基于柔性變電站的雙向DC∕AC變換器關(guān)鍵控制技術(shù)綜述

（北方工業(yè)大學(xué) 北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心，北京 100144）

為解決不同形式的新能源接入電網(wǎng)以及負(fù)荷用電多樣化的需求，2015年全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院提出柔性變電站的概念[1]，并將其付之于實(shí)踐，建立了世界首個(gè)示范工程——張北交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程，其中，由國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司建設(shè)運(yùn)營(yíng)的柔性變電站于2018年1月在阿里數(shù)據(jù)港張北數(shù)據(jù)中心成功并網(wǎng)運(yùn)行[2]。

張北柔性變電站具有10 kV，380 V兩個(gè)交流端口，±10 kV，750 V兩個(gè)直流端口，四個(gè)端口均支持能量雙向流動(dòng)[3]，交流380 V和直流750 V兩個(gè)端口間采用雙向DC∕AC變換器進(jìn)行聯(lián)接[4]。雙向DC∕AC變換器的穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)柔性變電站安全高效應(yīng)用的基礎(chǔ)，而柔性變電站是一個(gè)具有大量電力電子裝置、非線性負(fù)荷、不平衡負(fù)荷等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)所，需采用相應(yīng)的控制技術(shù)，保證雙向DC∕AC變換器輸出電能質(zhì)量[5]。

以張北交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程為實(shí)例，闡述柔性變電站雙向DC∕AC變換器控制技術(shù)，重點(diǎn)針對(duì)諧波補(bǔ)償、電壓不平衡抑制、多機(jī)并聯(lián)等關(guān)鍵控制深入分析，并探討柔性變電站用雙向DC∕AC變換器控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 柔性變電站示范工程

1.1 整體示范工程組網(wǎng)方案

張北交直流配電網(wǎng)及柔性變電站示范工程采用基于柔性變電站的交直流配電技術(shù)，用戶是阿里數(shù)據(jù)港張北數(shù)據(jù)中心，其組網(wǎng)方案如圖1所示。柔性變電站為數(shù)據(jù)中心服務(wù)器、冷卻設(shè)備、電動(dòng)汽車等直流負(fù)荷和其它交流用電設(shè)備供電[6]。

圖1 示范工程組網(wǎng)方案Fig.1 Demonstration engineering networking scheme

1.2 柔性變電站系統(tǒng)組成

柔性變電站是電力電子技術(shù)和變電站技術(shù)的深度融合[7]，其一次系統(tǒng)以電力電子設(shè)備為基礎(chǔ)，結(jié)合先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)以及控制保護(hù)技術(shù)[8]。相比于傳統(tǒng)變電站，柔性變電站不僅是能量傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)，也是電網(wǎng)調(diào)控節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷調(diào)控節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)分布式電源及多元負(fù)荷友好接納、潮流精確靈活控制、故障快速隔離等功能，是進(jìn)行能量變換和傳輸?shù)男滦妥冸娬綶9]。柔性變電站參與潮流調(diào)控，打破了原電網(wǎng)只能根據(jù)阻抗進(jìn)行潮流分布的剛性結(jié)構(gòu)，使電網(wǎng)的運(yùn)行與調(diào)度更加靈活。柔性變電站與交直流配電網(wǎng)相結(jié)合，推動(dòng)了“源-網(wǎng)-荷”協(xié)調(diào)發(fā)展，提高了用戶供電電能質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景[10]。

柔性變電站核心設(shè)備是多功能交直流電力電子變壓器（PET）[11]，可根據(jù)系統(tǒng)電壓等級(jí)及不同負(fù)荷情況設(shè)置多個(gè)端口。以張北柔性變電站為例，其PET具有交流10 kV，380 V和直流±10 kV，750 V四個(gè)端口，如圖2所示，各端口均可實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)，滿足潮流精確靈活控制需求。交流10 kV，直流±10 kV和750 V端口采用多模塊一體化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一、二次設(shè)備的高度融合；交流380 V端口采用獨(dú)立柜式結(jié)構(gòu)，以便于系統(tǒng)增容擴(kuò)展[6]。

圖2 PET結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 PET structural representation

雙向DC∕AC變換器是柔性變電站的重要組成部分，可采用兩電平或多電平變流器單臺(tái)或多臺(tái)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，以支持大功率負(fù)荷。雙向DC∕AC變換器直流側(cè)聯(lián)接PET 750 V直流母線、交流側(cè)聯(lián)接380 V交流電網(wǎng)和本地負(fù)荷，作用是將PET低壓側(cè)直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨?fù)荷供電或?qū)⒐β驶仞侂娋W(wǎng)，也可將交流電整流為直流輔助PET啟動(dòng)。

2 雙向DC∕AC變換器工作模式分析及控制技術(shù)

雙向DC∕AC變換器作為柔性變電站接口裝置，能根據(jù)柔性變電系統(tǒng)上層調(diào)度控制低壓交直流端口之間的功率流向。按照是否與電網(wǎng)相聯(lián)將雙向DC∕AC變換器的工作模式分為并網(wǎng)、離網(wǎng)及并離網(wǎng)切換，并網(wǎng)工作模式下能實(shí)現(xiàn)功率的雙向流動(dòng)，離網(wǎng)工作模式下功率由直流750 V端口流向交流負(fù)載。根據(jù)柔性變電站設(shè)計(jì)需求與負(fù)載特性，雙向DC∕AC變換器在運(yùn)行時(shí)需著重考慮：1）并網(wǎng)輸出電流、離網(wǎng)輸出電壓諧波畸變問(wèn)題；2）電網(wǎng)電壓不平衡、離網(wǎng)輸出電壓不平衡問(wèn)題；3）多機(jī)并聯(lián)等問(wèn)題。因此，其控制分類如圖3所示。

圖3 雙向DC∕AC變換器工作模式及相應(yīng)控制Fig.3 Bidirectional DC∕AC converter working mode and corresponding control

2.1 并網(wǎng)工作模式及控制技術(shù)

雙向DC∕AC變換器在并網(wǎng)工作模式根據(jù)功率流向不同又可分為整流模式和逆變模式。工作于整流模式時(shí)，將直流母線電壓控制為750 V，功率由交流380 V端口流向直流750 V端口。在整流模式下雙向DC∕AC變換器通常采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)用于控制直流母線電壓，電流內(nèi)環(huán)用來(lái)提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度[12]。

雙向DC∕AC變換器工作在并網(wǎng)逆變模式向電網(wǎng)饋送能量，功率由直流750 V端口流向交流380 V端口，需精確控制變換器輸出功率，通常采用PQ控制策略[13]，即功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制，變換器并網(wǎng)時(shí)交流側(cè)電壓被鉗位為電網(wǎng)電壓，只需控制變換器輸出電流即可控制系統(tǒng)向電網(wǎng)傳輸?shù)墓β?，因此也可采用單電流閉環(huán)控制[14]。柔性變電站中存在大量電力電子設(shè)備、非線性負(fù)載，且電網(wǎng)會(huì)出現(xiàn)三相不平衡情況，都將導(dǎo)致雙向DC∕AC變換器并網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)電流諧波畸變問(wèn)題，因此并網(wǎng)逆變模式下還需加入諧波電流補(bǔ)償控制、不平衡電網(wǎng)下并網(wǎng)逆變控制技術(shù)及多機(jī)并聯(lián)控制技術(shù)。

2.2 離網(wǎng)工作模式及控制技術(shù)

雙向DC∕AC變換器工作在離網(wǎng)模式為交流負(fù)載供電，離網(wǎng)下變換器交流側(cè)失去電網(wǎng)電壓鉗位，因此需要對(duì)變換器輸出電壓及頻率進(jìn)行控制，通常采用恒壓恒頻控制策略[15]。柔性變電站中交流負(fù)載包含非線性負(fù)載、單相負(fù)載，導(dǎo)致雙向DC∕AC變換器輸出電壓諧波畸變以及電壓不平衡問(wèn)題，因此在離網(wǎng)時(shí)還需考慮諧波電壓補(bǔ)償控制、電壓不平衡抑制以及多機(jī)并聯(lián)控制。

2.3 并/離網(wǎng)切換及控制技術(shù)

柔性變電站中雙向DC∕AC變換器的并∕離網(wǎng)切換分為并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)和離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)，是并網(wǎng)、離網(wǎng)兩種穩(wěn)態(tài)模式間相互切換的暫態(tài)過(guò)程。離網(wǎng)下DC∕AC變換器輸出電壓幅值和相位與電網(wǎng)電壓可能存在偏差，直接閉合并∕離網(wǎng)切換開關(guān)將導(dǎo)致較大電流沖擊，因此需要進(jìn)行電壓的預(yù)同步控制[16]。在并網(wǎng)轉(zhuǎn)離網(wǎng)時(shí)將電網(wǎng)電壓的幅值與相位信息作為離網(wǎng)控制的初始值，保證在切換瞬間電壓不會(huì)突變；在離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)時(shí)同樣需要根據(jù)電網(wǎng)電壓的幅值及相位信息對(duì)離網(wǎng)下變換器輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，待兩電壓幅值及相位相同時(shí)閉合并∕離網(wǎng)開關(guān)，從而完成切換過(guò)程。并∕離網(wǎng)的切換時(shí)間由電壓預(yù)同步時(shí)間及切換開關(guān)響應(yīng)時(shí)間共同決定[17]。

3 雙向DC∕AC變換器關(guān)鍵控制技術(shù)

在不同工況所采用的控制技術(shù)中，并網(wǎng)整流、逆變及離網(wǎng)控制是實(shí)現(xiàn)雙向DC∕AC變換器控制功能的基礎(chǔ)，其控制技術(shù)已得到廣泛研究和應(yīng)用。較之傳統(tǒng)變電站，柔性變電站包含大量電力電子設(shè)備、單相及非線性負(fù)載，會(huì)引發(fā)更為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題[18]，因此，諧波補(bǔ)償、電壓不平衡抑制、多機(jī)并聯(lián)等控制成為柔性變電站中雙向DC∕AC變換器能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵，本文將對(duì)這些關(guān)鍵控制技術(shù)展開論述，而并網(wǎng)整流、逆變和離網(wǎng)下的基礎(chǔ)控制因其應(yīng)用廣泛而不贅述。

3.1 諧波補(bǔ)償技術(shù)

實(shí)際中電網(wǎng)電壓常含有低次諧波，會(huì)導(dǎo)致雙向DC∕AC變換器在并網(wǎng)時(shí)電流畸變，而離網(wǎng)時(shí)帶非線性負(fù)載使輸出電壓畸變，需采用諧波補(bǔ)償控制算法對(duì)并網(wǎng)輸出電流及離網(wǎng)輸出電壓諧波進(jìn)行補(bǔ)償，以確保DC∕AC變換器輸出電能質(zhì)量。電流、電壓的諧波補(bǔ)償雖控制對(duì)象不同，但控制原理相同，下面將以諧波電流補(bǔ)償控制為例進(jìn)行闡述。

諧波補(bǔ)償對(duì)系統(tǒng)采樣、計(jì)算、控制的實(shí)時(shí)性和精確性要求較高，關(guān)鍵在于諧波檢測(cè)與諧波指令跟蹤控制。根據(jù)諧波電流補(bǔ)償方式不同可分為諧波電流全補(bǔ)償和分次諧波電流補(bǔ)償[19-22]，而雙向DC∕AC變換器的LC濾波器決定其只能對(duì)LC截止頻率以下的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，因此需采用分次諧波補(bǔ)償控制技術(shù)對(duì)系統(tǒng)中的低頻諧波進(jìn)行補(bǔ)償。常用的分次諧波電流補(bǔ)償控制按所用控制器不同分類為：基于PI控制器的分次諧波補(bǔ)償、基于PR控制器的分次諧波補(bǔ)償、基于VPI控制器的分次諧波補(bǔ)償。

3.1.1 基于PI控制器的分次諧波電流補(bǔ)償

由于PI控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)直流信號(hào)的無(wú)靜差跟蹤，因此可將需補(bǔ)償?shù)哪炒沃C波在相應(yīng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下轉(zhuǎn)換為直流量，對(duì)每次諧波對(duì)應(yīng)的直流量分別進(jìn)行PI控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定次諧波的無(wú)靜差跟蹤。文獻(xiàn)[23]采用PI控制器在多個(gè)同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)電流諧波分次補(bǔ)償，介紹了諧波電流控制器設(shè)計(jì)方法，諧波補(bǔ)償控制環(huán)如圖4所示。該技術(shù)對(duì)每個(gè)頻率的諧波控制均需要進(jìn)行相應(yīng)的坐標(biāo)變換以及設(shè)置PI控制器，對(duì)指定次諧波提取精度較高，但所需計(jì)算量較大將占用大量控制芯片資源。在電網(wǎng)不平衡情況下，各次諧波均包含正負(fù)序分量，采用此控制技術(shù)需要將正、負(fù)序分量分離后分別進(jìn)行控制[24]，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。

圖4 基于PI控制器的分次諧波電流補(bǔ)償控制框圖Fig.4 Blocking harmonic current compensation control block diagram based on PI controller

3.1.2 基于PR控制器的分次諧波電流補(bǔ)償

諧振控制器源于控制理論中的內(nèi)膜原理，在諧振點(diǎn)處產(chǎn)生無(wú)窮大增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)指定頻率的諧波電流無(wú)差補(bǔ)償。文獻(xiàn)[25]采用比例諧振（PR）控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流控制，因其具有頻率選擇特性而省去了諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)，控制框圖如圖5所示。它基于兩相靜止坐標(biāo)系，可對(duì)同一頻率的正、負(fù)序諧波同時(shí)補(bǔ)償，無(wú)需坐標(biāo)變換，但每個(gè)控制器只能對(duì)一個(gè)頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，需根據(jù)被補(bǔ)償諧波次數(shù)不同增加相應(yīng)的控制器，其計(jì)算量適中，但PR控制器不易調(diào)節(jié)參數(shù)，容易造成臨近頻率串?dāng)_并引起系統(tǒng)諧振[26]。

圖5 基于PR控制器的分次諧波電流補(bǔ)償控制框圖Fig.5 Blocking harmonic current compensation control block diagram based on PR controller

3.1.3 基于VPI控制器的分次諧波電流補(bǔ)償

PR控制器在補(bǔ)償較高次諧波時(shí)需加入延時(shí)補(bǔ)償，而矢量比例積分（VPI）控制器在不加入任何延時(shí)補(bǔ)償?shù)那闆r下可補(bǔ)償?shù)?1次諧波[27]，它是PR控制器的改進(jìn)形式，同樣可在諧振頻率處產(chǎn)生極大的開環(huán)增益，因此具備頻率選擇特性，與PR控制器相比，VPI控制器不存在諧振尖峰問(wèn)題，具有更好的補(bǔ)償性能。文獻(xiàn)[28]提出一種基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的VPI控制策略，如圖6所示，在基波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)需補(bǔ)償?shù)母鞔沃C波設(shè)置相應(yīng)的VPI控制器，利用其頻率選擇特性對(duì)指定頻率處產(chǎn)生無(wú)窮大開環(huán)增益，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波電流的選擇性提取與無(wú)靜差跟蹤控制，該控制技術(shù)具有較好的控制性能，參數(shù)調(diào)節(jié)較PR控制器更為容易，但該控制策略基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，在不平衡情況下不能同時(shí)補(bǔ)償正序和負(fù)序諧波分量。

圖6 基于VPI控制器的分次諧波電流補(bǔ)償控制框圖Fig.6 Blocking harmonic current compensation control block diagram based on VPI controller

為解決不平衡情況下的分次諧波補(bǔ)償問(wèn)題，文獻(xiàn)[29]采用基于兩相靜止坐標(biāo)系下的VPI控制技術(shù)，針對(duì)離網(wǎng)下諧波含量較高的5次、7次電壓諧波進(jìn)行補(bǔ)償。較之文獻(xiàn)[28]所提控制技術(shù)，該方案在不平衡情況下可同時(shí)補(bǔ)償各次諧波中的正、負(fù)序分量，其控制框圖如圖7所示，在V∕f控制的基礎(chǔ)上分別設(shè)置5次、7次諧波對(duì)應(yīng)的VPI控制器，對(duì)電壓諧波進(jìn)行補(bǔ)償，經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，5次諧波補(bǔ)償率為96.7%，7次諧波補(bǔ)償率為95.5%，具有很好的補(bǔ)償效果。

圖7 離網(wǎng)下諧波電壓補(bǔ)償控制框圖Fig.7 Block diagram of harmonic voltage compensation control under isolated island

對(duì)上述幾種分次諧波補(bǔ)償控制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，將其各自特點(diǎn)如下：基于PI控制器的分次諧波電流補(bǔ)償諧波提取精度高，計(jì)算量大，不平衡下需進(jìn)行正、負(fù)序分離，控制系統(tǒng)復(fù)雜；基于PR控制器的分次諧波電流補(bǔ)償計(jì)算量適中，基于兩相靜止坐標(biāo)系，可同時(shí)補(bǔ)償不平衡正、負(fù)序諧波分量，PR控制器不易調(diào)節(jié)參數(shù)；基于VPI控制器的分次諧波電流補(bǔ)償計(jì)算量適中，VPI控制器易于調(diào)節(jié)參數(shù)，控制性能好，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系時(shí)無(wú)法同時(shí)補(bǔ)償正、負(fù)序分量，基于兩相靜止坐標(biāo)系時(shí)可同時(shí)補(bǔ)償正、負(fù)序諧波分量。

3.2 電壓不平衡抑制技術(shù)

電網(wǎng)電壓不平衡是常見故障之一，當(dāng)電網(wǎng)不平衡時(shí)電壓包含正序和負(fù)序分量，負(fù)序分量將導(dǎo)致雙向DC∕AC變換器輸出電流諧波含量增加。離網(wǎng)模式時(shí)大功率單相負(fù)載接入等因素更會(huì)導(dǎo)致雙向DC∕AC變換器輸出電壓不平衡，影響供電質(zhì)量。因此，需采用適當(dāng)?shù)碾妷翰黄胶庖种萍夹g(shù)對(duì)并網(wǎng)電網(wǎng)電壓不平衡造成的輸出電流畸變及離網(wǎng)輸出電壓不平衡進(jìn)行有效抑制。目前常用的電壓不平衡抑制技術(shù)按采用控制器不同分類為：基于PI控制器的電壓不平衡抑制、基于PI+PR控制器的電壓不平衡抑制、基于PI+VPI控制器的電壓不平衡抑制。

3.2.1 基于PI控制器的電壓不平衡抑制

文獻(xiàn)[30-31]采用信號(hào)延遲對(duì)消算法將電壓信號(hào)進(jìn)行正負(fù)序分離，由于正、負(fù)序分量在各自旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下均表現(xiàn)為直流量[32]，因此可采用PI控制器分別對(duì)正、負(fù)序分量在相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行控制，如圖8所示。

圖8 基于PI控制器的電壓不平衡抑制控制框圖Fig.8 Block diagram of voltage imbalance suppression control based on PI controller

該控制方案需提取電壓的正、負(fù)序分量，計(jì)算量大，且在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)正、負(fù)序分量分別進(jìn)行控制需四個(gè)PI控制器，控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，需調(diào)節(jié)參數(shù)過(guò)多，增加了控制難度。實(shí)際應(yīng)用中由于鎖相環(huán)性能、控制器采樣頻率、電網(wǎng)頻率波動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致正負(fù)序分離過(guò)程中產(chǎn)生誤差，影響控制效果；控制器進(jìn)行正負(fù)序分離計(jì)算量大，難以保證控制的實(shí)時(shí)性，也會(huì)降低控制精度，因此，為減小控制系統(tǒng)計(jì)算量、簡(jiǎn)化控制結(jié)構(gòu)，在三相不平衡情況下取消對(duì)電壓、電流正負(fù)序分量提取環(huán)節(jié)成為研究熱點(diǎn)[33]。

3.2.2 基于PI+PR控制器的電壓不平衡抑制

文獻(xiàn)[34]指出將負(fù)序基波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的負(fù)序分量PI控制器折算到正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的負(fù)序分量控制器可等效為基于余弦信號(hào)內(nèi)模函數(shù)的PR控制器，諧振頻率為2倍基波頻率。因此，采用PI控制器對(duì)正、負(fù)序分量分別控制可等效于采用PI控制器對(duì)正序分量控制加PR控制器對(duì)負(fù)序分量控制。文獻(xiàn)[35]基于正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系采用PI+PR控制策略，PI用于控制基波正序電壓，PR用于控制基波負(fù)序電壓，如圖9所示。較之文獻(xiàn)[30-31]控制方案，該方案控制結(jié)構(gòu)明顯簡(jiǎn)單，無(wú)需進(jìn)行正負(fù)序分離，計(jì)算量小，但文中采用的PR控制器同樣有參數(shù)調(diào)節(jié)不易、引起系統(tǒng)諧振等問(wèn)題。

圖9 基于PI+PR控制器的電壓不平衡抑制控制框圖Fig.9 The block diagram of voltage unbalance suppression control based on PI+PR controller

3.2.3 基于PI+VPI控制器的電壓不平衡抑制

為避免PR控制器不易調(diào)節(jié)參數(shù)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[29]采用基于正序旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的PI+VPI控制技術(shù)，如圖10所示。該控制技術(shù)同樣無(wú)需正負(fù)序分離，PI用于控制基波正序電壓，VPI用于控制不平衡二倍頻電壓分量，具有參數(shù)易于調(diào)節(jié)、控制性能高等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中雙向DC∕AC變換器輸出電壓能夠保持較好平衡度。

圖10 離網(wǎng)下輸出電壓不平衡抑制控制框圖Fig.10 Block diagram of output voltage unbalance suppression control under isolated island

對(duì)以上幾種不平衡電壓抑制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，其各自特點(diǎn)如下：基于PI控制器的電壓不平衡抑制需進(jìn)行正、負(fù)序分離，控制系統(tǒng)復(fù)雜，控制精度低；基于PI+PR控制器的電壓不平衡抑制無(wú)需正、負(fù)序分離，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，PR控制器不易調(diào)節(jié)參數(shù)；基于PI+VPI控制器的電壓不平衡抑制無(wú)需正、負(fù)序分離，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，VPI控制器易于調(diào)節(jié)參數(shù)，控制性能好。

3.3 多機(jī)并聯(lián)控制技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)增容擴(kuò)展，雙向DC∕AC變換器通常需多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行。在柔性變電站中，雙向DC∕AC變換器并聯(lián)方式為共交直流母線聯(lián)接，如圖11所示。DC∕AC變換器并聯(lián)運(yùn)行在增大系統(tǒng)容量的同時(shí)，能提高系統(tǒng)的冗余性和可靠性[36]，但交直流側(cè)均對(duì)應(yīng)相聯(lián)，存在零序電流環(huán)流通路，且每臺(tái)DC∕AC變換器硬件參數(shù)的差異及控制上無(wú)法絕對(duì)同步，則無(wú)法避免并聯(lián)模塊間存在環(huán)流[37]。環(huán)流可引起系統(tǒng)輸出電壓電流畸變、功率損耗增大，降低系統(tǒng)的功率密度、超過(guò)開關(guān)器件電流應(yīng)力的環(huán)流會(huì)使器件損壞，在共交直流母線并聯(lián)系統(tǒng)中，不經(jīng)過(guò)三相交流電網(wǎng)而直接在并聯(lián)系統(tǒng)各模塊間流動(dòng)的環(huán)流給開關(guān)器件帶來(lái)的損害更為嚴(yán)重，此外，高頻環(huán)流還將導(dǎo)致嚴(yán)重的電磁干擾問(wèn)題[38-39]。

圖11 雙向DC∕AC變換器并聯(lián)示意圖Fig.11 Schematic diagram of bidirectional DC∕AC converter in parallel

在共交直流母線的雙向DC∕AC變換器并聯(lián)系統(tǒng)中，環(huán)流抑制通常可以從硬件和軟件兩個(gè)角度考慮，環(huán)流抑制技術(shù)分類如下：硬件方法有加隔離變壓器和串聯(lián)高阻抗耦合電感；軟件方法有零序電壓補(bǔ)償和調(diào)制策略改進(jìn)。

3.3.1 基于硬件的環(huán)流抑制方法

硬件方法即在系統(tǒng)中增加額外的設(shè)備以阻斷環(huán)流通路或?qū)Νh(huán)流進(jìn)行抑制，主要方法有：1）在主電路交流側(cè)加裝隔離變壓器簡(jiǎn)單有效，但體積大、價(jià)格貴，變壓器還存在鐵損、銅損，影響系統(tǒng)效率[40]；2）在主電路交流側(cè)串聯(lián)高阻抗耦合電感，提高線路阻抗可有效抑制中、高頻環(huán)流，但對(duì)低頻環(huán)流抑制效果不佳[41]，也使系統(tǒng)變復(fù)雜。

3.3.2 基于軟件的環(huán)流抑制方法

軟件方法采用相應(yīng)控制算法，盡可能減小系統(tǒng)環(huán)流以及使各變換器輸出功率合理分配，因其不額外增加系統(tǒng)體積和成本，受到廣泛應(yīng)用。共交直流母線的雙向DC∕AC變換器并聯(lián)環(huán)流抑制技術(shù)主要是對(duì)系統(tǒng)零序環(huán)流進(jìn)行抑制，文獻(xiàn)[42]對(duì)兩臺(tái)共交直流母線并聯(lián)的DC∕AC變換器進(jìn)行建模得到帶零序分量的等價(jià)平均值模型，如圖12所示，經(jīng)推導(dǎo)得兩臺(tái)變換器的零序電壓差作用于輸出電抗從而產(chǎn)生零序電流，因此論文在逆變器下垂控制基礎(chǔ)上提出一種基于零序電壓補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)環(huán)流抑制策略，對(duì)單臺(tái)DC∕AC變換器的零序電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，使調(diào)節(jié)后的零序電壓差接近于零，實(shí)現(xiàn)對(duì)零序環(huán)流的抑制作用，其原理圖如圖13所示。該策略控制效果較好，兩臺(tái)變換器獨(dú)立控制，無(wú)互聯(lián)通訊線，控制可靠性高，系統(tǒng)冗余性好，但該策略在設(shè)計(jì)上只針對(duì)兩臺(tái)DC∕AC變換器并聯(lián)的系統(tǒng)，未考慮多臺(tái)DC∕AC變換器并聯(lián)的情況。

圖12 并聯(lián)逆變器帶零序分量的等價(jià)平均值模型Fig.12 Equivalent mean value model of parallel inverter with zero sequence component

圖13 零序電壓補(bǔ)償?shù)乃矔r(shí)環(huán)流抑制原理圖Fig.13 Schematic diagram of instantaneous circulating current suppression for zero sequence voltage compensation

文獻(xiàn)[43]同時(shí)考慮共交直流母線并聯(lián)系統(tǒng)的交叉環(huán)流與零序環(huán)流問(wèn)題，在下垂加虛擬阻抗控制方法的基礎(chǔ)上引入零序環(huán)流與交叉環(huán)流控制環(huán)，控制框圖如圖14所示。

圖14中通過(guò)下垂控制計(jì)算每臺(tái)逆變器的參考電壓，虛擬阻抗對(duì)逆變器的輸出阻抗進(jìn)行調(diào)節(jié)，以彌補(bǔ)下垂控制對(duì)并聯(lián)單元輸出阻抗敏感的問(wèn)題，下垂加虛擬阻抗控制可使各逆變器具有更好的均流性能，而交叉環(huán)流與零序環(huán)流控制利用兩臺(tái)逆變器輸出電流坐標(biāo)變換后dq0軸的電流差來(lái)補(bǔ)償電流內(nèi)環(huán)參考值，可有效抑制系統(tǒng)環(huán)流，但控制中需利用兩臺(tái)變換器的電流差值，變換器間有通訊互連線，降低了系統(tǒng)可靠性。

圖14 交叉環(huán)流與零序環(huán)流抑制策略Fig.14 Cross circulation and zero sequence circulation suppression strategy

除以上采用零序電壓補(bǔ)償及其改進(jìn)策略來(lái)進(jìn)行環(huán)流抑制的方案外還有一些學(xué)者對(duì)調(diào)制策略進(jìn)行改進(jìn)以達(dá)到零序環(huán)流抑制的效果，文獻(xiàn)[44]建立了DC∕AC變換器并聯(lián)的開關(guān)周期平均模型，指出零序環(huán)流與兩臺(tái)變換器的零序占空比之差及變換器硬件參數(shù)有關(guān)，在采用SVPWM調(diào)制時(shí)，傳統(tǒng)零序環(huán)流抑制每個(gè)載波周期調(diào)節(jié)一次零矢量作用時(shí)間，在此基礎(chǔ)上文獻(xiàn)[44]提出每個(gè)載波周期調(diào)節(jié)兩次零矢量作用時(shí)間，并提出一種通過(guò)各變換器輸出瞬時(shí)功率反饋來(lái)調(diào)節(jié)變換器負(fù)載功率的自適應(yīng)功率均分控制方法，較之傳統(tǒng)環(huán)流抑制方法具有更好的實(shí)時(shí)性，且實(shí)現(xiàn)了負(fù)載功率均分。文獻(xiàn)[45]推導(dǎo)并聯(lián)模塊零序電壓相同或無(wú)零序電壓時(shí)，系統(tǒng)環(huán)流為零；當(dāng)各模塊零序電壓不一致時(shí)所引起的環(huán)流增量與開關(guān)周期內(nèi)零序電壓差成正比，為此提出一種SPWM與SVPWM混合的HPWM調(diào)制方法，該方法能提高直流電壓利用率，可有效抑制并聯(lián)變換器間的低頻零序環(huán)流，系統(tǒng)無(wú)互連線，在理論上沒(méi)有并聯(lián)臺(tái)數(shù)的限制。

文獻(xiàn)[29]中四臺(tái)雙向DC∕AC變換器共交直流母線并聯(lián)運(yùn)行，其位置集中，采用共載波共調(diào)制波集中式控制，保證各變換器開關(guān)管同步動(dòng)作。相比分布式控制，集中式控制簡(jiǎn)單，可有效抑制開關(guān)動(dòng)作不一致造成的環(huán)流問(wèn)題，四臺(tái)變換器主電路采用相同結(jié)構(gòu)參數(shù)，避免由硬件參數(shù)不同造成的環(huán)流問(wèn)題，在實(shí)際運(yùn)行中環(huán)流僅占系統(tǒng)輸出電流的2%，抑制效果明顯。

對(duì)以上幾種共交直流母線并聯(lián)逆變器環(huán)流抑制技術(shù)進(jìn)行總結(jié)對(duì)比，其各自特點(diǎn)如下：硬件方法：1）加裝隔離變壓器，可阻斷環(huán)流通路、增大系統(tǒng)體積成本、損耗大；2）串聯(lián)高阻抗耦合電感，可有效抑制中、高頻環(huán)流，低頻環(huán)流抑制效果不佳，增加控制難度。軟件方法：1）基于零序電壓補(bǔ)償?shù)牧阈颦h(huán)流抑制，并聯(lián)單元無(wú)互聯(lián)信號(hào)線、可靠性強(qiáng)、環(huán)流抑制效果好、控制系統(tǒng)復(fù)雜；2）改進(jìn)調(diào)制策略，實(shí)時(shí)性好、無(wú)互聯(lián)信號(hào)線、無(wú)并聯(lián)臺(tái)數(shù)限制；3）集中式控制，控制簡(jiǎn)單、環(huán)流抑制效果好、系統(tǒng)冗余性差、受安裝距離限制。

4 展望

柔性變電站相關(guān)研究尚處于起步階段，但柔性變電站中大量電力電子裝置具有沖擊性、非線性、不平衡性特征，必然會(huì)帶來(lái)諸多電能質(zhì)量新問(wèn)題，如電壓快速波動(dòng)、三相不平衡更頻繁、間諧波、超高頻諧波分量大幅增加、變換器與電網(wǎng)，變換器與變換器之間交互作用更加強(qiáng)烈、頻繁和復(fù)雜，因此，研究柔性變電站電力電子化所帶來(lái)的電能質(zhì)量新問(wèn)題及柔性變電站中變換器相應(yīng)控制技術(shù)將成為未來(lái)研究重點(diǎn)。此外，隨著半導(dǎo)體器件的發(fā)展，基于寬禁帶材料的碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）等新器件具有導(dǎo)通壓降小、耐高溫高壓、開關(guān)頻率高等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用將逐漸替代傳統(tǒng)硅材料器件，基于寬禁帶材料的新器件應(yīng)用于柔性變電站將從本質(zhì)上提高系統(tǒng)容量及性能。