基于智能微網(wǎng)PCS系統(tǒng)功率不平衡補償研究

雷敏

(中國船舶重工集團第七一○研究所，湖北 宜昌 443002)

基于智能微網(wǎng)PCS系統(tǒng)功率不平衡補償研究

雷敏

(中國船舶重工集團第七一○研究所，湖北 宜昌 443002)

三相負載不平衡對微網(wǎng)并網(wǎng)具有許多不利影響。本文選取了智能微電網(wǎng)作為研究平臺，引入了PCS的雙同步旋轉系的矢量計算方法，將電流矢量分解成正序和負序的d、q四個矢量，經(jīng)過4個PI控制器進行無差控制，最后在MATLAB軟件仿真中，利用這種方法在三相對稱或不對稱電壓下，載入不平衡負載的3種情況想進行仿真，實驗的結果一致表明：PCS的引入的確能夠對三相不平衡之后的功率控制具有優(yōu)化平衡的作用。

智能微網(wǎng);dq矢量;三相不平衡

1 引言

近年來傳統(tǒng)的大電網(wǎng)在能源利用、環(huán)境保護等方面臨了巨大的挑戰(zhàn)，而且也不得不面對人們用電量逐年大幅度遞增，因此電力系統(tǒng)的規(guī)模變得越來越大，帶來的問題就是運行的難度越來越大，運行成本越來越昂貴。有光伏、風能、火電機組、儲能電池多種能源組成分布式發(fā)電能源組成的微電網(wǎng)系統(tǒng)在能源的使用效率、改善電網(wǎng)穩(wěn)定運行，節(jié)能減排等方面具有明顯的優(yōu)勢。但是風能、光伏發(fā)電具有間歇性和波動性等特點，如果直接并網(wǎng)，會對電網(wǎng)的頻率和電壓的波形產(chǎn)生影響，為了解決這個問題，人們就選用在微網(wǎng)發(fā)電中引入蓄電池組，蓄電池組能夠暫存光伏和風能產(chǎn)生的能量[1-2]。但是實際運行的微電網(wǎng)的容量受到各種因素的影響，不可能將功率做的很大，當微電網(wǎng)和電網(wǎng)并網(wǎng)的時候，如果出現(xiàn)三相功率不平衡，那么微電網(wǎng)系統(tǒng)受的影響會更加嚴重。因此怎樣的優(yōu)化三相負載不平衡具有重要意義。

2 基于PCS三相電路的拓撲結構及不平衡系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)不平衡的概述

不平衡系統(tǒng)是相對平衡系統(tǒng)而言的，系統(tǒng)平衡主要是表現(xiàn)在三相的電壓幅值相等且相序相差120度。在實際的配電系統(tǒng)中完全平衡幾乎是不可能的。三相負載不平衡時，當某一相的負載消耗遠大于其他相的時候，那么這一相的電壓會降低，從而三相系統(tǒng)不平衡就出現(xiàn)了。三相負載的不平衡主要來源是一方面單個用戶的負載增加的容量不可控，另一方面主要是單相負載工作時間的不確定性，對于智能微電網(wǎng)的原因還可能來自于光伏發(fā)電系統(tǒng)不平衡。系統(tǒng)不平衡造成的危害主要表現(xiàn)在：(1)降低了配電變壓器的可利用率。配電變壓器的單相的最大功率一般都是考慮單相最大負載功率來設計的，因此另外兩相的負載功率明顯會出現(xiàn)剩余容量，所以變壓器的可利用率下降。(2)縮短變壓器的正常使用壽命。對于三相四線的變壓器，當出現(xiàn)負載不平衡的時候，零線中將有電流流過，電流產(chǎn)生磁通，造成電能的損耗，溫度也會升高，影響內(nèi)部絕緣老化。(3)造成變壓器的中性點偏移。三相負載不平衡會產(chǎn)生零序電動勢。供電電壓就不平衡，因此中性點會偏移[3]。

2.2 PCS三相電路的拓撲結構

圖1 PCS三相電路拓撲結構

實際上PCS實際上就是儲能變流器，可以把它理解為一個能量可以在直流和交流側雙向流動的AC/DC變換器，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中它可以實現(xiàn)無功功率補償，抑制電網(wǎng)功率不平衡，削峰填谷的功能[4]。圖1是本文研究的PCS三相電路的拓撲結構圖，為電網(wǎng)側三相電，為直流側電容的電壓，和分別是交流側濾波電容和直流側的母線電容。分別為橋臂電流，電網(wǎng)電流和電容電流。

2.3 PCS補償電網(wǎng)功率不平衡理論分析

為了更加好的敘述PCS在不平衡系統(tǒng)中的作用，我們以現(xiàn)實生活中的電力系統(tǒng)中負載不平衡現(xiàn)象作用研究對象，然后對其進行等效簡化，可以得到如圖2的等效示意圖。

如果沒有PCS系統(tǒng)的存在，通過分析可得電網(wǎng)的電流值此時是恒等于負載側的電流值的，所以電網(wǎng)容易出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象。為了簡化模型，假設電網(wǎng)三相等效阻抗都是相等，所以電網(wǎng)端口的輸出電壓理論幅值應該就是相同，由于在不同的路徑傳輸，它們的電流是存在差異的，所以負載并網(wǎng)點的電壓就很容易出現(xiàn)不平衡的。

圖2 PCS 補償電網(wǎng)不平衡等效示意圖

當PCS接入系統(tǒng)時，其等效示意圖如圖2所示，相對B相和C相，A相的負載較小，能量平衡的關系可以得到PCS就會從A相電網(wǎng)吸收能量；說明電網(wǎng)C相負載較大，為了滿足電網(wǎng)輸出功率的平衡，相當于C相電網(wǎng)和PCS一起給負載提供能量。還有一種情況就是電網(wǎng)側某相的功率和對應相負載的功率是相等的，例如圖2中的B相，因此對于PCS而言，實際上就沒有功率的傳入和傳出了，這個時候對于PCS而言得到的一個好處就是直流側的有功損耗幾乎為零，可以很好的節(jié)約直流儲能器件的。

通過上面的分析，其實實現(xiàn)不平衡補償?shù)年P鍵就是利用PCS作為一個緩沖裝置，通過PCS和電網(wǎng)一起來對負載供電，讓PCS抵消電網(wǎng)用功功率和無功功率，然后根據(jù)實際系統(tǒng)的需要，通過對正序有功電流進行給定，就可以在負載側得到需要的有功功率。因此接下來本系統(tǒng)的仿真實驗關鍵就是仿真研究PCS如何完全抵消電網(wǎng)的功率。

3 電網(wǎng)不平衡的PCS建模

3.1 三相系統(tǒng)不平衡PCS的數(shù)學模型

本文研究的PCS系統(tǒng)見圖1，它表示的是一個三相三線制的系統(tǒng)，所以零序分量在系統(tǒng)中沒有回路，因此系統(tǒng)中的電流矢量可以下式表示：

I=IP+IN

(1)

在式(1)中的P表示的電流的正序分量，N表示的電流的負序分量。如果系統(tǒng)中存在三相不平衡的PCS的交流側的輸入端的模型可以有公式(2)描述：

(2)

不平衡時，PCS的直流輸入端建立的模型如式(3)所示：

(3)

根據(jù)上面的分析，PCS在不平衡系統(tǒng)中正常工作的關鍵就是必須要對正序和負序相關量進行分離，然后在分別的控制，然后在進行疊加。

3.2 基于交叉解耦正負序分離技術

在同步旋轉坐標系下，當正序分量和負序分量同時按電網(wǎng)電皮的角速度進行同步旋轉，那么正序分量將會變成直流分量，而此時的負序分量則會變成2次諧波分量。可以推出的表達式：

(4)

式中的和表示正序和負序的相角。可以表示為：

φN=φN-wt

(5)

所以可以得到的表達式為：

(6)

根據(jù)上面的分析可以同理得到：

(7)

(8)

根據(jù)上式的結果進行正負序交叉解耦的網(wǎng)絡如圖3所示。

其中解耦網(wǎng)絡的公式如下所示：

(9)

通過上面的操作后，網(wǎng)絡中還有少許的2次諧波的殘余，進一步優(yōu)化，選擇LPF低通濾波器進行濾波。由于濾波器的接入對信號的快速性和實時性有一定影響，所以本設計的控制信號選擇濾波前的信號。

圖3 正負序交叉解耦的網(wǎng)絡

4 PCS控制策略

通過上面的第3節(jié)理論分析，任意一個矢量可以在不平衡狀態(tài)下可以進行正負序的解耦，因此在PCS在電網(wǎng)在并網(wǎng)運行的模式下給定的電流矢量可以分解成4個部分：有功正序電流分量；有功負序電流分量；無功正序電流分量；無功負序電流分量。同理，將反饋的電流值也做上面同樣的處理，得到相應的4個分量。將二者經(jīng)過4個PI調節(jié)器進行無靜差控制，從而保證準確快速的跟隨。為了驗證當電網(wǎng)電壓出現(xiàn)幅值不平衡的時候系統(tǒng)也能夠正常工作。同樣將不平衡的電壓也分解成四個分量，作為電圧環(huán)的給定，該控制系統(tǒng)如圖4所示[5]。

圖4 電網(wǎng)不平衡PCS控制的系統(tǒng)圖

5 PCS在功率不平衡系統(tǒng)的仿真分析

為了進一步驗證本文敘述的方法是正確且可行的，本文選擇在MATLAB的Simulink環(huán)境下對上面的系統(tǒng)進行了仿真驗證，通過示波器觀測電網(wǎng)側的電壓波形，電網(wǎng)側的電流波形以及負載側的電流波形加以驗證說明，該仿真實驗一個做了3組，分別仿真了電網(wǎng)電壓平衡且負載平衡，電網(wǎng)電壓平衡負載不平衡，電網(wǎng)電壓不平衡且負載不平衡三種情況[6]。

5.1 電網(wǎng)電壓和負載都是平衡的仿真結果

在這一組實驗中，我們設置三相的負載值為相同值。根據(jù)2.3節(jié)的分析，這個時候實際上模擬的就是微電網(wǎng)孤島運行的模式，此時PCS輸出的功率來抵消電網(wǎng)的功率，使電網(wǎng)出的功率為零，實際上負載消耗的功率是來自儲能設備。

圖5 電網(wǎng)電壓和負載都是平衡時電網(wǎng)三相電壓波形圖

圖6 電網(wǎng)電壓和負載都是平衡負載電流圖

圖5表示的電網(wǎng)側的電壓波形，圖6表示的是三相負載的電流波形。此時的PCS的輸出電流和負載電流基本保持一致的，以此電網(wǎng)側的電流應該是幾乎為零的，從圖7中是仿真系統(tǒng)中測得的電網(wǎng)側電流，有波形圖可以得到實際上此時電網(wǎng)側的電流幾乎為零，和理論分析是一致。

圖7 電網(wǎng)電壓和負載都是平衡時電網(wǎng)的三相電流波形圖

5.2 電網(wǎng)三相電壓平衡負載三相不平衡仿真結果

在第二組實驗中，此時設置三相負載各不相同,設置B相、A相、C相負載依次減小，此時PCS輸出的功率還是抵消電網(wǎng)的功率，所以理論分析電網(wǎng)側的功率應該也是為0的。圖8和圖9表示的是電網(wǎng)三相電壓平衡負載三相不平衡時電網(wǎng)三相平衡電壓波形圖和不平衡負載電流波形圖。圖10電網(wǎng)三相電壓平衡負載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖，從圖上可以看出此時電網(wǎng)電流同樣幾乎為零。

圖8 電網(wǎng)三相電壓平衡負載三相不平衡時電網(wǎng)三相平衡電壓波形圖

圖9 電網(wǎng)三相電壓平衡負載三相不平衡時負載電流波形圖

圖10 電網(wǎng)三相電壓平衡負載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖

5.3 電網(wǎng)電壓不平衡且負載三相不平衡仿真結果

第三組實驗設置電網(wǎng)電壓不平衡，且負載不平衡，由于此時電網(wǎng)電壓也是不平衡的，因此要將電網(wǎng)采樣電壓矢量在雙同步旋轉坐標系進行交叉解耦的結果作為電壓環(huán)的給定，如此同時，電流也進行解耦和無靜差調節(jié)控制，保證電流輸出的精確性。如圖11和圖12分別表示的電網(wǎng)電壓不平衡且負載三相不平衡時電網(wǎng)三相不平衡電壓波形圖和三相負載電流波形圖，圖13表示的電網(wǎng)電壓不平衡且負載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖。從圖上可以看出，此時電網(wǎng)電流仍然幾乎為零，再次證明了PCS在不平衡系統(tǒng)中的控制是精確的、可實施的。

圖11 電網(wǎng)電壓不平衡且負載三相不平衡時電網(wǎng)三相不平衡電壓波形圖

圖12 電網(wǎng)電壓不平衡且負載三相不平衡時三相負載電流波形圖

圖13 電網(wǎng)電壓不平衡且負載三相不平衡時電網(wǎng)三相電流波形圖

6 總結

智能微網(wǎng)越來越成為一個新的研究熱點，容量小的特點使它在并網(wǎng)的時候，電網(wǎng)三相功率不平衡對其影響比較嚴重。本文選取智能電網(wǎng)中PCS作為研究的切入點，總結了微網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)系統(tǒng)三相不平衡的主要原因，描述了三相負載不平衡帶來的危害。然后提出了PCS在基于雙向同步旋轉坐標系的矢量計算方法。將一個電流或電壓矢量分解成正負序的dq四個分量，進而對負序的不平衡分量單獨進行無差控制。仿真結果表明了這種矢量分解的正確性以及實用性，其次PCS系統(tǒng)的接入可以使三相電壓平衡或不平衡的電網(wǎng)，在加入不平衡負載之后功率變得平衡了，顯現(xiàn)出了PCS在不平衡系統(tǒng)中的作用。

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[6] 朱信捷.基于PCS智能微電網(wǎng)系統(tǒng)關鍵技術研究與應用[D].安徽大學,2015.

Research on Unbalance Compensatin of PCS System Power Based on Smart Microgrid

LEI Min

(China Shipbuilding Industry Corporation 710 Research Institute,Yichang 443002,China)

Unbalanced three-phase load has many adverse effects on micro grid connected to grid.This paper selects the smart micro grid as a research platform,the introduction of the PCs double synchronous rotating reference frame vector calculation method and the current vector is decomposed into positive sequence and negative sequence D and Q four vector,after four PI controller without difference control.Finally,in the MATLAB software simulation using this method in three-phase symmetric or asymmetric voltage and load unbalanced load of the three kinds of situations to simulation and experimental results consistently show that:PCS introduced can indeed power control of three-phase imbalance is the balance optimization.

smart microgrid;vector DQ;three phase unbalance

1004-289X(2017)01-0031-05

TM71

B

2016-08-05

雷敏(1981-)，男，湖北天門人，研究生，研究方向為船舶與海洋結構物設計制造。