微電網中電力電子變壓器的電壓質量控制措施探折

佘海智

（西安西電變壓器有限責任公司，陜西 西安 710077）

0 引 言

PET具有體積小、重量輕、可控性好的特點，運用于微電網能夠有效改善電能質量。此外，它便于各類負荷和分布式電源的接入，不僅具備電氣隔離和電壓變換功能，還具備無功補償能力、抑制諧波能力和瞬時關斷能力[1]。

1 PET電壓質量調節本質分析

微電網非線性諧波負荷通常來說劃分為電壓源型和電流源型兩種類型。將諧波電壓源VSh和等效并聯組抗ZVh進行串聯，能夠得到一個簡化的理想模型。其中，諧波成分用ISh表示，諧波等效輸出阻抗用ZPET表示，線性負載用ZL表示[2]。

由圖1可得：

圖1 含非線性諧波負荷的系統等效圖

于是，可以得出：

PET輸出級參考電壓Uref主要包含正弦電壓，而由 于YΣ=YPET+YVh+YCh+YL、YVh=1/ZVh、YCh=1/ZCh所 帶來的影響，會造成PCC點電壓出現不同程度的畸變。基于該原理，PCC點電壓畸變的實際情況由VSh與ISh前面的系數大小來決定。如果出現負載阻抗ZL不變的狀態，可以借助提高YPET的有效措施，實現減弱諧波源對VPCC點電壓產生的消極影響。另外，因為電壓質量調整在實際進行中往往會有容量上的制約，所以可以運用PET輸出級。在實際操作過程中，只要能夠滿足Yoh＞YL+YVh這一條件，就能夠顯著降低VPCC點電壓畸變率[3]。

2 PET輸出級電壓質量控制策略

控制策略的提出充分考慮以下3個問題。

問題1：由于電壓涵蓋了幅值和相位，電壓指令參考在很大程度上對實際調節效率以及可用容量利用效率帶來了影響，所以如何選擇電壓指令基準？

問題2：目前，在微電網的設計和使用中，PI控制器較多，雖然其具有通用性強的特點，但是對交流信號的響應特性差、參數設計敏感，且占用數字信號處理器大量的計算時間，所以如何選擇電壓控制器？

問題3：PET順利運行的基礎是基波功率供給，所以必須要考慮PET容量限制，那么如何解決補償容量受限？

2.1 電壓控制環節分析

針對提出的問題1和問題2，PET電壓指令借助PC點采樣電壓，運用直接電壓不但在很大程度上減弱了控制系統負載阻抗變化的敏感度，也會對動態響應系統具有正面積極的影響。為了能夠有效控制交流信號，可以采用PR諧振控制器，還可以直接使用PCC點電壓作為控制系統的輸入，全方位實現基本鏈路和每個諧波鏈路的解耦，從而大大減少諧波對基波控制的影響。

其中，Uout_h(k-1)表示為k-1 PET輸出電壓存在的諧波分量；Mh為諧波電壓幅值的調節系數。

采用PR控制器的PET輸出電壓表達式為：

其中，電壓外環多諧振控制器的傳遞函數為GU(s)；電流內環比例增益函數為GI(s)，PET控制器調制增益為KPWM。由此能夠得出GU(s)表達式為：

KPV為比例增益系數，Krh為諧振控制器增益系數，ωch為截止頻率，ω0為基波頻率。

2.2 考慮容量限制的虛擬阻抗控制環節分析

若單純選擇電壓外部環路，能夠實現更好地管控PCC供電電壓。然而，具體操作過程中還需要進一步考慮補償容量方面的問題。關于問題3，可以采取依靠虛擬阻抗鏈路動態引入PET的剩余容量，進而實現對電源電壓質量的新方式。

能夠了解到調整PET等效阻抗就可以改變iout的正向增益。如圖2所示，可以直接選擇虛擬阻抗鏈路動態對PET等效輸出阻抗予以調整。PET輸出電流iout正向增益GIR為：

充分考慮到為了降低已有電壓控制環節帶來參數匹配和交互耦合等影響，可以采用作為電流反饋信號的增益函數，得出：

PET輸出電壓調整為：

圖2 PET輸出級直接電壓控制框圖

k指補償系數，代入后可以更好地控制供電電壓質量。如果k=1，諧波阻抗為0，此狀態下屬于全補償；如果k=0，此時屬于無補償狀態。同時，伴隨著k值的增加，能夠有效改善PCC點的電壓質量；反之，PCC點電壓質量必然開始降低。

借助k=k*-m(S0-S)可以得到補償系數k的正確取值方法，而S0代表PET可用補償容量，S即是PET的諧波輸出容量。S0和S可闡釋為：

SN為PET輸出級的額定容量，Sout為PET輸出級運行的視在功率，Uout_rms為輸出電壓有效值，Iout_rms為輸出電流有效值。k*為當S0=S時的補償系數，取值范圍為[0，1]。m為諧波電壓改善率，表達式為：

當S=0時，kmax=1。可見，當PET輸出級的基本功率較低時，對應的k可以取較大的值，在該狀態下的PCC點電壓調節能力更強。

2.3 響應特性分析

通過控制器傳遞函數能夠了解PET電壓響應傳遞函數和阻抗傳遞函數如下：

為了進一步提升電壓控制的有效性，基于式（24）和式（25）對電壓環選擇PI以及PR控制的不同相應特性展開研究，對比PET輸出的阻抗特性。

選擇PR控制器可以達到基波和每個諧波頻率處的增益接近0 dB與0°的目的，充分表明PR控制器能夠對基波的指令和特定諧波頻率處指令實施準確的動態跟蹤。如果將PR控制器換成PI控制器，那么每個頻次處的幅頻響應特性遠遠達不到PR控制器的控制效果，如圖3所示。

如圖4所示，采用PR控制下的等效諧波阻抗相對于PI控制來說更小，且特定諧波處存在較大的差距，可見PR在等效阻抗值上具有更強的諧波控制能力。

圖3 電壓指令信號響應圖

圖4 PET輸出級等效阻抗

3 結 論

綜上所述，科學開展好PET電壓控制，能夠更加高效全面地管控PCC點的電壓質量，因此列舉的策略不僅考慮了補償容量限制，還具有靈活簡便操作的特點，能夠較好地運用于PET運轉過程中，且適用于其他電壓源型變流器或電流源型變流器。