微電網(wǎng)電壓不平衡的分層補償控制策略

黎金英， 艾　欣， 鄧玉輝

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，102206 北京; 2.綏和工業(yè)學(xué)院，電氣與電子工程學(xué)院，56000 越南 綏和)

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微電網(wǎng)電壓不平衡的分層補償控制策略

黎金英1,2， 艾欣1， 鄧玉輝2

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，102206 北京; 2.綏和工業(yè)學(xué)院，電氣與電子工程學(xué)院，56000 越南 綏和)

摘要:微電網(wǎng)是消納分布式電源的有效手段之一，然而也帶來了其自身的電壓控制的難題，特別是公共連接點處的三相電壓不平衡問題比較突出，為此提出一種微電網(wǎng)公共連接點電壓雙極補償控制方法，上層控制發(fā)送與電壓的正序和負(fù)序分量有關(guān)的控制信號，采用雙電流環(huán)的控制器可得到電流給定值；下層控制通過雙電流環(huán)控制器實施. 針對PCC點三相電壓不平衡的問題，應(yīng)用dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)分解原理，提出一種基于改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)(IDDSRF-PLL)的控制方法，能夠?qū)崿F(xiàn)正負(fù)序分量的獨立控制，并通過控制給定模型的正負(fù)序電流和電壓不平衡補償控制器得到三相平衡電壓，使得公共連接點母線電壓的二倍頻波動部分為零，從而實現(xiàn)了對三相電壓不平衡的補償控制. 利用MATLAB/Simulink對微電網(wǎng)接入電網(wǎng)進(jìn)行建模仿真，結(jié)果表明，分層控制方法能夠較好的實現(xiàn)對微電網(wǎng)的電壓控制.

關(guān)鍵詞:微電網(wǎng)；三相電壓不平衡；鎖相環(huán)；PQ控制；分層控制

近年來，越來越多的分布式電源(distributed generation，DG)接入微電網(wǎng)，對微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生了很大的影響；微電源的運行特性及控制方法、微電源的接入點和容量、微電網(wǎng)運行方式和控制方法、一般采用的電力電子裝置、儲能設(shè)備和負(fù)荷特性都會對電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而會導(dǎo)致公共連接點(point of common coupling, PCC)的微電網(wǎng)電壓不平衡[1]. 當(dāng)微電網(wǎng)公共連接點的電壓不平衡時，微電網(wǎng)電壓存在正負(fù)序分量，如果沒有補償措施，不平衡電壓可能導(dǎo)致失去電機(jī)負(fù)荷和敏感裝置的異常運行等情況，給微電網(wǎng)帶來電能質(zhì)量問題[2]. 因此，研究微電網(wǎng)電壓不平衡補償，基于分層控制的運行控制具有重要的實際意義. 目前已有文獻(xiàn)對不平衡微電網(wǎng)電壓補償主要是通過串聯(lián)電能質(zhì)量控制器以及向線路注入負(fù)序電壓分量來實現(xiàn)的[3]. 文獻(xiàn)[4]提出采用并聯(lián)電能質(zhì)量控制器來抑制電壓不平衡，通過補償線路電流來實現(xiàn)電壓不平衡補償. 但是沒有考慮到負(fù)荷出現(xiàn)嚴(yán)重不平衡時會導(dǎo)致分布式電源并網(wǎng)逆變器輸出有功功率和無功功率存在的二倍頻波動. 文獻(xiàn)[5]提出了一種雙同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系控制策略可以抑制電網(wǎng)電壓不平衡情況下引起的有功、無功功率的二倍頻波動. 文獻(xiàn)[6]介紹了一種基于串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)的多微電網(wǎng)系統(tǒng)分層協(xié)調(diào)控制策略，該方法的分層控制能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)和并聯(lián)結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線功率調(diào)節(jié)指令的分配，得出電壓的幅值差、頻率差都在一定范圍內(nèi)，但是沒有考慮整個微電網(wǎng)電壓不平衡情況下的影響. 文獻(xiàn)[7-9]主要研究交直流微電網(wǎng)的構(gòu)成和各種運行模式的基礎(chǔ)上，提出電壓分層協(xié)調(diào)控制策略. 該分層控制策略通過檢測直流電壓的變化量來控制各電力電子變流器的工作方式，得到微電網(wǎng)內(nèi)的有功功率平衡，但是該控制策略沒有涉及到公共連接點電壓的不平衡補償. 綜上所述，當(dāng)微電網(wǎng)公共連接點的電壓不平衡時，微電網(wǎng)中的電壓存在正序分量和負(fù)序分量，正序電壓分量轉(zhuǎn)化為直流分量，而負(fù)序電壓分量則轉(zhuǎn)化為二倍頻分量. 為了補償微電網(wǎng)電壓中的負(fù)序分量，本文提出一種基于分層控制的微電網(wǎng)電壓不平衡補償控制策略，分層控制的策略主要包括兩層. 在初級控制中，該層控制包括分布式電源和負(fù)荷控制，分布式電源通過逆變器輸出的有功功率和無功功率存在的二倍頻波動，功率中的二倍頻波動引起公共連接點電壓的不平衡. 二級控制可補償電壓的不平衡造成影響. 在此層控制中，要確保微電網(wǎng)和主電網(wǎng)之間的同步；基于改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)(IDDSRF-PLL)，在IDDSRF-PLL中，采用了一個簡單的一階低通濾波器(low pass filter，LPF)對正序分量和負(fù)序分量進(jìn)行解耦. 最后，利用MATLAB/Simulink軟件對電壓不平衡的仿真結(jié)果表明，采用該方法的分層控制在微電網(wǎng)電壓不平衡的情況下，能實現(xiàn)較好的動態(tài)補償效果.

1微電網(wǎng)的初級控制策略

1.1不平衡電壓下DG逆變器模型

三相逆變器的分布式電源電路結(jié)構(gòu)如圖1所示. 圖1中，Vdc為直流母線電壓；ia、ib、ic分別為逆變器的A、B、C三相輸出電流；T1→T6為逆變器的開關(guān)器IGBT. 分布式電源通過輸出的電感La、Lb、Lc和電阻Ra、Rb、Rc連接到微電網(wǎng)公共連接點上，當(dāng)微電網(wǎng)處于電壓不平衡狀態(tài)時，微電網(wǎng)電壓和電流在靜止αβ坐標(biāo)系中，不僅存在以同步速角頻率ω正向旋轉(zhuǎn)的正序分量，還存在以角頻率ω反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序分量.

圖1　分布式電源逆變器等效電路

公共連接點處的電壓在同步dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的復(fù)矢量[10]，可以表示為

(1)

(2)

由式(2)可以看出，在正向同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，微電網(wǎng)電壓不僅存在有正序直流分量，也存在有二倍頻波動的負(fù)序交流分量. 在微電網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器一般采用靜止坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型可以表示為

(3)

當(dāng)PCC處電壓不平衡時，微電網(wǎng)的電壓分量Uαβ，Iαβ均含有正、負(fù)序分量. 類似式(1)可以寫成

(4)

(5)

根據(jù)以上分析，當(dāng)PCC處電壓不平衡時，分布式電源并網(wǎng)逆變器在正序、負(fù)序兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型可以分別表示為

(6)

(7)

1.2不平衡電壓下DG功率的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)微電網(wǎng)公共連接點的電壓不平衡時，分布式電源并網(wǎng)逆變器輸出的視在功率，可以表示為

(8)

將式(8)寫成代數(shù)形式的瞬時有功功率和無功功率形式[11]，可以表示為

(9)

其中，有功功率為

(10)

無功功率為

(11)

式中：P0、Q0分別為有功功率、無功功率的平均值；Pc2、Ps2分別為有功功率的二倍頻波動分量幅值；Qc2、Qs2分別為無功功率的二倍頻波動分量幅值. 從式(10)、(11)可以看出，當(dāng)公共連接點處電壓不平衡時，分布式電源并網(wǎng)逆變器的輸出瞬時有功功率P(t)及無功功率Q(t)，存在二倍頻的波動. 因此，根據(jù)應(yīng)用場合的不同，對于微電網(wǎng)電壓不平衡情況下，分布式電源并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)有以下3種[12].

1)目標(biāo)1為消除輸出有功功率的二倍頻波動，即Pc2=Ps2=0，式(10)、(11)可以寫成

(12)

(13)

式中KvP、KvI分別為PI控制器的比例參數(shù)和積分參數(shù).

2)目標(biāo)2為消除輸出無功功率的二倍頻波動，即Qc2=Qs2=0，式(10)、(11)可以寫成

(14)

(15)

1.3雙電流環(huán)控制器

由式(12)、(14)、(15)可知，正序和負(fù)序給定電流中都只含有直流分量，通常采用PI控制器，可以實現(xiàn)對并網(wǎng)逆變器交流側(cè)正序和負(fù)序電流的各自獨立無靜差控制，從而可以實現(xiàn)完全抑制因微電網(wǎng)在PCC處由于電壓不平衡所產(chǎn)生的直流母線電壓的二倍振蕩. 根據(jù)式(6)、(7)，可得到并網(wǎng)逆變器在兩相旋轉(zhuǎn)

(16)

(17)

綜合以上分析，本文提出了微電網(wǎng)電壓不平衡補償?shù)姆謱涌刂圃?，如圖2所示. 當(dāng)微電網(wǎng)公共連接點的電壓不平衡時，雙電流環(huán)控制器可以實現(xiàn)正序和負(fù)序電流的獨立控制. 此時，正負(fù)序電流控制指令中只含有直流分量，從而雙電流環(huán)控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)在向電網(wǎng)三相電流中注入適當(dāng)?shù)呢?fù)序電流分量來滿足對直流母線電壓的控制要求. 實際運行中，分布式電源初級控制利用式(12)、(14)、(15)方法，采用雙電流環(huán)的控制器可得到電流給定值，并且進(jìn)行控制，但是微電網(wǎng)電壓的負(fù)序分量仍然存在. 為了完全消除直流母線電壓的二倍頻波動，要得到微電網(wǎng)在公共連接點平衡的電壓, 此時微電網(wǎng)中電壓負(fù)序分量為零，因此考慮引入二級控制策略.

圖2　微電網(wǎng)電壓不平衡補償?shù)姆謱涌刂圃砜驁D

2電壓不平衡補償?shù)亩壙刂撇呗?/p>

從圖2可以看出，改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)和電壓不平衡補償控制器的關(guān)系，在本文中稱之為二級控制. 在正常運行條件下，微電網(wǎng)電壓三相平衡且畸變較小，電壓不平衡在允許范圍之內(nèi)，利用傳統(tǒng)鎖相環(huán)能準(zhǔn)確的提取出電網(wǎng)電壓相角，使微電網(wǎng)電壓與電網(wǎng)電壓保持同步. 在微電網(wǎng)電壓不平衡條件下，微電網(wǎng)中的電壓存在正序分量和負(fù)序分量，正序電壓分量轉(zhuǎn)化為直流分量，負(fù)序電壓分量轉(zhuǎn)化為二倍頻分量. 為補償微電網(wǎng)電壓中的負(fù)序分量，此時必須采取適合于微電網(wǎng)的不平衡情況下的鎖相環(huán). 本文提出一種負(fù)序分量補償控制策略，結(jié)合改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)控制，確保并網(wǎng)電壓無畸變且對稱并網(wǎng)，從而保證了并網(wǎng)電能質(zhì)量. 下面介紹了改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)和電壓不平衡補償控制器的關(guān)系.

2.1改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)建模

(18)

(19)若

(20)

(21)

(22)

(23)

圖3　IDDSRF-PLL原理框圖

由圖3可知，當(dāng)微電網(wǎng)公共連接點處電壓不平衡時，在正序(dq)+坐標(biāo)系下的q軸，分布式電源逆變器輸出的電壓vsq+1不僅含有正序分量的直流部分，同時也含有負(fù)序分量的交流部分，即vsq+1≠0.

2.2電壓不平衡補償控制器

(24)

由式(24)可得如圖4所示的電壓不平衡補償控制器的結(jié)構(gòu)框圖.

圖4　電壓不平衡補償控制器的結(jié)構(gòu)框圖

3仿真結(jié)果與分析

為了驗證上述控制策略的正確性和有效性，在MATLAB/Simulink仿真平臺上搭建了仿真模型，仿真模型如圖5所示.

圖5　系統(tǒng)仿真模型

圖5系統(tǒng)中主電路參數(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；電感為L1=L2=L3=L4=0.35 mH；電阻為R1=R2=R3=R4=0.03 Ω；線路電阻為RL1=0.23 Ω，RL2=0.35 Ω，RL3=0.23 Ω；線路電感為LL1=318 μH，LL2=1 487 μH，LL3=318 μH. 負(fù)荷參數(shù)：非線性負(fù)荷(1)為三相不可控整流橋帶純阻性負(fù)荷R=8 Ω, 整流橋進(jìn)線電感L=2 mH；線性負(fù)荷(2)為P=15 kW，Q=7.6 kVar. 控制器參數(shù)：逆變器開關(guān)頻率為3 kHz；電壓外環(huán)為KvP=0.35，KvI=400；電流內(nèi)環(huán)為KiP=0.7，KiI=100；電壓補償為KPVUF=0.5，KIVUF=7；IDDSRF-PLL分別為τ=80 ms，ωf=6 kHz，KpPLL=150，KiPLL=103. PCC處輸出的有功功率和無功功率如圖6、7所示.

圖6　PCC處輸出的有功功率

圖7　PCC處輸出的無功功率

頻率響應(yīng)如圖10所示，包括電網(wǎng)頻率為fg、微電網(wǎng)頻率為fMG、微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的同步頻率輸出偏差為Δf. 并網(wǎng)后，PCC處的電壓和相角如圖11、12所示, 在0.02～0.1 s之間均有不平衡量. 根據(jù)IEEE 1547標(biāo)準(zhǔn)，對于容量為(0～500 kVA)的分布式電源，進(jìn)行并網(wǎng)時，允許頻率偏差為±0.3 Hz，允許電壓偏差為±10%和相角偏差為±20°. 另外，微電網(wǎng)接入主電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定要求微電網(wǎng)能夠承受的電壓不平衡度KVUF最大4%的不平衡電網(wǎng)電壓[16]，如圖13所示.

圖8　dq坐標(biāo)下正序電流

圖9　dq坐標(biāo)下負(fù)序電流

圖10　頻率響應(yīng)

圖11　PCC處輸出電壓波形

圖12　微電網(wǎng)與主電網(wǎng)的同步相角

圖13　PCC處輸出電壓不平衡度

4結(jié)論

1)針對微電網(wǎng)中的分布式電源并網(wǎng)帶來的電壓不平衡問題，提出了基于分層控制的微電網(wǎng)電壓不平衡補償控制策略. 利用改進(jìn)解耦的雙同步坐標(biāo)系鎖相環(huán)，實現(xiàn)正負(fù)序分量的獨立控制，構(gòu)建了電壓不平衡補償控制器. 不僅提高了系統(tǒng)供電可靠性，而且保證了微電網(wǎng)各種運行方式的無縫切換.

2)在負(fù)荷變化時所造成PCC處微電網(wǎng)電壓不平衡的情況下，微電網(wǎng)將保持系統(tǒng)電壓平衡. 同時，頻率、電壓相角、電壓不平衡度KVUF都在允許范圍內(nèi).

3)通過MATLAB/simulink仿真結(jié)果表明，該分層控制在微電網(wǎng)電壓不平衡的情況下，能實現(xiàn)較好的動態(tài)補償效果.

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(編輯魏希柱)

Hierarchical control strategy for voltage unbalance compensation in micro-grid

LE Kim Anh1,2，AI Xin1，DANG Ngoc Huy1

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University),102206 Beijing，China; 2. Electrical and Electronic Engineering，Tuy Hoa Industrial College，56000 Tuy Hoa，Vietnam)

Abstract:Micro-grid is one of the effective means to absorb distributed generations; however, this also results in issues of voltage instability and difficulty in operation controlling of the micro-grid, especially the unbalanced three-phase voltage at the point of common coupling (PCC). This paper proposes a control for micro-grid voltage bipolar compensation at the point of common coupling, the upper level sends the control signals, these control signals relate to the positive-and negative-sequence components of the unbalanced voltage, dual the current control loop current setpoint is obtained. The lower control loop controller through dual current implementation, in view of the PCC point of three-phase voltage imbalance problem, application of dq rotating coordinate decomposition principle, proposed dual synchronous coordinate system based on improved decoupling phase-locked loop (IDDSRF-PLL) to independently control the positive and negative sequence voltage component. Furthermore, the three-phase balance voltage could be achieved by controlling the model of positive and negative sequence currents, and using the unbalance voltage compensation controller, bus voltage doubler fluctuation at point of common coupling is zero, thus realizing the three-phase control voltage unbalance compensation. MATLAB/Simulink software is used to set up the simulation model of connecting micro-grid to the main grid. The simulation results show that the hierarchical control method is effective to implement voltage control of micro-grid.

Keywords:microgird; three-phase voltage unbalance; phase-locked loop; PQ control; hierarchical control

中圖分類號:TM712

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:0367-6234(2016)03-0046-07

通信作者:LE Kim Anh(黎金英)，tdhlekimanh@gmail.com.

基金項目:國家自然科學(xué)基金(513111122)；高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(B08013)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2011AA05A301).

作者簡介:LE Kim Anh(黎金英)(1979—)，男，博士研究生；

收稿日期:2014-07-08.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.008

艾欣(1964—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.