控制策略

(3)

式中：GV(s)為電壓外環(huán)控制的傳遞函數(shù)；GI(s)為電流內(nèi)環(huán)控制的傳遞函數(shù)；KPWM為逆變橋的增益；Lv和Rv分別為虛擬電感值和虛擬電阻值；s為變量求導函數(shù)。

綜合以上的電流內(nèi)環(huán)控制器、電壓外環(huán)控制器、虛擬阻抗控制器以及功率控制器，可以得到微電網(wǎng)的并網(wǎng)逆變器初級控制系統(tǒng)，如圖2所示。

2 基于二級控制的微電網(wǎng)諧波抑制策略

在低壓配電網(wǎng)中，非線性負荷給微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行帶來了一系列的電能質(zhì)量問題，其中功率因數(shù)降低與大量諧波增加尤顯突出。為此本文提出了一種二級控制策略來抑制微電網(wǎng)中的諧波。該方法在上節(jié)初級控制的基礎上又增加了一個二級控制環(huán)節(jié)，它能較好地的抑制微電網(wǎng)中的高次諧波，且不會對基波電流產(chǎn)生影響。

根據(jù)文獻[11]，微電網(wǎng)5次、7次諧波的檢測(Harmonic detection，HD)方法可以表示為：

(4)

式中，vdq1、vdq5、vdq7為dq旋轉(zhuǎn)坐標系下的基波電壓有效值、5次諧波電壓有效值、7次諧波電壓有效值。

微電網(wǎng)電壓受一些非線性負荷的影響，往往存在低次諧波電壓。為了抑制這些低次諧波，采用文獻[12]的PI控制器算法設計諧波補償環(huán)節(jié)。5次諧波、7次諧波補償器可以表示為：

(5)

(6)

圖2 微電網(wǎng)的初級控制策略

g

二級控制的諧波補償器如圖3所示。

圖3 基于二級控制的諧波補償控制器

微電網(wǎng)的諧波抑制二級控制如圖4所示。

圖4 微電網(wǎng)的二級控制流程圖

3 仿真分析

為了驗證本文提出的微電網(wǎng)諧波抑制分層控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，如圖5所示。

系統(tǒng)主電路參數(shù)：電網(wǎng)電壓為Vg=380 V；電網(wǎng)頻率為fg= 50 Hz；直流電壓為Vdc= 650 V；線路阻抗為Z1=0.18+j0.51 Ω，Z2=0.12+j0.34 Ω；濾波電感為Lf1=Lf2= 1.35 mH，濾波電容為Cf1=Cf2= 50 μF。非線性負荷分別為R= 20 Ω，L= 2 mH?？刂破鲄?shù)：開關頻率為8 kHz；下垂系數(shù)為mP= 9.4×10-5，nq= 1.5×10-3；虛擬電阻值為Rvir= 2.5 Ω，虛擬電感值為Lvir= 0.8 mH；電壓外環(huán)為kpV= 0.5，krV= 5，ωc= 2×π rad/s，ωo= 100×π rad/s，krV5= 10，ωc5= 50×π rad/s，krV7= 10，ωc7= 50×π rad/s；電流內(nèi)環(huán)為kpI= 10，krI= 1000，krI5= 100，krI7= 100；諧波補償器(HC)為kp5= 0.5，ki5= 20，kp7= 0.5，ki7= 30。

圖5 系統(tǒng)仿真模型

算例1：當微電網(wǎng)在孤島運行時，微電網(wǎng)初級控制(Primary control)輸出的有功功率、無功功率、電壓和電流如圖6、圖7所示。

圖6 微電網(wǎng)輸出有功功率

圖7 微電網(wǎng)輸出無功功率

通過圖6和圖7中的仿真結(jié)果可以看出，在t= 0.02 s之后，微電網(wǎng)輸出的有功功率分別為：DG1為14 kW，DG2為8.5 kW；微電網(wǎng)輸出的無功功率分別為：DG1為8 kVA，DG2為4.5 kVA。此時，諧波補償器在二級控制(secondary control)中還沒有運行，微電網(wǎng)系統(tǒng)電壓基本滿足要求，但電流波形發(fā)生畸變，如圖8和圖9所示。

圖8 微電網(wǎng)輸出電壓波形

圖9 微電網(wǎng)輸出電流波形

在t=0.1 s 時刻后，微電網(wǎng)負荷突增，所需功率增加，此時諧波補償器在二級控制中運行，提高了電流穩(wěn)定性和電能質(zhì)量.同時，微電網(wǎng)輸出的有功功率分別為：DG1為20 kW，DG2為18 kW；微電網(wǎng)輸出的無功功率分別為：DG1為12 kVA，DG2為11 kVA。

采用分層控制策略后的電路和電壓THDi和THDv都滿足< 5%的要求，如圖10、圖11所示。

圖10 電流諧波總畸變率

在圖10、圖11其中，電流總諧波畸變率(THDi)為2.57%，5次諧波分量為1.2%，7次諧波分量為0.24%，11次諧波分量為0.19%；電壓總諧波畸變率(THDv)為1.27%，5次諧波分量為0.21%，7次諧波分量為0.13%，11次諧波分量為0.07%。

通過對仿真結(jié)果的分析可以看出：補償前，當微電網(wǎng)在孤島運行條件下，正常微電網(wǎng)電壓運行范圍內(nèi)會引起的公共連接點(PCC)電壓波形發(fā)生嚴重畸變；補償后，電壓、電流的諧波得到有效抑制。

圖11 電壓諧波總畸變率

算例2：當微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)初級控制通過逆變器輸出的功率、電壓和電流如圖12～14所示。

由圖12可以看出，在沒有加入諧波補償器之前，微電網(wǎng)初級控制輸出的功率分別為：有功功率為DG1 = 14 kW，DG2 = 8.5 kW、無功功率為DG1 = 8 kVA，DG2 = 4.5 kVA。加入諧波補償器之后，微電網(wǎng)輸出的功率分別為：有功功率為DG1 = DG2 = 25 kW、無功功率為DG1 = DG2 = 15 kVA。均分效果可以得到了明顯改善。

從圖13、圖14的仿真結(jié)果可以看出，加入了諧波補償器之后，微電網(wǎng)輸出的電壓和電流的均分效果得到明顯改善，保證了二級控制輸出的電壓和電流的正弦性,非線性負荷造成的微電網(wǎng)電流總諧波畸變率和電壓總諧波畸變率都滿足< 5%的要求，如圖15(b)和圖16(b)所示。

圖12 微電網(wǎng)輸出的功率

圖13 微電網(wǎng)輸出電壓波形

圖14 微電網(wǎng)輸出電流波形

圖15 電流諧波總畸變率

從圖15和圖16可以看出，電網(wǎng)頻率為50 Hz時，網(wǎng)側(cè)電流的總諧波畸變率(THDi)為2.18%。其中：5次諧波分量為0.95%，7次諧波分量為0.89%，11次諧波分量為0.4%等。網(wǎng)側(cè)電壓的總諧波畸變率(THDv)為1.97%。其中：5次諧波分量為0.85%，7次諧波分量為0.66%，11次諧波分量為0.32%等。

圖16 電壓諧波總畸變率

根據(jù)以上的分析可知，當微電網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，二級控制方式可以減小并網(wǎng)逆變器輸出電壓總諧波畸變率(THDv)，進而改善微電網(wǎng)內(nèi)各節(jié)電電壓的電能質(zhì)量。

4 結(jié) 語

本文針對微電網(wǎng)逆變器并網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波的問題，綜合前人對該問題的解決思路，提出了一種分層控制策略來抑制并網(wǎng)點的諧波。經(jīng)對仿真案例分析得知，在初級控制部分，采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)以及下垂控制來控制逆變器，實現(xiàn)對輸出電流和電壓的諧波抑制。二級控制通過對5次、7次諧波進行補償來抑制由非線性負荷引起的并網(wǎng)點諧波。仿真結(jié)果表明，在微電網(wǎng)孤島運行以及開網(wǎng)運行時，采用該控制策略都能很好地抑制諧波對微電網(wǎng)的影響，且提高了微電網(wǎng)電能質(zhì)量。

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(責任編輯 郭金光)

Harmonic suppression strategy for micro-grids based on hierarchical control

LI Jinying, AI Xin, DENG Yuhui

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Aiming at the large amount of harmonic wave generated by the micro-grid network distributed energy connecting to the grid, the paper proposed a hierarchical control strategy of harmonic suppression which realized harmonic suppression by controlling the output voltage and power of micro-grid distributed power inverter. The hierarchical control consists of 2 levels: primary control uses droop control, with the feedback controller containing virtual impedance,voltage loop,current loop and power loop design; two-level control compares with the reference value through the measurement of low harmonic voltage, taking the difference as the amount of compensation to the primary feedback control. The simulation results show that the hierarchical control strategy proposed in this paper has good suppress effect on the micro harmonic in power grid operation.

microgrid；harmonic suppression；hierarchical control；control strategy

2015-04-25。

黎金英(1979—)，男，博士研究生,主要研究方向為微電網(wǎng)、電能質(zhì)量。

高等學校學科創(chuàng)新引智計劃(“111”計劃)(B08013) “111” Project (B08013) of China.

TM727

A

2095-6843(2015)05-0404-06