交流微電網(wǎng)中考慮電壓質(zhì)量的DG之間諧波功率均分控制策略

任碧瑩，郭 欣，張 奕，孫向東

（西安理工大學 電氣工程學院，陜西 西安 710048）

0 引言

非線性負載及電力電子設(shè)備的廣泛應用使得微電網(wǎng)系統(tǒng)引入了諧波電流，且各分布式電源DG（Distributed Generation）距離公共耦合點PCC（Point of Common Coupling）的線路阻抗不一致，導致各并聯(lián)DG 之間的諧波功率不能均分，嚴重時將影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。因此，研究如何抑制并聯(lián)DG 之間的環(huán)流問題以實現(xiàn)功率均分，對于提高微電網(wǎng)的供電可靠性以及有效利用可再生清潔能源具有重要的意義［1-2］。

由于各DG 至PCC 的線路阻抗大小不一致，且傳統(tǒng)的下垂控制并不能實現(xiàn)并聯(lián)DG 之間輸出功率的平均分配，已有研究提出了許多改進控制方法。文獻［3］提出了一種自適應調(diào)節(jié)下垂系數(shù)的方法，通過自適應地改變下垂系數(shù)，使各DG 都能按照基準DG的輸出功率進行功率輸出；文獻［4］提出了在下垂控制方程中引入積分環(huán)節(jié)的方法，用于解除無功功率與等效阻抗之間的耦合關(guān)系，通過調(diào)節(jié)下垂系數(shù)實現(xiàn)無功功率均分；文獻［5］提出了一種負荷功率動態(tài)分配方法，通過比例積分（PI）調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)電流偏差，并將其引入下垂控制環(huán)，動態(tài)調(diào)節(jié)下垂系數(shù)，從而等效地調(diào)節(jié)輸出阻抗以實現(xiàn)功率均衡。然而上述研究僅對基波功率進行均分，未涉及諧波功率的均分。

為了解決諧波功率均分問題，國內(nèi)外學者進行了諸多深入研究。文獻［6］采用串聯(lián)定值虛擬阻抗的方法，使得2 個DG 單元的總阻抗近似相等，相對減小總阻抗之差，從而能夠近似實現(xiàn)功率均分，但是過大的虛擬阻抗會導致PCC 電壓波形畸變嚴重；文獻［7］設(shè)計了一種電容式虛擬阻抗回路，基于其改善諧波均流并抑制PCC處的諧波電壓；文獻［8］采用自適應虛擬阻抗調(diào)整方法，基于逆變器自身輸出的諧波電流生成虛擬諧波阻抗，使2 臺逆變電源與負載之間的總阻抗近似相等，從而實現(xiàn)諧波功率均分。雖然所串聯(lián)的虛擬諧波阻抗值較小，但是本質(zhì)上還是增大了原來的線路阻抗，使諧波壓降增大，PCC 電壓質(zhì)量變差。上述方法雖然實現(xiàn)了諧波功率均分，但同時帶來了PCC 電壓質(zhì)量問題。為此，學者們從改善PCC 電壓質(zhì)量的角度考慮實現(xiàn)并聯(lián)DG 之間的諧波功率均分。文獻［9］通過在控制中引入負虛擬阻抗，實現(xiàn)系統(tǒng)等效阻抗的自動調(diào)節(jié)，減小了不同DG 至負載的線路阻抗對諧波功率分配的影響。這種控制方法不會惡化PCC 電壓質(zhì)量，但若負阻抗取值不合適，則會使DG 系統(tǒng)不穩(wěn)定。文獻［10］通過采集經(jīng)過總諧波畸變率THD（Total Harmonic Distortion）限制模塊的PCC電壓信息來獲取相關(guān)的控制參數(shù)，然后基于容量與阻抗的下垂關(guān)系得到附加虛擬諧波負阻抗值，從而保證PCC 電壓的畸變程度在限制范圍之內(nèi)。但是該方法根據(jù)逆變器的可用諧波容量來調(diào)節(jié)附加虛擬負阻抗值，當可用諧波容量較大時，優(yōu)先保證PCC 電壓的THD，當可用諧波容量較小時，通過犧牲PCC 電壓質(zhì)量來獲取較好的諧波功率均分精度，不能同時兼顧均分諧波功率以及保證PCC 電壓質(zhì)量。文獻［11-12］提出了一種基于PCC 電壓的諧波功率均分方法，但是PCC 距離控制器較遠，導致PCC 電壓信息難以獲取。文獻［13］提出了一種在PCC 處并聯(lián)虛擬阻抗的方法，能夠有效減小系統(tǒng)的等效輸出阻抗，使PCC 電壓的壓降不會太大，且能在本地進行控制，無需采集PCC 處的信息，但是對諧波功率均分的效果不明顯。文獻［14］提出了非線性負載下提高微電網(wǎng)主逆變器輸出側(cè)電能質(zhì)量的控制策略。文獻［15］提出了一種自適應諧波阻抗重塑方法，通過引入諧波電流前饋補償控制和阻抗重塑因子自適應控制，實現(xiàn)了諧波功率均分并改善了PCC電壓質(zhì)量。

雖然已有較多關(guān)于基波和諧波功率均分方法的研究并取得了較好的結(jié)果，但大多在本質(zhì)上還是通過增大逆變器系統(tǒng)的輸出阻抗來解決由線路阻抗不一致引起的功率不均分問題。雖然功率均分效果顯著，但諧波壓降增大，PCC 電壓質(zhì)量變差。同時，對于多節(jié)點拓撲結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)而言，其不同節(jié)點處的PCC 電壓不盡相同，而傳統(tǒng)對等控制只能獲取本地信息，不能獲知其他DG 單元的電壓信息，所以當線路阻抗、微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，各DG 單元不能準確地均分諧波功率。因此在多節(jié)點微電網(wǎng)中傳統(tǒng)的對等控制方法難以精確均分各DG 單元之間的諧波功率。本文基于兩級式分層控制，提出了考慮PCC電壓質(zhì)量的諧波功率均分控制策略：上層控制無需交換PCC 電壓信息，2 臺DG 逆變器之間只需低速通信的諧波功率信息；下層是本地級控制器，根據(jù)上層的通信信息通過自動地調(diào)節(jié)虛擬諧波阻抗實現(xiàn)諧波功率均分，調(diào)節(jié)虛擬諧波阻抗不僅保證了諧波功率的均分，還兼顧了PCC 電壓質(zhì)量。本文所提控制策略既適用于單節(jié)點微電網(wǎng)也適用于多節(jié)點微電網(wǎng)。對于含多臺DG 的多節(jié)點微電網(wǎng)而言，需要設(shè)計中央控制器，實現(xiàn)方法也簡單。

1 微電網(wǎng)中并聯(lián)DG諧波環(huán)流特性分析

1.1 多節(jié)點微電網(wǎng)系統(tǒng)DG并聯(lián)結(jié)構(gòu)

多節(jié)點微電網(wǎng)系統(tǒng)中DG 并聯(lián)的簡化結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示［16］。圖中：Udc為DG 的等效直流電源電壓；Zloadi（i=1，2，…，n）為非線性負載的等效阻抗，n為并聯(lián)DG數(shù)量。各DG經(jīng)過逆變器、濾波器以及傳輸線路后并入PCC，共同為負載供電。微電網(wǎng)中的非線性負載會引入大量的諧波電流，同時各逆變器連接到PCC 的線路阻抗與各自的額定功率不相匹配，導致各逆變器之間的基波功率和諧波功率均不能得到有效均分。功率不均分會引起某臺逆變器發(fā)生過載現(xiàn)象甚至設(shè)備損壞，進一步引起系統(tǒng)連鎖崩潰。

圖1 多節(jié)點微電網(wǎng)中DG并聯(lián)的簡化結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Simplified structure diagram of DG parallel connection in multi-bus microgrid

1.2 諧波功率分配誤差分析

圖2 諧波功率下的微電網(wǎng)等效電路Fig.2 Equivalent circuit of microgrid under harmonic power

1.3 自適應虛擬諧波阻抗策略及其缺陷

引入自適應虛擬諧波阻抗后的系統(tǒng)等效電路如附錄A 圖A1 所示。自適應虛擬諧波阻抗策略的本質(zhì)是為等效阻抗較大的DG 添加較小的虛擬諧波阻抗，為等效阻抗較小的DG 添加較大的虛擬諧波阻抗，使得最終滿足式（13）。

由式（13）可知，2 臺DG 的等效阻抗幾乎一致，從而可以實現(xiàn)諧波功率均分。但是從本質(zhì)上而言，虛擬諧波阻抗的引入使得逆變器的等效阻抗變大，因此諧波電流在較大等效阻抗上的壓降會影響PCC電壓質(zhì)量，導致一定的電壓幅值跌落和THD增大。

2 微電網(wǎng)中考慮電壓質(zhì)量的DG 之間諧波功率均分控制策略

2.1 諧波功率環(huán)控制設(shè)計

針對第1 節(jié)中所述諧波功率均分及PCC 電壓質(zhì)量問題，本節(jié)提出了一種考慮電壓質(zhì)量的DG 之間諧波功率均分控制策略。該策略根據(jù)DG 的諧波功率信息生成可自動調(diào)節(jié)的虛擬諧波阻抗，對線路阻抗大的DG 減去自動調(diào)節(jié)的虛擬諧波阻抗，對線路阻抗小的DG 添加自動調(diào)節(jié)的虛擬諧波阻抗，使得各DG 的等效阻抗一致，最終實現(xiàn)諧波功率均分，同時兼顧PCC 電壓質(zhì)量。其中電壓質(zhì)量的評價標準為：電壓幅值跌落越小越好，THD小于5%，且越小越好。THD的計算式為：

式中：γTHD為THD 值；Uj為j次諧波電壓分量有效值；U1為基波電壓分量有效值；m為諧波特定次數(shù)。

本文以同容量DG 并聯(lián)的2 節(jié)點微電網(wǎng)為例進行分析。分別采集2 臺DG 各自的輸出電壓和諧波電流，根據(jù)IEEE 1459—2010 標準，計算得到其輸出諧波功率Hh，如式（15）所示［18］。

式中：io為DG輸出總電流；ifo為DG輸出基波電流。

采用本文所提諧波功率均分控制策略后的系統(tǒng)等效電路如圖3所示。根據(jù)式（18）和圖3，采用諧波功率均分控制策略后有式（19）成立，實現(xiàn)了等效阻抗一致。

圖3 采用所提控制策略后的系統(tǒng)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of system with proposed control strategy

2.2 諧波電流偏差分析

采用本文所提諧波功率均分控制策略后，DG1的諧波電流相對偏差ΔIh.newerr為：

根據(jù)附錄A 式（A1）—（A3）所示推導可知，采用本文所提諧波功率均分控制策略前、后的諧波電流相對偏差之比滿足式（24），即采用本文所提諧波功率均分控制策略后，諧波電流相對偏差減小。

2.3 系統(tǒng)整體控制策略

1）基波功率均分控制。

圖4 所提控制策略的整體框圖Fig.4 Overall block diagram of proposed control strategy

基波功率均分控制采用文獻［4］提出的基于積分環(huán)節(jié)的基波功率下垂控制，通過在下垂控制中引入積分環(huán)節(jié)來解除線路阻抗與有功功率的制衡關(guān)系，使得線路阻抗的差異不影響基波功率的分配，進而抑制基波環(huán)流，控制框圖如圖5 所示。圖中：kpi為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；kP、kQ分別為有功下垂系數(shù)、無功下垂系數(shù)；f*為空載頻率；U*為空載電壓幅值；U、θ分別為DG 輸出電壓幅值、相位；uPCC、UPCC分別為PCC電壓及其幅值。通過采集逆變器的輸出電壓和電流，經(jīng)基波功率計算得到P和Q。經(jīng)無功-頻率下垂控制產(chǎn)生系統(tǒng)的輸出頻率，再經(jīng)積分環(huán)節(jié)獲得DG輸出電壓相位θ；對于有功-電壓下垂控制環(huán)節(jié)，通過引入UPCC反饋環(huán)節(jié)，構(gòu)造電壓偏差積分器，使得有功功率的分配不受系統(tǒng)線路阻抗差異的影響。經(jīng)采用添加積分控制器的阻性下垂控制生成U，最終合成基波參考電壓uref，用于實現(xiàn)基波功率均分控制。

圖5 基于積分環(huán)節(jié)的基波功率下垂控制框圖Fig.5 Block diagram of fundamental power droop control based on integral link

式中：ω0為基波角頻率；ωj=jω0（j=3，5，7）為j次諧波角頻率；ωc為帶寬角頻率；kpu、kr分別為準比例多諧振電壓控制器的比例系數(shù)、諧振增益系數(shù)。

經(jīng)電壓環(huán)控制器獲得參考電流iref，將其與LC 濾波器的電感電流iL做差，經(jīng)過電流環(huán)控制器生成正弦脈寬調(diào)制（SPWM）信號，SPWM信號經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動逆變器運行。

2.4 PCC電壓質(zhì)量分析

可以看出，基于自適應虛擬諧波阻抗的諧波功率均分控制策略本質(zhì)上是在原有系統(tǒng)等效阻抗的基礎(chǔ)上添加虛擬諧波阻抗，這在一定程度上會使母線電壓質(zhì)量變差。而本文所提諧波功率均分控制策略能夠在滿足微電網(wǎng)并聯(lián)DG 之間諧波功率均分的同時，盡可能減少對PCC電壓質(zhì)量的影響。

3 算例仿真驗證

利用PSIM 仿真軟件搭建含2 臺DG 并聯(lián)的2 節(jié)點低壓微電網(wǎng)仿真模型。其中，以二極管整流器作為非線性負載，其輸出端電阻值為35 Ω，DG1、DG2的等效線路阻抗分別為0.13+j0.05、0.25+j0.11 Ω，2 個PCC 之間的連接阻抗為0.25+j0.11 Ω。其他仿真參數(shù)如附錄A 表A1所示。在此基礎(chǔ)上，分別對基波功率均分控制策略（策略1）、含基波功率均分的自適應虛擬諧波阻抗控制策略（策略2）以及本文所提控制策略（本文策略）進行仿真驗證。

3.1 策略1的仿真結(jié)果及分析

采用與未采用策略1 時DG1和DG2的基波電

3.2 策略2的仿真結(jié)果及分析

3.3 本文策略的仿真結(jié)果及分析

采用與未采用本文策略時的仿真波形如圖6 所示。在0.5 s 時采用本文策略，相較于未采用本文策略的情況，采用本文策略后PCC1電壓幅值由303.53 V變?yōu)?03.61 V，THD 由2.029%降低為2.018%?？梢姳疚牟呗阅鼙ＷC母線電壓質(zhì)量，有利于諧波功率的均分效果，諧波環(huán)流幅值由3.08 A 減小為0.55 A，諧波環(huán)流減小。

圖6 本文策略的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of proposed strategy

不同控制策略下的仿真結(jié)果對比如表1 所示。由表可知，本文策略能夠兼顧微電網(wǎng)并聯(lián)DG 之間的諧波功率均分和PCC電壓質(zhì)量。

表1 不同控制策略下的仿真結(jié)果對比Table 1 Comparison of simulative results among different control strategies

負載突變情況下的諧波功率波形見附錄A 圖A6。0.8 s 時采用本文策略，諧波功率得到均分。1.3 s時負載發(fā)生突變，諧波功率大小發(fā)生變化，該情況下諧波功率仍能有效均分。

4 實驗驗證

為了進一步驗證本文所提控制策略的有效性，搭建以ARM STM32F407ZG 控制芯片為核心的2 臺DG，并構(gòu)建2節(jié)點微電網(wǎng)系統(tǒng)，實驗平臺如附錄A圖A7 所示。直流電源電壓為50 V，其他實驗參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

4.1 無基波功率均分的傳統(tǒng)下垂控制策略的實驗結(jié)果

4.2 策略1的實驗結(jié)果

采用策略1 時的實驗波形見附錄A 圖A9。圖A9（a）為線路阻抗不一致情況下采用策略1 時2 臺DG輸出基波電流波形，可以看出基波電流波形幾乎重合，基波環(huán)流較??；圖A9（b）為2 臺DG 輸出諧波電流及環(huán)流波形，可見諧波功率不能實現(xiàn)均分，諧波環(huán)流較大；圖A9（c）為2 臺DG 輸出電流的FFT 分析結(jié)果，可見線路阻抗不一致情況下采用策略1 可實現(xiàn)基波功率均分，但對諧波功率均分無效果；圖A9（d）為PCC1電壓的FFT 分析結(jié)果，可見在電壓環(huán)準比例多諧振控制下未引入虛擬諧波阻抗時的PCC1電壓THD為3.17%，PCC電壓波形質(zhì)量良好。

4.3 策略2的實驗結(jié)果

當線路阻抗不一致時，采用策略2 時的實驗波形見附錄A圖A10。圖A10（a）為輸出諧波電流及環(huán)流波形，圖A10（b）為2臺DG輸出電流的FFT分析結(jié)果，由圖可見諧波環(huán)流較小，說明策略2 能在不影響基波功率均分的前提下保證諧波功率均分。圖A10（c）為PCC1電壓的FFT 分析結(jié)果，與未引入虛擬諧波阻抗的情況相比，引入虛擬諧波阻抗后PCC1處的電壓幅值為27.04 V，跌落了3%，THD升高到4.09%?？梢钥闯?，策略2 能夠?qū)崿F(xiàn)功率均分，但是會對PCC電壓質(zhì)量造成一定的影響。

4.4 本文策略的實驗結(jié)果

當線路阻抗不一致時，本文策略的實驗波形見附錄A圖A11。圖A11（a）為輸出諧波電流及環(huán)流波形，圖A11（b）為2 臺DG 輸出電流的FFT 分析結(jié)果，由圖可以看出諧波環(huán)流較小，表明本文策略在不影響基波功率均分的前提下保證了諧波功率均分。圖A11（c）為PCC1電壓的FFT 分析結(jié)果，與未引入虛擬諧波阻抗的情況相比，引入虛擬諧波阻抗后PCC1處的電壓幅值為28.51 V，增加了2.3%，THD 有所降低，為3.12%，表明本文策略在實現(xiàn)諧波功率均分的同時，會對PCC電壓質(zhì)量有所改善。

不同控制策略下的實驗結(jié)果對比如附錄A 表A2 所示。由表可知，本文策略在實現(xiàn)功率均分的同時改善了微電網(wǎng)的PCC電壓質(zhì)量。

5 結(jié)論

本文以孤島多節(jié)點微電網(wǎng)下DG 并聯(lián)系統(tǒng)為研究對象，主要針對非線性負載情況下2臺DG 之間因線路阻抗不一致導致的諧波環(huán)流問題和公共交流母線電壓質(zhì)量問題，基于兩級式分層控制，提出了微電網(wǎng)中考慮電壓質(zhì)量的諧波功率均分控制策略。通過與自適應虛擬諧波阻抗控制策略進行仿真和實驗對比，驗證了本文所提控制策略既能實現(xiàn)功率均分又能減少對母線電壓質(zhì)量的影響。且本文所提策略具有如下特點：不需要交換母線電壓信息，2 臺DG 的逆變器之間只需要低速通信的諧波功率信息，根據(jù)該信息能夠通過自適應地調(diào)節(jié)虛擬諧波阻抗來均分諧波功率；自適應虛擬諧波阻抗既保證了諧波功率均分，又兼顧了公共交流母線的電壓質(zhì)量；所提控制策略既適用于2臺DG 并聯(lián)系統(tǒng)間的功率均分，也適用于多臺DG 并聯(lián)系統(tǒng)，而且在負載突變和微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的情況下同樣適用。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。