基于改進(jìn)型P/Q控制的多源微電網(wǎng)功率脈動抑制*

董鶴楠，苑 舜，李 闖，韓子嬌，丁惜瀛

(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院 電網(wǎng)技術(shù)中心，沈陽 110006；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，沈陽 110870；3.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 調(diào)度控制中心，沈陽 110004；4.國家能源局 東北監(jiān)管局，沈陽 110006)

微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)配置靈活，可由單一種類微源DG(distributed generation)構(gòu)成，亦可由多種不同類型的DG構(gòu)建而成[1].風(fēng)電、光伏、儲能等多種類型的DG組成多源微電網(wǎng)，利用控制中心協(xié)調(diào)多種不同類型分布式能源，可有效降低清潔能源不確定性對電能質(zhì)量的影響.

多源微電網(wǎng)多種不同種類的DG能量互補(bǔ)性好，但由于各DG動、靜態(tài)性能差距大，加之負(fù)荷種類繁多，有相當(dāng)比例是單相負(fù)荷和非線性負(fù)荷，因此微網(wǎng)系統(tǒng)中存在三相電流、電壓不對稱現(xiàn)象[2-3].并網(wǎng)運行時，微電網(wǎng)三相電壓、電流不對稱，使得并網(wǎng)點傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率脈動嚴(yán)重，有功功率脈動會污染大電網(wǎng)的電能質(zhì)量，而無功功率脈動則產(chǎn)生嚴(yán)重的功率損耗；孤網(wǎng)運行時三相不平衡帶來的危害更為嚴(yán)重，甚至?xí)斐晌⒕W(wǎng)系統(tǒng)失穩(wěn)[4-6].

在微電網(wǎng)中，DG常用的控制策略包括P/Q控制、V/F控制和下垂控制.P/Q控制跟隨并網(wǎng)點電壓，通過控制并網(wǎng)電流使DG輸出功率跟隨給定值.采用P/Q控制的DG以電流形式并網(wǎng)，并、離網(wǎng)切換沖擊較小，但P/Q控制算法基于三相對稱提出，控制中難以解決三相不對稱問題[7-12].

文獻(xiàn)[13]分析了在電網(wǎng)發(fā)生故障情況下功率脈動的現(xiàn)象.文章指出為了得到有功脈動幅值和無功脈動幅值的變化關(guān)系，可以通過給定補(bǔ)償參數(shù)連續(xù)調(diào)節(jié)電流值.但該文章只是對功率脈動進(jìn)行了定性而不是定量分析，沒能給出功率脈動的準(zhǔn)確表達(dá)式，難以對功率脈動進(jìn)行針對性抑制.

本文提出一種改進(jìn)型P/Q控制策略，抑制功率脈動，通過陷波器對三相不平衡電壓和電流進(jìn)行正序、負(fù)序分解，定量給出有功、無功脈動幅值與正、負(fù)序電流之間的解析關(guān)系；在此基礎(chǔ)上通過正、負(fù)序電流解耦控制實現(xiàn)有功功率和無功功率調(diào)節(jié)，有效抑制功率脈動.

1 多源微電網(wǎng)模型

圖1的多源微電網(wǎng)由風(fēng)機(jī)、光伏、儲能三種微源構(gòu)成，有交流與直流兩種母線，微網(wǎng)通過交流母線的并網(wǎng)開關(guān)，實現(xiàn)微電網(wǎng)與主網(wǎng)之間的并、離切換.

圖1 多源微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖1的多源微電網(wǎng)采用主從控制，以儲能裝置作為主微源，風(fēng)電及光伏等微源作為從屬微源.孤網(wǎng)運行時，主微源通過V/F控制提供微電網(wǎng)的電壓及頻率基準(zhǔn)，其他從微源均采用P/Q控制，實現(xiàn)功率的最大輸出.

2 DG運行機(jī)理與功率脈動

DG并網(wǎng)逆變器通過濾波電抗L直接與電網(wǎng)相連，PCC處的三相電壓和電流及瞬時輸出功率可表示為

(1)

(2)

(3)

式中：ea、eb、ec和ia、ib、ic為PCC點處的三相瞬時電壓和電流；Ea、Eb、Ec和Ia、Ib、Ic為PCC點三相電壓和電流的有效值；α為瞬時電壓的初始相位；φ為瞬時電壓和電流的相角差.

當(dāng)a、b、c三相對稱時，三相合成總功率可表示為

S0=Sa+Sb+Sc=3E0I0cosφ

(4)

式中：E0=Ea=Eb=Ec；I0=Ia=Ib=Ic.

由式(3)、(4)可知，三相對稱交流系統(tǒng)中，單相功率存在二倍頻脈振分量，而三相總功率中二倍頻分量的和恒定為零，輸出總功率穩(wěn)定.

當(dāng)發(fā)生不對稱故障或單相負(fù)荷過重時，三相電壓、電流呈現(xiàn)出不對稱現(xiàn)象.理論上不對稱向量可以唯一地分解為正序、負(fù)序、零序三組對稱分量.因為采用的逆變器沒有零序通路，因此可利用不對稱分解理論將三相不對稱電壓電流分解為與同步轉(zhuǎn)速ω0正向旋轉(zhuǎn)的正序分量和反向旋轉(zhuǎn)的負(fù)序分量.

為了簡化分析，將PCC點的三相電壓和電流進(jìn)行d/q旋轉(zhuǎn)變換，三相不對稱時合成電壓、電流向量可表示為

(5)

(6)

PCC點三相瞬時有功與無功功率可表示為

P+jQ

(7)

(8)

式中：P0、Q0分別為有功、無功瞬時平均分量；Py2、Ps2為二倍頻有功瞬時脈動分量；Qy2、Qs2為二倍頻無功瞬時脈動分量，各分量幅值可表示為

(9)

(10)

(11)

由式(7)可知，系統(tǒng)存在不對稱電壓與電流時，系統(tǒng)輸出功率中二倍頻分量不為零，此時用電設(shè)備會產(chǎn)生振動，影響整個系統(tǒng)穩(wěn)定性.

3 功率脈動抑制方法

3.1 改進(jìn)型P/Q控制策略

基于P/Q控制機(jī)理，結(jié)合三相不平衡時有功與無功功率和正、負(fù)序電壓電流的關(guān)系，本文提出一種改進(jìn)型的P/Q控制結(jié)構(gòu)，抑制由不對稱產(chǎn)生的二倍頻脈動.

根據(jù)式(9)～(11)可推導(dǎo)出

(12)

由式(12)可知，策略可以通過控制電流實現(xiàn)功率脈動的抑制，在P/Q控制系統(tǒng)中計算出功率脈動Py2=0，Ps2=0時，正、負(fù)序電流的給定值，再利用疊加原理將正、負(fù)序電流分別作為P/Q控制的電流給定，實現(xiàn)功率脈動抑制.

圖2為改進(jìn)型P/Q控制結(jié)構(gòu)框圖，根據(jù)獲得的電流給定值，利用前饋-反饋復(fù)合控制算法來實現(xiàn)電壓值的給定，實現(xiàn)并網(wǎng)逆變器的輸出可跟隨給定值的目標(biāo).Pref、Qref為有功與無功功率給定值，其值與DG并網(wǎng)逆變器的瞬時功率平均分量相等，即Pref=P0，Qref=Q0.

圖2 改進(jìn)型P/Q控制算法結(jié)構(gòu)圖

逆變器輸出表達(dá)式為

(13)

3.2 正負(fù)序分量的分解

圖2的改進(jìn)型P/Q控制需要檢測PCC點正、負(fù)序電壓和電流值，根據(jù)式(5)將合成電流及負(fù)序電流轉(zhuǎn)換到正序電流坐標(biāo)系，電流測量值可表示為

I=I++e-j2ωtI-

(14)

由式(14)可知，在負(fù)序坐標(biāo)系下，正序電流為直流分量，而負(fù)序電流變?yōu)榻涣鞣至?，因此設(shè)計一個二倍頻陷波器則可以濾除負(fù)序分量，獲得電流正序分量的測量值.

4 仿真分析及驗證

在MATLAB平臺上建立如圖1所示的多源微電網(wǎng)仿真模型，加入不對稱負(fù)載，PCC點處的電流、有功功率、無功功率波形如圖3所示.

圖3a為負(fù)荷不對稱引起的PCC點處電流不對稱曲線，圖3b中位于正半軸的曲線為有功功率波形，位于負(fù)半軸的曲線為無功功率波形，可見三相不對稱電流造成了有功功率和無功功率的脈動.傳統(tǒng)P/Q控制可顯見有功與無功功率呈二倍頻脈動.

圖3 傳統(tǒng)P/Q控制動態(tài)性能曲線

改進(jìn)型P/Q控制正負(fù)序電流曲線如圖4所示，位于正半軸的曲線為正序電流波形，位于負(fù)半軸的曲線為負(fù)序電流波形.在20 s內(nèi)負(fù)序電流隨著控制時間的增加顯著下降，電流負(fù)序量的減少必然使三相電流平衡度大幅提高，同時降低了功率脈動.

改進(jìn)型P/Q控制動態(tài)性能曲線如圖5所示.圖5b中位于正半軸的曲線為有功功率波形，位于負(fù)半軸的曲線為無功功率波形.經(jīng)過改進(jìn)型P/Q控制后，電流恢復(fù)為三相對稱電流，有功和無功功率脈動降低了50%，得到了明顯的抑制.

圖4 改進(jìn)型P/Q控制正負(fù)序電流曲線

圖5 改進(jìn)型P/Q控制動態(tài)性能曲線

5 結(jié) 論

本文提出了一種改進(jìn)型P/Q控制策略，用來抑制三相不平衡引起的功率二倍頻脈動.仿真結(jié)果表明：當(dāng)三相電流不對稱產(chǎn)生功率脈動時，改進(jìn)型P/Q控制方法通過對并網(wǎng)點電壓電流進(jìn)行正負(fù)序分解，可以實現(xiàn)正負(fù)序電流解耦控制，限制了負(fù)序電流，進(jìn)而有效抑制了功率脈動.