微網(wǎng)中并行電壓電流多環(huán)反饋的單相控制策略

秦銘陽(yáng)，劉闖，姜明磊（.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林30；.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，吉林長(zhǎng)春30000）

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微網(wǎng)中并行電壓電流多環(huán)反饋的單相控制策略

秦銘陽(yáng)1，劉闖1，姜明磊2
（1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012；2.國(guó)網(wǎng)吉林省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，吉林長(zhǎng)春130000）

摘要：三相4線制低壓微網(wǎng)中，由于接入大量單相負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致三相不平衡；針對(duì)傳統(tǒng)單相下垂控制策略一般將電壓環(huán)電流環(huán)串聯(lián)使用，提出了一種基于并行電壓電流多環(huán)反饋的微網(wǎng)逆變器控制策略，來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在三相不平衡時(shí)的獨(dú)立穩(wěn)定控制。該控制策略將帶有電壓參考值前饋補(bǔ)償?shù)碾妷洪]環(huán)作為單相逆變器的電壓整體控制，同時(shí)與電流阻尼環(huán)并行控制來(lái)提高系統(tǒng)的暫態(tài)性能。最后利用PSIM實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)驗(yàn)證了所提出的控制策略在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下的有效性。

關(guān)鍵詞：三相4線制微網(wǎng)；下垂控制；并行電壓電流環(huán)；前饋補(bǔ)償；濾波振蕩電流

當(dāng)今全世界的焦點(diǎn)正在從利用化石燃料發(fā)電的大型機(jī)組轉(zhuǎn)移到使用清潔能源發(fā)電的小規(guī)模機(jī)組。利用可再生能源的分布式發(fā)電機(jī)組被廣泛地應(yīng)用于小功率和地理位置分散的情況下進(jìn)行發(fā)電［1］。美國(guó)的CERTS定義微網(wǎng)是由各個(gè)互聯(lián)的分布式發(fā)電機(jī)組、負(fù)荷以及能量?jī)?chǔ)存裝置組成的一個(gè)小規(guī)模低壓電網(wǎng)系統(tǒng)。

一般來(lái)說(shuō)，微網(wǎng)在實(shí)際工作中有兩種運(yùn)行狀態(tài)。在并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，微網(wǎng)通過公共耦合點(diǎn)（PCC）連接到主電網(wǎng)，微網(wǎng)的電壓和頻率由主電網(wǎng)來(lái)提供支撐。在孤島運(yùn)行模式時(shí)，微網(wǎng)和主電網(wǎng)斷開，微網(wǎng)的電壓和頻率則是由接口逆變器的控制策略來(lái)決定［2］，因此對(duì)于微網(wǎng)的控制主要是對(duì)這些逆變器進(jìn)行控制。下垂控制是一種典型的對(duì)等控制，適用于微網(wǎng)中多個(gè)并聯(lián)逆變器之間的能量管理，分布式電源之間不需要通信聯(lián)系就能實(shí)現(xiàn)合理的負(fù)荷負(fù)擔(dān)，基于下垂特性的逆變器控制有很多改進(jìn)型。文獻(xiàn)［3］通過對(duì)控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)使逆變器的輸出阻抗呈感性，從而實(shí)現(xiàn)了逆變器在低壓條件下的功率解耦控制。但是功率控制部分的輸出為三相參考電壓，無(wú)法在三相不平衡負(fù)荷的條件下正常工作。文獻(xiàn)［4］將因負(fù)荷變化時(shí)導(dǎo)致的電壓和頻率偏差作為前饋量加入到功率控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了電壓和頻率的二次調(diào)整。然而，當(dāng)負(fù)荷突然下降時(shí)系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)暫態(tài)的電壓電流振蕩問題。

本文首先給出了三相4線制電壓源逆變器的結(jié)構(gòu)并且對(duì)傳統(tǒng)的下垂控制進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠工作在低壓條件下。其次，給出了并行電壓電流環(huán)多環(huán)反饋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該結(jié)構(gòu)能夠時(shí)刻跟蹤系統(tǒng)電壓狀態(tài)變化，滿足輸出電壓要求，并且能夠削弱由突然切負(fù)荷引起的電壓電流振蕩問題。再次，利用Matlab分析了所選擇控制參數(shù)的穩(wěn)定性。最后構(gòu)建了一個(gè)三相4線制微網(wǎng)仿真結(jié)構(gòu)對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

1　下垂控制的三相4線制逆變器

在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下，三相4線制逆變器提供不間斷供電。大部分連接到三相4線制系統(tǒng)的負(fù)荷是單相負(fù)荷，很難保證負(fù)荷在三相上的平均分布，這種情況會(huì)導(dǎo)致三相不平衡的問題。針對(duì)這一問題，給出了一個(gè)新的逆變器功率控制方法。從而實(shí)現(xiàn)了將電壓源逆變器的三相控制方法分解為單相控制方法。圖1給出了三相4線制分布系統(tǒng)。半橋型電壓源逆變器結(jié)構(gòu)上可以等效為3個(gè)單相逆變器并聯(lián)。因?yàn)殡娐返耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)為零序電流提供了回路，并且三相是獨(dú)立的，所以能夠承擔(dān)三相不平衡負(fù)荷，本文的逆變器使用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1　三相4線制分布式系統(tǒng)Fig.1 A three-phase four-wire distribution system

該逆變器的控制方法基于下垂控制特性。我們所熟知的下垂控制方法是模擬同步發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功功率增加時(shí)頻率、電壓幅值降低這一特性［5］，如下式所示，電壓源逆變器使用這種方法來(lái)控制。

式中：f,V分別為頻率和輸出端電壓的幅值；fref,Vref分別為頻率和電壓的參考值；P,Q分別為有功功率及無(wú)功功率；Pref,Qref為參考值；m，n代表下垂增益。

m，n定義如下：

式中：fmin,Vmin分別為允許的頻率和電壓的最小值；Pmax,Qmax為逆變器的最大容量值。

傳統(tǒng)的下垂控制是基于同步發(fā)電機(jī)輸出阻抗和線路阻抗呈感性這一特點(diǎn)。但是在低壓配電網(wǎng)線路輸出阻抗基本呈現(xiàn)阻性所以需要對(duì)傳統(tǒng)的下垂控制進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)功率解耦控制。本文使用文獻(xiàn)［6］的方法，通過將逆變器輸出電壓的頻率和幅值進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)變換來(lái)達(dá)到這一目的。

2　電壓電流多環(huán)反饋控制策略

根據(jù)微網(wǎng)三相不平衡的特點(diǎn)，控制的方法應(yīng)該使用單相獨(dú)立控制以確保工作時(shí)相互不影響。所以控制系統(tǒng)包括3個(gè)部分，每個(gè)部分都是1個(gè)單相控制環(huán)。1個(gè)控制環(huán)包括改進(jìn)的下垂控制、電壓環(huán)、電壓參考值前饋補(bǔ)償和電流環(huán)?，F(xiàn)有的關(guān)于控制環(huán)的研究大部分都是將電壓環(huán)和電流環(huán)串聯(lián)使用［7］，但是這種方法會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差，并且很難設(shè)定PI控制器的控制參數(shù)。本文中給出的控制方法是通過并聯(lián)電壓電流環(huán)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓并且改善系統(tǒng)暫態(tài)振蕩特性。

2.1電壓參考值前饋補(bǔ)償?shù)碾妷涵h(huán)設(shè)計(jì)

圖2給出了帶有電壓參考值前饋補(bǔ)償?shù)碾妷洪]環(huán)結(jié)構(gòu)。其中V*是由下垂控制產(chǎn)生的電壓參考值，V為逆變器的輸出電壓，V*和V構(gòu)成閉環(huán)電壓控制。V*與2/Vdc構(gòu)成電壓參考值的前饋補(bǔ)償。閉環(huán)電壓控制與前饋補(bǔ)償二者疊加的作用效果使控制系統(tǒng)輸出電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)整效果相比閉環(huán)電壓控制更有效，從而保證輸出電壓滿足控制要求。二者疊加后產(chǎn)生的占空比dˉ送入PWM逆變器。

圖2　帶有參考電壓前饋補(bǔ)償?shù)碾妷涵h(huán)結(jié)構(gòu)Fig.2 Voltage loop plus feed-forward stationary voltage

2.2負(fù)反饋?zhàn)枘犭娏鳝h(huán)設(shè)計(jì)

在暫態(tài)時(shí)，尤其是在孤網(wǎng)運(yùn)行模式下負(fù)荷最低處，濾波器中會(huì)有振蕩電流。為了提高暫態(tài)性能，控制策略中加入了1個(gè)帶有負(fù)反饋的電流環(huán)。電流環(huán)的結(jié)構(gòu)如圖3所示，iL是電感電流，d為輸送到PWM開關(guān)的占空比。電流控制環(huán)由二階帶通濾波器和PI控制器構(gòu)成，二階帶通濾波器將電感電流中的高頻振蕩分量提取出來(lái)，在經(jīng)過PI控制器后作為負(fù)反饋量與閉環(huán)電壓控制和前饋補(bǔ)償疊加，目的在于去除由電感電流中的高頻振蕩分量引起的輸出電壓振蕩。該二階帶通濾波器的中心頻率設(shè)為2 000 Hz，通頻帶的頻率設(shè)為628 Hz。

圖3　補(bǔ)償濾波器諧振電流的電流環(huán)Fig.3 Current loop compensating the filter-resonance current

2.3并行電壓電流多環(huán)反饋控制策略

圖4給出了帶有電壓參考值前饋補(bǔ)償并聯(lián)的電壓電流環(huán)結(jié)構(gòu)。這里的Vref是由下垂控制產(chǎn)生的電壓參考值，V是逆變器的輸出電壓。由電壓閉環(huán)產(chǎn)生的占空比dv和電壓參考值前饋補(bǔ)償產(chǎn)生的占空比df以及負(fù)反饋電流環(huán)產(chǎn)生的占空比dn三者疊加而成的占空比d，將作為PWM的輸入信號(hào)。

圖4　基于下垂控制的并行電壓電流多環(huán)控制框圖Fig.4 Based on the droop control parallel voltage current multi-loop control block diagram

3　逆變器控制器的設(shè)計(jì)與分析

3.1基于下垂控制的三相4線制獨(dú)立控制

三相4線制逆變器單相控制原理如圖5所示。

圖5　逆變器控制原理圖Fig.5 Schematic control method of inverter

這里用B相來(lái)說(shuō)明控制策略，A相和C相的控制方法和B相一樣。將檢測(cè)到的逆變器B相輸出電壓VoutB和電流ioutB進(jìn)行功率計(jì)算得到B相有功和無(wú)功功率PB，QB，根據(jù)改進(jìn)的下垂特性得到B相的電壓參考值V*B，之后將V*B送入帶有電壓參考值前饋補(bǔ)償?shù)碾妷涵h(huán)中達(dá)到單相控制的目的。

3.2控制參數(shù)及穩(wěn)定性分析

圖6給出了單相電壓電流環(huán)半橋型逆變器的一般等效模型，相互獨(dú)立的直流母線有相同的電壓參考值Vdc，該模型中受控電壓源dVdc/2代替了直流電壓源，并且d是連續(xù)的調(diào)制控制信號(hào)。從上述各級(jí)半橋型逆變器的等效模型可以得到d遵循下面的關(guān)系式：

圖6　半橋型逆變器信號(hào)部分等效模型Fig.6 The equivalent average model of single unit of half-bridge inverter

圖7給出了電壓電流閉環(huán)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)控制框圖。

圖7　系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)控制框圖Fig.7 Dynamic structure diagram of the control system

這里的Gvi(s)和Gid(s)是等效電源的傳遞函數(shù)，G2(s)為二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)。由式（2）可推出方框中的傳遞函數(shù)關(guān)系如下式所示：

其中

并行電壓電流環(huán)的傳遞函數(shù)如下式所示：

然而控制系統(tǒng)不僅僅要達(dá)到控制目的，還需要滿足穩(wěn)定性的要求。幅值裕度Gm和相角裕度Pm是衡量控制系統(tǒng)相對(duì)穩(wěn)定的2個(gè)重要的性能指標(biāo)。在Matlab中使用一些相關(guān)的指令，很容易得到它們的有效值。輸出功率設(shè)為5 kV·A，10 kV·A和15 kV·A。圖8給出了控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析。根據(jù)圖8再結(jié)合尼奎斯特穩(wěn)定判據(jù)，可知滿足如下條件控制系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定。Gm>0,Pm>0

圖8　控制模型穩(wěn)定性分析Fig.8 Stability analysis of the proposed control system

從圖8可以看出控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的，控制系統(tǒng)的參數(shù)選擇是正確的。這里需要指出的是圖8中在1.31e+004 rad/s處有一個(gè)波動(dòng)，該點(diǎn)處的頻率大概為2 086 Hz，這個(gè)頻率也是LC振蕩的頻率，也可以看做是對(duì)控制系統(tǒng)在2 086 Hz處的一個(gè)補(bǔ)償。

4　三相4線制微網(wǎng)實(shí)驗(yàn)仿真分析

一個(gè)三相4線制低壓微網(wǎng)由3個(gè)互聯(lián)的微源和3個(gè)負(fù)載組成，微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9　三相4線制微網(wǎng)仿真模型Fig.9 Three-phase four-wire microgrid simulation model

控制參數(shù)如下：

濾波器，Rf=0.01 Ω，Lf=1.5 mH，Cf=10μH，開關(guān)頻率fc=20 kHz，下垂控制增益m=0.015 625，下垂控制增益n=0.518 33，直流電壓Vdc=750 V，分裂電容C=0.5 F，PI控制器，kp1=0.005，ki1=0.007，kp2= 0.05，ki2=0.001，微源及負(fù)荷數(shù)量n=3，微網(wǎng)頻率fn=50 Hz，線路電阻r=0.642 Ω/km，線路電抗x= 0.083 Ω/km。

每個(gè)微源單元都使用15 kW的半橋型逆變器。為了驗(yàn)證所給出的控制策略有效性，在三相不平衡的條件下進(jìn)行模擬仿真。

B相和C相在初始階段設(shè)定各自的有功功率為8 kW，無(wú)功功率為6 kvar，A相的有功功率為12 kW，無(wú)功功率為9 kvar，在0.2 s時(shí)，A相切除4 kW的有功功率和3 kvar的無(wú)功功率，模擬在負(fù)荷改變和三相平衡條件下的情況。仿真的運(yùn)行時(shí)間為0.3 s。

4.1負(fù)荷變化時(shí)振蕩分析

當(dāng)微網(wǎng)的負(fù)荷改變時(shí)，尤其是當(dāng)負(fù)荷減小時(shí)。逆變器的輸出功率要大于負(fù)荷功率，電流會(huì)導(dǎo)致LC濾波器在負(fù)荷下降時(shí)發(fā)生振蕩。

這里用A相作為示例來(lái)分析振蕩。A相的初始階段相應(yīng)的有功功率為12 kW，無(wú)功功率為9 kvar，在0.2 s時(shí)，切除4 kW的有功功率和3 kvar的無(wú)功功率。0.2 s到0.214 9 s這一時(shí)間段發(fā)生了振蕩，在0.200 4 s時(shí)電壓波形達(dá)到了峰值475 V。振蕩的頻率近似為2 000 Hz。圖10給出了0.2 s時(shí)的振蕩情況。

圖10　負(fù)荷下降時(shí)的振蕩Fig.10 Oscillation at the step-down condition

傳送到逆變器的占空比，如圖11所示由3個(gè)部分組成。參考電壓前饋補(bǔ)償產(chǎn)生的占空比df保證了輸出電壓的平穩(wěn)。由電壓環(huán)產(chǎn)生的占空比dv會(huì)受負(fù)荷改變產(chǎn)生波動(dòng)。可以看出在切除負(fù)荷的時(shí)間里，由負(fù)反饋電流環(huán)產(chǎn)生的占空比dn，會(huì)提供1個(gè)負(fù)的有效值用以抵消dv產(chǎn)生的振蕩部分。

負(fù)反饋電流環(huán)的補(bǔ)償效果如圖12所示，振蕩的抑制效果是顯而易見的。

圖11　傳送到逆變器的占空比Fig.11　 Duty ratio delivered to the inverter

圖12　電流環(huán)補(bǔ)償后的電壓波形Fig.12 Voltage waveform with the compensating current loop

4.2負(fù)荷切除時(shí)間的分析

從上面的討論可以知道，當(dāng)0.2 s切除負(fù)荷時(shí)，因?yàn)槎嘤嗟碾娏鞔嬖趯?dǎo)致振蕩發(fā)生。應(yīng)該指出的是，切除負(fù)荷的時(shí)間也會(huì)影響到振蕩的強(qiáng)度。如圖13所示。從圖13中可以看出電感電流的波形呈正弦。在時(shí)間t1處切除負(fù)荷時(shí)，電感電流的有效值變?yōu)?，并且在LC濾波器中不會(huì)有振蕩出現(xiàn)，其中t1=0.201 2 s。

圖13　電感電流和負(fù)荷切除時(shí)間Fig.13 Inductance current and the cut off time of the loads

如圖14所示，在t2處切除負(fù)荷，則電感電流的有效值將達(dá)到最大值。這種情況下，電感器中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的振蕩，其中t2=0.206 2 s。

圖14　在t2處切除負(fù)荷時(shí)的輸出電流波形Fig.14 Output current waveform when the loads are cut off at t2

4.3三相4線制低壓微網(wǎng)的運(yùn)行

從以上的討論可知，負(fù)荷的切除時(shí)間應(yīng)該設(shè)為0.201 2 s，這樣可以減少振蕩的強(qiáng)度。在0 s到0.201 2 s之間，三相負(fù)荷不平衡，依據(jù)下垂控制的調(diào)整，A相參考電壓要低于B相和C相的參考電壓。為了避免三相電壓不平衡導(dǎo)致三相功率不平衡并且補(bǔ)償下垂控制產(chǎn)生的電壓偏移，將輸出電壓和參考電壓的差值送入下垂控制中，對(duì)電壓偏移量進(jìn)行補(bǔ)償［8］。

圖15給出了加入補(bǔ)償環(huán)后下垂控制產(chǎn)生的電壓參考值。

圖15　加入補(bǔ)償后三相電壓參考值Fig.15 Three-phase voltage references generated by the droop control plus the compensation

在穩(wěn)態(tài)階段，負(fù)荷是平衡的，低壓網(wǎng)的三相輸出電壓和三相輸出電流如圖16所示。

圖16　0.25 s到0.3 s穩(wěn)態(tài)下的三相輸出電壓和電流Fig.16 Output three-phase voltages and currents at steady state from 0.25 s to 0.3 s

由圖16可以看出，三相輸出電壓的峰值311±5 V，很好地滿足了電壓控制要求。輸出的三相電流也是平衡的，峰值為62.88 A。

圖17給出了在切除前后的三相電壓和三相電流。如圖在A相負(fù)荷切除之前，三相功率是不平衡的，A相電流增加，其峰值明顯高于B相和C相。并且輸出電流平穩(wěn)，沒有任何振蕩和諧波。在下降的時(shí)間段里，輸出電壓有輕微的振蕩。濾波效果明顯且有效，所給出的控制策略是有效的。

圖17　0.17 s到0.23 s切除前后的三相電壓電流Fig.17 Three-phase voltage and current waveforms around the cut-off time from 0.17 s to 0.23 s

5　結(jié)論

根據(jù)三相4線制微網(wǎng)的特點(diǎn)，提出了一個(gè)帶有電壓參考值前饋補(bǔ)償?shù)牟⑿须妷弘娏鳝h(huán)改進(jìn)型微網(wǎng)控制策略，該策略可以用來(lái)解決三相不平衡以及切負(fù)荷所帶來(lái)的電壓電流振蕩問題。利用PSIM仿真得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所給出的控制策略在三相4線制微網(wǎng)中的有效性。

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修改稿日期：2015-08-02

Voltage-current Multiple Feedback Loops in Parallel Control Scheme for Single-phase Inverters in Microgrid

QIN Mingyang1，LIU Chuang1，JIANG Minglei2
（1. Electric Institute，Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China；2. Power Economic Research Institute of Jilin，Changchun 130000，Jilin，China）

Abstract:In the three-phase four-wire microgrid，the large amount of single-phase load will always cause three phase imbalance. According to the traditional droop-controlled single-phase inverters using the voltage-current control loops in series，a novel voltage-current multiple-feedback loops in parallel control scheme was proposed for the microgrid to realize the stable three-phase unbalance control independently. The control strategy of closed loop with a reference voltage feed-forward compensation voltage as single phase inverter voltage control，at the same time of parallel current damping control to improve the transient performance of the system.By the end of the article using PSIM simulation system to verify the effectiveness of the proposed control strategy in microgrid islanded operation.

Key words:three-phase four-wire microgrid；sroop control；voltage-current loops in parallel；feed-forward compensation；filter-resonance current

收稿日期：2015-04-04

作者簡(jiǎn)介：秦銘陽(yáng)（1989-），男，碩士研究生，Email：594676004@qq.com

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A