微電網電壓不平衡的分層補償控制策略

黎金英， 艾　欣， 鄧玉輝

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

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微電網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.新能源電力系統國家重點實驗室(華北電力大學)，102206 北京; 2.綏和工業學院，電氣與電子工程學院，56000 越南 綏和)

摘要:微電網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公共連接點電壓雙極補償控制方法，上層控制發送與電壓的正序和負序分量有關的控制信號，采用雙電流環的控制器可得到電流給定值；下層控制通過雙電流環控制器實施. 針對PCC點三相電壓不平衡的問題，應用dq旋轉坐標分解原理，提出一種基于改進解耦的雙同步坐標系鎖相環(IDDSRF-PLL)的控制方法，能夠實現正負序分量的獨立控制，并通過控制給定模型的正負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，從而實現了對三相電壓不平衡的補償控制. 利用MATLAB/Simulink對微電網接入電網進行建模仿真，結果表明，分層控制方法能夠較好的實現對微電網的電壓控制.

關鍵詞:微電網；三相電壓不平衡；鎖相環；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，對微電網系統的穩定性產生了很大的影響；微電源的運行特性及控制方法、微電源的接入點和容量、微電網運行方式和控制方法、一般采用的電力電子裝置、儲能設備和負荷特性都會對電能質量產生影響，從而會導致公共連接點(point of common coupling, PCC)的微電網電壓不平衡[1]. 當微電網公共連接點的電壓不平衡時，微電網電壓存在正負序分量，如果沒有補償措施，不平衡電壓可能導致失去電機負荷和敏感裝置的異常運行等情況，給微電網帶來電能質量問題[2]. 因此，研究微電網電壓不平衡補償，基于分層控制的運行控制具有重要的實際意義. 目前已有文獻對不平衡微電網電壓補償主要是通過串聯電能質量控制器以及向線路注入負序電壓分量來實現的[3]. 文獻[4]提出采用并聯電能質量控制器來抑制電壓不平衡，通過補償線路電流來實現電壓不平衡補償. 但是沒有考慮到負荷出現嚴重不平衡時會導致分布式電源并網逆變器輸出有功功率和無功功率存在的二倍頻波動. 文獻[5]提出了一種雙同步旋轉坐標系控制策略可以抑制電網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[6]介紹了一種基于串聯和并聯結構的多微電網系統分層協調控制策略，該方法的分層控制能夠實現串聯和并聯結構微電網的聯絡線功率調節指令的分配，得出電壓的幅值差、頻率差都在一定范圍內，但是沒有考慮整個微電網電壓不平衡情況下的影響. 文獻[7-9]主要研究交直流微電網的構成和各種運行模式的基礎上，提出電壓分層協調控制策略. 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，得到微電網內的有功功率平衡，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，當微電網公共連接點的電壓不平衡時，微電網中的電壓存在正序分量和負序分量，正序電壓分量轉化為直流分量，而負序電壓分量則轉化為二倍頻分量. 為了補償微電網電壓中的負序分量，本文提出一種基于分層控制的微電網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，要確保微電網和主電網之間的同步；基于改進解耦的雙同步坐標系鎖相環(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)對正序分量和負序分量進行解耦. 最后，利用MATLAB/Simulink軟件對電壓不平衡的仿真結果表明，采用該方法的分層控制在微電網電壓不平衡的情況下，能實現較好的動態補償效果.

1微電網的初級控制策略

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構如圖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連接到微電網公共連接點上，當微電網處于電壓不平衡狀態時，微電網電壓和電流在靜止αβ坐標系中，不僅存在以同步速角頻率ω正向旋轉的正序分量，還存在以角頻率ω反向旋轉的負序分量.

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旋轉坐標系中的復矢量[10]，可以表示為

(1)

(2)

由式(2)可以看出，在正向同步旋轉坐標系中，微電網電壓不僅存在有正序直流分量，也存在有二倍頻波動的負序交流分量. 在微電網的控制系統中，并網逆變器一般采用靜止坐標下的數學模型可以表示為

(3)

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

(4)

(5)

根據以上分析，當PCC處電壓不平衡時，分布式電源并網逆變器在正序、負序兩相同步旋轉dq坐標系下的數學模型可以分別表示為

(6)

(7)

1.2不平衡電壓下DG功率的數學模型

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

(8)

將式(8)寫成代數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，當公共連接點處電壓不平衡時，分布式電源并網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，根據應用場合的不同，對于微電網電壓不平衡情況下，分布式電源并網逆變器的控制目標有以下3種[12].

1)目標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控制器的比例參數和積分參數.

2)目標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雙電流環控制器

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

(16)

(17)

綜合以上分析，本文提出了微電網電壓不平衡補償的分層控制原理，如圖2所示. 當微電網公共連接點的電壓不平衡時，雙電流環控制器可以實現正序和負序電流的獨立控制. 此時，正負序電流控制指令中只含有直流分量，從而雙電流環控制策略能夠實現在向電網三相電流中注入適當的負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，采用雙電流環的控制器可得到電流給定值，并且進行控制，但是微電網電壓的負序分量仍然存在. 為了完全消除直流母線電壓的二倍頻波動，要得到微電網在公共連接點平衡的電壓, 此時微電網中電壓負序分量為零，因此考慮引入二級控制策略.

圖2　微電網電壓不平衡補償的分層控制原理框圖

2電壓不平衡補償的二級控制策略

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

2.1改進解耦的雙同步坐標系鎖相環建模

(18)

(19)若

(20)

(21)

(22)

(23)

圖3　IDDSRF-PLL原理框圖

由圖3可知，當微電網公共連接點處電壓不平衡時，在正序(dq)+坐標系下的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構框圖.

圖4　電壓不平衡補償控制器的結構框圖

3仿真結果與分析

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　系統仿真模型

圖5系統中主電路參數：電網電壓為Vg=380 V；電網頻率為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. 負荷參數：非線性負荷(1)為三相不可控整流橋帶純阻性負荷R=8 Ω, 整流橋進線電感L=2 mH；線性負荷(2)為P=15 kW，Q=7.6 kVar. 控制器參數：逆變器開關頻率為3 kHz；電壓外環為KvP=0.35，KvI=400；電流內環為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

頻率響應如圖10所示，包括電網頻率為fg、微電網頻率為fMG、微電網與主電網之間的同步頻率輸出偏差為Δf. 并網后，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IEEE 1547標準，對于容量為(0～500 kVA)的分布式電源，進行并網時，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，微電網接入主電網技術規定要求微電網能夠承受的電壓不平衡度KVUF最大4%的不平衡電網電壓[16]，如圖13所示.

圖8　dq坐標下正序電流

圖9　dq坐標下負序電流

圖10　頻率響應

圖11　PCC處輸出電壓波形

圖12　微電網與主電網的同步相角

圖13　PCC處輸出電壓不平衡度

4結論

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

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

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

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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

文獻標志碼: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:國家自然科學基金(513111122)；高等學校學科創新引智計劃(B08013)；國家高技術研究發展計劃(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，博士生導師.