逆變型分布式電源的公共連接點電壓調(diào)整方法

陶維青，陸鼎堃，丁　明，夏　熠，魯勝清，楊　剛

（教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心（合肥工業(yè)大學(xué)），合肥 230009）

學(xué)術(shù)論文

逆變型分布式電源的公共連接點電壓調(diào)整方法

陶維青，陸鼎堃，丁明，夏熠，魯勝清，楊剛

（教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心（合肥工業(yè)大學(xué)），合肥 230009）

為了提高逆變型分布式電源調(diào)整公共連接點電壓的效果，分析了逆變器并網(wǎng)時發(fā)出或吸收無功功率與電壓的關(guān)系。在電網(wǎng)三相平衡與不平衡的情況應(yīng)用瞬時功率理論，并結(jié)合對功率的模糊控制與對參考電流的正負序雙電流獨立內(nèi)環(huán)控制，提出一種基于控制的公共連接點電壓調(diào)整方法。該控制方法在電網(wǎng)正常運行與電壓凹陷情況下均能有效調(diào)整公共連接點電壓；在不平衡電壓凹陷發(fā)生時能降低系統(tǒng)不平衡度。仿真結(jié)果驗證了該方法對電壓調(diào)整的有效性與自適應(yīng)性。

并網(wǎng)逆變器；公共連接點；電壓調(diào)整；正負序電流控制；模糊控制

目前，隨著能源危機與環(huán)境問題日益嚴峻，分布式電源DG（distributed generators）在電網(wǎng)的滲透率也日益增大，其接入會引起公共連接點電壓的升高［1］，甚至超過允許電壓。對此風機、光伏電池、燃料電池等電源都需要通過逆變器并網(wǎng)，可以使用逆變器控制策略調(diào)整公共連接點PCC（point of common cou?pling）的電壓，因此通過逆變器控制調(diào)整電壓方法的研究已成為國內(nèi)外分布式發(fā)電領(lǐng)域的熱點［2-4］。

文獻［5-6］使用dq變換坐標下的前饋解耦PQ控制，即輸入有功功率、無功功率與電網(wǎng)電壓，輸出逆變器電流參考值的控制方法，通過注入與電壓差值成比例的無功功率調(diào)整PCC電壓，這種控制方法雖然能實現(xiàn)電壓調(diào)整，但對于不同導(dǎo)線參數(shù)與不同負載的線路效果不佳；文獻［7］在上述基礎(chǔ)上增加可變電感以提高配電網(wǎng)的導(dǎo)線的感抗，該方法雖然可以增大電壓調(diào)整范圍，但必須考慮可變電感的成本與基于通信的控制；文獻［8］在功率控制上加正負序分解策略，但其電流內(nèi)環(huán)控制不帶有正負序分解，在此控制策略下的逆變器若運行于電壓不平衡的情況，其電流諧波含量必然很高。

本文結(jié)合正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制與無功功率模糊控制，使并網(wǎng)逆變器調(diào)整PCC電壓控制帶有自適應(yīng)性，在線路不同參數(shù)與電網(wǎng)電壓不平衡的情況下都能有效調(diào)整電壓。使用Matlab/Simulink搭建并網(wǎng)逆變器仿真模型并通過結(jié)果驗證上述控制方法的正確性與有效性。

1　公共連接點電壓

圖1為分布式電源并網(wǎng)結(jié)構(gòu)［9-10］，整流后的DG經(jīng)過逆變器與濾波器等效為交流電源，接有本地負載并經(jīng)導(dǎo)線與變壓器連接電網(wǎng)。圖中PCC為公共連接點；v、i分別為濾波器輸出端口的電壓與電流；vg為PCC的電壓；vs為變壓器低壓側(cè)電壓；Pg與Qg為PCC注入電網(wǎng)的功率；Rl、Xl為導(dǎo)線的電阻與電抗。

圖1　分布式電源并網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure of grid-connected DG

在配電網(wǎng)中，電網(wǎng)容量遠大于DG，逆變器在并網(wǎng)模式下一般使用功率控制，以接入電壓與DG發(fā)出功率為參考量，控制電流以達到功率控制的目的。變壓器低壓側(cè)帶有自動調(diào)壓功能，若電網(wǎng)正常運行，可以認為vs是穩(wěn)定的，vg與vs間的電壓差來源于負載電流在導(dǎo)線上的壓降，其關(guān)系為

式中，Vg、Vs為vg、vs的有效值。

若無DG接入，本地負載的功率全部由電網(wǎng)提供，Pg、Qg為負值；若DG接入，本地負載的功率部分或全部由DG提供，Pg、Qg增大并可能為正值，PCC電壓提高甚至超過可接受區(qū)間，此時，需要進行PCC電壓調(diào)整以提高本地負載的電壓質(zhì)量。配電網(wǎng)中導(dǎo)線的電抗大于電阻，在PCC注入無功功率比注入有功功率能更有效調(diào)整電壓，從控制上改變逆變器無功功率輸出的方法靈活性高并且成本低。

2　逆變器控制策略

2.1普通控制策略

并網(wǎng)逆變器一般使用PQ控制策略［11］，設(shè)置有功功率與無功功率參考值Pref與Qref，使用鎖相環(huán)得出濾波器輸出端口的三相電壓v的相角θ，對v使用派克變換得出其兩相同步坐標系（dq）下vd與vq。逆變器輸出瞬時功率PQ為

把有功功率參考值與電壓測量值代入式（2）求解，可以得到受控電流的參考值，即

根據(jù)派克變換使用不同系數(shù)與不同參考系，式（2）與式（3）的表述會稍有不同，式（3）dq分量在派克變換中d對應(yīng)cos，q對應(yīng)sin，在電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行下，vd為0，文獻［12］在功率電流換算上去除了vd，國外文獻一般考慮電網(wǎng)暫態(tài)vd不為0的情況，在功率電流換算上保留vd。

普通電流控制如圖2所示。圖2中經(jīng)過功率計算的電流參考值與實際測量值做差后經(jīng)過PI控制器調(diào)節(jié)后得到參考信號，考慮dq坐標系中微分方程電流存在耦合與網(wǎng)電壓擾動，加入ωL的解耦量與電壓前饋（ω為工頻角頻率，L為濾波電感），最終得到的逆變器輸出的電壓分量ud與uq，通過派克反變換與PWM發(fā)生器控制逆變器。其對應(yīng)公式為

圖2　普通電流控制Fig.2　Common current control

普通控制方式在電網(wǎng)電壓平衡情況下滿足控制要求，但在負載不平衡或因電網(wǎng)兩相短路造成電網(wǎng)電壓不平衡的情況下，普通控制的效果較差［13］。主要原因為：①電壓不平衡時正序電壓含有諧波，普通鎖相環(huán)不能準確檢測電壓相位；②dq坐標系下負序電壓對于正序電壓來說是2倍工頻的諧波，普通的功率計算會有波動；③電流與電壓dq值含有諧波，PI控制不能消除此穩(wěn)態(tài)誤差，導(dǎo)致逆變器輸出電流諧波含量增大，不滿足并網(wǎng)要求。

2.2正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制策略

為了彌補普通控制在電壓不平衡情況下的不足，可以在普通控制的基礎(chǔ)上加以改進，原有電流環(huán)可以認為是正序電流環(huán)，添加負序電流環(huán)控制負序電流，稱為正負序電流內(nèi)環(huán)獨立控制［14-15］。該控制需要采用基于雙同步坐標系的鎖相環(huán)DDSRF-PLL （decoupled double synchronous reference frame-phase locked loop）輸出電壓正序的相角，通過克拉克變換得出電流電壓的兩相靜止坐標系（αβ）下的值，再通過派克變換得到電流電壓dq坐標系的正序值與負序值，給定功率進行電流參考值計算。

以電壓為例，克拉克變換為

電壓正序dq值為

式中，θ為DDSRF-PLL輸出的相角。電壓負序dq值為

式（6）與式（7）不同之處在于派克變換矩陣的轉(zhuǎn)置。對比普通控制，正序的dq分量中含有負序分量幅值大小的的2次工頻諧波，需要使用陷波器去除。電網(wǎng)電壓不平衡情況下，逆變器輸出瞬時功率含有振蕩分量，其表達式為

式中：P0與Q0分別為瞬時有功功率與無功功率的平均值Pc2、Ps2、Qc2與Qs2為振蕩分量的幅值。在dq坐標系中其值為

由于電流只有4個項，只能對功率的4個項進行控制。為抑制直流側(cè)電壓的2次諧波，控制有功功率的振蕩分量為0，最終選擇控制功率分量的前4項，雖然無功功率會波動，但在一個周期內(nèi)無功功率的平均值可控。取矩陣M的前4行進行求逆，設(shè)定功率值可在給定電網(wǎng)電壓條件下求解電流dq坐標系下的正負序值，但該逆陣十分復(fù)雜。給定P0、Q0為功率參考值Pref、Qref，Pc2、Ps2為0，簡化后得

正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制如圖3所示。把式（10）算出的電流參考值與實際電流測量值輸入圖3的電流控制環(huán)，運算方式與普通控制相似，但正負序電壓dq分量需要使用派克反變換轉(zhuǎn)換成正負序αβ分量，再分別把α、β分量直接相加，得到普通量通過PWM發(fā)生器控制逆變器。在相同電壓不平衡度的情況下，使用正負序電流內(nèi)環(huán)獨立控制的逆變器輸出電流的諧波含量遠低于普通控制。同相電流分析結(jié)果如圖4所示。

圖3　正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制Fig.3　Positive and negative sequence double independent current loop control

圖4　電壓不平衡時逆變器輸出的電流波形Fig.4　Waveform of output currents of inverter under unbalanced voltage

3　基于電壓的無功功率控制

3.1線性無功功率控制

逆變器功率參考值根據(jù)外部條件設(shè)定，有功功率根據(jù)DG容量設(shè)定，無功功率一般為0。若DG接在低電壓等級，在IEEE Std.1547中DG接入的允許電壓為額定電壓的88%～110%，法國標準是90%～106%。DG接入會使PCC電壓升高，可能超過允許電壓，可對PCC吸收無功功率降低PCC電壓，在電壓低于額定值時注入無功功率提高電壓。

文獻［16］提出線性無功功率控制，設(shè)定電壓允許最小值為Umin，最大值為Umax，不影響有功功率輸出情況下無功功率輸出最大值為Q，最小值為-Q，若無功功率達到Q或-Q時電壓在允許范圍外，則降低有功功率，進一步提高無功功率。無功功率與電壓關(guān)系為

式中：Qref為無功功率參考值；U為當前電壓；S為DG總?cè)萘俊Ｊ剑?2）中電壓使用標幺值，功率使用有名值，則有功功率參考值為

若有功功率Pn為10 kW，無功功率Q為10 kvar，S為14.14 kVA，電壓允許范圍采用法國標準，式（12）與式（13）對應(yīng)的關(guān)系如圖5所示。

圖5　功率參考值與電壓關(guān)系Fig.5　Relationships between reference power and voltage

線性無功功率控制可以根據(jù)電網(wǎng)電壓變化改變無功的輸出，通過對電網(wǎng)注入或吸收無功調(diào)整PCC電壓，但每一個電壓點固定對應(yīng)一個無功值，對于不同參數(shù)的線路與不同的本地負載，同樣的無功對電壓的影響不同，造成電壓調(diào)整效果不佳。

3.2模糊控制在無功控制中的應(yīng)用

設(shè)定一個電壓期望范圍，最大值為Udes_max，最小值為Udes_min，在無功功率控制中把電壓期望范圍代替電壓允許范圍，即電壓達到期望范圍邊界時，逆變器不影響有功功率輸出情況下發(fā)出或吸收無功功率最大值，電壓期望范圍與允許范圍的關(guān)系為

期望范圍可變，電壓標幺值越接近1時，期望范圍就越窄，這個范圍將隨著所考慮的DG發(fā)出或吸收無功功率與其固有限值之比而變化，通過模糊控制整定，含有模糊控制逆變器控制系統(tǒng)如圖6所示。

圖6　含有模糊控制的控制系統(tǒng)Fig.6　Control system with fuzzy control

模糊控制使用模糊邏輯實現(xiàn)，其原理不借助數(shù)值，而是以一種語言方式的量化來表達輸入變量［17-18］，一個變量可以用“小”、“中”或“大”來定性描述。根據(jù)電壓和無功的最大限值確定“大”或“小”的性質(zhì)結(jié)果，再傳遞此性質(zhì)結(jié)果給被翻譯變量，一個變量接近最大值時，其性質(zhì)為“大”，接近0則為“小”。

測量值表達的采用值為負的最大（簡稱負大，NG）、負中（NM）、負小（NP）、零（ZO）、正小（PP）、正中（PM）與正大（PG），輸出電壓期望區(qū)間為小（P）、中（M）、中大（MG）與大（G），輸入與輸出為標幺值，設(shè)定電壓允許區(qū)間為0.90～1.06 p.u.，無功功率區(qū)間為-1～1 p.u.，無功基準值根據(jù)逆變器實際情況設(shè)定（本文為10 kvar），輸出為大于1的正向電壓期望值，對應(yīng)算出小于1的負向值。

常見中間對稱的隸屬度函數(shù)有三角形、梯形、鐘形、高斯形等。曲線函數(shù)原型是各種概率分布函數(shù)，能較好地反映現(xiàn)實情況，例如電力系統(tǒng)電壓大小，直線形隸屬度函數(shù)的準確性較差，但其計算量比曲線形低，本文使用計算機仿真，可以快速運算，而且高斯形隸屬度函數(shù)相對于其他的曲線隸屬度函數(shù)能在一定程度上克服模糊子集距離定義和相似原理不完善的缺陷，因此輸入與輸出使用高斯型隸屬函數(shù)，如圖7所示。

模糊推理使用Mamdani法，模糊判斷邏輯如表1所示，去模糊化使用質(zhì)心法Centroid。將得到電壓期望區(qū)間的表達值翻譯成數(shù)值，可直接用于無功功率計算。根據(jù)這個原理，電壓標幺值越接近1，發(fā)出或吸收的無功功率水平越小，期望電壓范圍就越窄；相反，電壓越接近允許邊界，發(fā)出或吸收的無功功率越大，期望電壓范圍越寬，直至允許范圍。

圖7　輸入輸出隸屬度Fig.7　Membership degree of input and output

表1　模糊邏輯判斷Tab.1　Fuzzy logic judgement

4　仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建圖1的并網(wǎng)逆變器模型。系統(tǒng)仿真參數(shù)如下：直流側(cè)電壓為600 V，濾波電感為3 mH，逆變器輸出的電壓等級為380 V，PCC與電網(wǎng)間導(dǎo)線電阻為0.236 Ω/km，電抗為0.365 Ω/ km，本地負載最大值為50 kW，逆變器最大可同時發(fā)出10 kW的有功功率與10 kvar的無功功率。

電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運行，在逆變器控制方法不同、PCC與電網(wǎng)間導(dǎo)線長度不同、本地負載不同的情況下測試PCC的電壓，結(jié)果如表2所示，表中U1為沒有接入DG時PCC的電壓；U2為電流普通控制逆變器固定發(fā)出10 kW時PCC的電壓；U3為電流普通控制與線性無功功率控制逆變器PCC的電壓；U4為結(jié)合正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制與無功功率模糊控制逆變器PCC的電壓。數(shù)據(jù)表明，U2大于U1，DG接入使電壓升高；U3比U2接近額定值，無功控制能有效調(diào)整電壓；U4比U3接近額定值，模糊控制輸出的電壓允許范圍隨線路長度和本地負載的變化而變化，U4的控制方法調(diào)整電壓更有效并帶有自適應(yīng)性。

表2　不同控制方式下穩(wěn)態(tài)電壓Tab.2　Steady-state voltages under different controls （p.u.）

圖8　平衡的電壓凹陷Fig.8　Balanced voltage sags

圖9　不平衡的電壓凹陷Fig.9　Unbalanced voltage sag

圖10　不平衡電壓凹陷時的負序電壓Fig.10　Negative sequence voltage under unbalanced voltage sag

電網(wǎng)發(fā)生三相平衡的電壓凹陷如圖8所示，結(jié)合正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制與無功功率模糊控制的逆變器輸出最大無功功率，能有效提高PCC的電壓。電網(wǎng)發(fā)生三相不平衡的電壓凹陷，U2與U3對應(yīng)的逆變器控制方式不滿足并網(wǎng)電流諧波要求，故不考慮，PCC電壓與負序電壓如圖9與圖10所示，U4對應(yīng)的控制方式能有效提高PCC電壓，并能降低PCC的負序電壓。

5　結(jié)語

本文結(jié)合無功功率模糊控制與正負序雙電流內(nèi)環(huán)獨立控制，在電網(wǎng)電壓平衡的情況下，上述控制方法能有效調(diào)整PCC電壓，并帶有自適應(yīng)性；在電網(wǎng)電壓不平衡的情況下，保證調(diào)整PCC電壓效果同時能降低電壓不平衡度。仿真結(jié)果表明，文中的控制方法在PCC電壓調(diào)整上的效果比普通控制更好，驗證了該方法的有效性與正確性。

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Regulated Method of PCC Voltage for Inverter Interfaced Distributed Generator

TAO Weiqing，LU Dingkun，DING Ming，XIA Yi，LU Shengqing，YANG Gang
（Photovoltaic Research Center of MOE，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In this paper，in order to improve the effect of inverter interfaced distributed generator（IIDG）regulated volt?age at the point of common coupling（PCC），the relationship between the reactive power and the voltage from/to the grid-connected inverter is analysed.By applying instantaneous power theory under three-phase balanced and unbal?anced grid voltage，and combining the fuzzy control of power and the positive and negative sequence double indepen?dent current loop control of the reference currents，a PCC voltage regulated method based on control is proposed.The control method can effectively regulate the voltage of PCC under both normal voltage and voltage sag，and it can reduce the imbalance of the system under unbalanced voltage sag.The simulation result verifies the effectiveness and the selfadaptability of voltage regulation of the proposed control method.

grid-connected inverter；point of common coupling；voltage regulation；positive and negative sequence cur?rent control；fuzzy control

TM761

A

1003-8930（2016）08-0001-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.08.001

2015-01-20；

2015-12-23

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）資助項目（2011AA05A107）

陶維青（1964—），男，碩士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。Email：wqtao@hfut.edu.cn

陸鼎堃（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。Email：ff492567876@126.com

丁明（1956—），男，碩士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力系統(tǒng)規(guī)劃及可靠性、新能源及其利用、柔性輸電系統(tǒng)的仿真與控制等。Email：mingding56@126.com