孤島微電網(wǎng)的電壓不平衡控制策略研究

周虎， 李順福， 吳麗珍， 楊旭生

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州　730030;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌　737100;3.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州　730050)

?

孤島微電網(wǎng)的電壓不平衡控制策略研究

周虎1， 李順福2， 吳麗珍3， 楊旭生3

(1.甘肅省電力公司，甘肅 蘭州730030;2.國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌737100;3.蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州730050)

隨著微網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，微網(wǎng)中負載的不對稱，導致了微網(wǎng)電壓出現(xiàn)不平衡。為此提出了在αβ坐標系下的低壓微網(wǎng)電壓不平衡補償方法。該方法包括改進的下垂控制，可使微源逆變器根據(jù)本地配置的實際情況改善功率分配；電壓不平衡補償 環(huán)節(jié)，協(xié)調(diào)控制分布式發(fā)電單元的有功和無功功率以自動補償微電網(wǎng)電壓不平衡；并加入虛擬阻抗環(huán)來靈活地控制逆變型微源的等效輸出阻抗特性；而電壓電流環(huán)則采用準比例諧振控制實現(xiàn)電流、電壓的無靜差控制。最后通過仿真結(jié)果證明了所提控制策略的有效性。

微電網(wǎng)；電壓不平衡度；下垂控制；準比例諧振控制；虛擬阻抗環(huán)

0　引　言

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲能裝置、負荷、變流器以及監(jiān)控保護裝置有機整合在一起的小型發(fā)配電系統(tǒng)[1]。微電網(wǎng)作為分布式電源的有效載體，是分布式電源接入配電網(wǎng)的重要方式，為局部消納可再生能源提供了有效途徑，也是智能電網(wǎng)的重要組成部分[2]。但在電壓源型逆變器并網(wǎng)的低壓微電網(wǎng)中，基于下垂特性的對等控制帶來了電壓和頻率的偏差，三相負荷不對稱以及非線性負載的普遍存在，將導致微電網(wǎng)支撐電壓出現(xiàn)三相不平衡，從而造成較多的能量損失，影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。當電壓存在嚴重不平衡時，對設(shè)備如感應電動機、電力電子轉(zhuǎn)換器和調(diào)速驅(qū)動器等有嚴重影響，因此，國際電工委員會(IEC)規(guī)定電力系統(tǒng)中電壓不平衡度應限制在2%以內(nèi)[4]，根據(jù)國標《電能質(zhì)量三相電壓允許不平衡度》的規(guī)定，電力系統(tǒng)公共耦合點正常電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%；接于公共連接點的每個用戶，引起該點正常電壓不平衡度允許值一般為1.3%。因此，研究微電網(wǎng)電壓不平衡補償策略迫在眉睫。

現(xiàn)有不平衡電壓補償主要是通過串聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，向線路注入負序電壓[5-6]，或者通過并聯(lián)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器補償線路電流來實現(xiàn)不平衡補償[7-8]，但是對多逆變器的微電網(wǎng)成本高且容易造成調(diào)節(jié)器過流。而微電網(wǎng)可通過調(diào)節(jié)分布式電源(Distributed Generator, DG)逆變器輸出電壓的幅值和相位，調(diào)整DG向微電網(wǎng)中注入的有功和無功功率，以支撐微電網(wǎng)電壓。因而，文獻[9]提出了注入負序電流補償法，使得線電流變得平衡，以達到微網(wǎng)電壓不平衡補償?shù)哪康?。文獻[10]通過控制負序電導來補償DG端電壓的不平衡，應用負序無功產(chǎn)生一個參考的負序電導，進而產(chǎn)生補償電流，再將補償所需的參考量注入到輸出的電壓控制器中進行控制，從而是微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定。但文獻[11]認為這種方法是不合適的，因為電壓控制器將此參考量認為是一種擾動。因此，文獻[11]提出在電壓控制器之前注入補償參考量，達到了補償效果。文獻[12]中用一個比例積分(PI)控制器，來跟蹤參考電壓的不平衡系數(shù)，但該方法基于dq坐標系，需要鎖相環(huán)，計算量大。因此，本文針對多逆變器并聯(lián)的微電網(wǎng)電壓不平衡問題，提出基于αβ靜止坐標系的三相電壓不平衡補償方法，采用改進的下垂控制，并加入基于正序電流的虛擬阻抗環(huán)控制，靈活地控制逆變型微源的等效輸出阻抗特性；而電壓電流環(huán)則采用準比例諧振控制實現(xiàn)電壓、電流的無靜差控制。

1　含多逆變器的微電網(wǎng)控制結(jié)構(gòu)

圖1為兩DG并聯(lián)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，主要由分布式直流電源Udc、三相全橋逆變電路、LCL濾波器以及線路阻抗組成。其中，R1、L1為DG1到公共耦合點(PCC)的線路阻抗，R2、L2為DG2到PCC的線路阻抗，ZB為三相平衡負載，而ZUB為不平衡負載連接在a、b相。

圖1　兩DG并聯(lián)的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

為了減少計算量，本文采用兩相靜止αβ坐標系及其控制原理圖如圖2所示。

圖2　DG控制結(jié)構(gòu)原理圖

采用二階廣義積分法進行正負序分離，得到正序、負序電壓電流分量，進而求出所需的正序有功、無功功率，通過下垂控制環(huán)得出所需的電壓參考幅值和相位，送入電壓參考發(fā)生模塊獲得正弦電壓參考信號，最后經(jīng)過電壓、電流雙環(huán)控制得到輸出電壓，作為脈沖信號控制逆變器。

2　多逆變器并聯(lián)的微網(wǎng)電壓不平衡補償控制方法

2.1正負序分離及功率計算

將逆變器輸出的電壓、電流信號利用兩相靜止坐標系變換到αβ坐標下，對于三相三線制系統(tǒng)而言，不考慮零序分量問題。將abc變換到αβ坐標系，所需要的變換矩陣為Tαβ，變換公式如下所示：

(1)

(2)

依據(jù)二階廣義積分SOGI正負序分離的原理，對輸入電壓信號進行90°相角偏移，以此獲得兩相靜止αβ坐標系下的電壓或電流正負序分量，其正負序分離計算公式:

(3)

(4)

此外，以二階廣義積分SOGI正負序分離的原理獲得兩相正交電壓信號，此方法不僅可以實現(xiàn)對輸入電壓信號進行正負序分離，還可以濾除高次諧波[13]。

基于瞬時無功功率理論[14],有功無功的瞬時值計算如下：

p=voαioα+voβioβ

(5)

q=voβioα-voαioβ

(6)

其中voα和voβ為αβ下的兩相基波電壓；ioα和ioβ為αβ下的兩相基波電流。

瞬時有功功率p和瞬時無功功率q包含了直流分量和交流分量，其中，直流分量即為基波正序，基波正序有功功率P+和無功功率Q+可通過低通濾波器濾除p和q的交流分量得到。其中，所用的一階濾波器傳遞函數(shù)如下：

(7)

式中ωc為截止頻率。

2.2改進的V/f下垂控制

由于傳統(tǒng)的下垂控制取自虛擬同步發(fā)電機的下垂特性曲線，一般認為輸出阻抗是感性的，因而通過有功功率來調(diào)節(jié)頻率基準，無功功率來調(diào)節(jié)電壓基準。DG 輸出的基波正序有功功率和無功功率為[15]：

(8)

(9)

其中E為DG 逆變器輸出相電壓；V為電網(wǎng)電壓，φ為E與V之間的相角差；Z和θ分別為連接阻抗的幅值和相角，設(shè)定電網(wǎng)電壓的相角為0，φ則為逆變器電壓相角。當連接阻抗Z接近感性，即有Z≈X和θ≈90°時，則有功和無功為:

(10)

(11)

由此可見，有功功率P主要取決于逆變器輸出電壓與母線電壓相位差,無功功率Q主要取決于逆變器輸出電壓幅值V。又因為電壓相角差和角頻率之間滿足關(guān)系式：ω=dφ/dt。因此，可以采用PQ下垂控制法，通過調(diào)節(jié)有功功率來改變輸出角頻率，進而實現(xiàn)電壓相角差的控制，通過調(diào)節(jié)無功功率來實現(xiàn)電壓幅值的控制。圖3-a是有功/頻率下垂曲線，曲線由初始運行點的f0和P0以及下垂系數(shù)m確定。圖3-b為無功/電壓下垂曲線，由初始運行點的V0和Q0以及下垂系數(shù)n確定。假設(shè)系統(tǒng)工作在A點，當系統(tǒng)輸出有功功率增大到P1時，系統(tǒng)頻率將減小到f1，系統(tǒng)將工作在B點，而頻率降低又會增加有功輸出，從而實現(xiàn)功率自動平衡。同樣無功/電壓下垂曲線也有類似的下垂規(guī)律。

圖3　下垂控制原理

傳統(tǒng)的下垂控制雖然能解決簡單的功率和幅值的控制，但當線路阻抗、本地負荷不同時，會產(chǎn)生功率分配的誤差，造成系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。為此本文提出的下垂控制方法公式如(12)和(13)所示。

(12)

E*=E0-nPQ+

(13)

其中E*、φ*為參考電壓幅值、參考電壓相角，mp為下垂有功比例系數(shù)，np為無功比例系數(shù)，mD為有功微分系數(shù)。為了增加響應速度，在下垂控制中增加微分響應系數(shù)mD，增加微分系數(shù)有助于改善動態(tài)功率控制；ω0、E0分別為額定角頻率和額定電壓幅值。通過P-f、Q-E下垂控制，各分布式電源能獨立調(diào)節(jié)輸出基波頻率、電壓幅值。因此，各分布式逆變器之間可以實現(xiàn)有功、無功較為精確的分配。

2.3虛擬阻抗環(huán)

圖4　虛擬阻抗環(huán)原理框圖

下垂控制只有在X?R的條件下，無功出力才主要由電壓幅值來控制，但是在低壓微網(wǎng)中，輸出線路主要體現(xiàn)為阻性即R>X，加入虛擬阻抗可以使P-f、Q-E下垂控制適用于阻性線路，但虛擬阻抗會導致壓降過大以及諧波放大。針對此問題本文運用負阻抗，利用原電壓減去逆變器輸出電流在虛擬負電阻上的壓降作為最終的電壓，達到用算法模擬虛擬負電阻作用的目的；用虛擬負電阻抵消一部分線路電阻，從而在同樣的效果下，減小虛擬阻抗的取值，提高電壓質(zhì)量。因此本文在逆變器單元中加入虛擬負阻抗環(huán)節(jié)，以補償線路阻抗大小不一致而造成的無功出力不均，其設(shè)計原理框圖如圖4所示。

圖4的方程表示為：

(14)

(15)

其中Rv、Lv為虛擬電阻、電感。圖4中只有正序電流通過虛擬負阻抗,這樣避免了由于DG輸出而引起的負序電壓不平衡，補償了線路阻抗大小不一致而造成的無功出力不均。而且，虛擬負阻抗沒有功率損耗，它不會減少效率，使得下垂控制更穩(wěn)定[16]。

2.4電壓電流環(huán)控制

因為基于αβ靜止坐標系下的電壓和電流為交流分量，所以用準比例諧振PR (proportional resonant)控制器來進行αβ靜止坐標系下的電壓、電流誤差信號控制。通過PR 控制器，使系統(tǒng)在諧振頻率處實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差。PR電壓、電流控制器傳遞函數(shù)為[17]：

(16)

(17)

kpV、kpI是比例諧振中電壓、電流控制系數(shù)；ωCV、ωCI是電壓、電流控制器的截止頻率。

3　仿真結(jié)果分析

為驗證上述控制方法的有效性，基于MATLAB/Simulink 軟件，搭建了如圖 1所示含有2個分布式電源的仿真實驗平臺，主電路和控制系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1、表2。

表1　主電路參數(shù)

表2　控制系統(tǒng)參數(shù)

仿真時DGs逆變器的開關(guān)頻率為10 kHz，在t=0.5 s時加入電壓不平衡補償環(huán)節(jié)。

根據(jù)文獻[15]，電壓不平衡度(Voltage Unbalance Factor，VUF)可定義為負序電壓分量與正序電壓分量之比，其公式如下：

(18)

采用本文提出的電壓不平衡補償策略，在控制策略中計算出每個DG端口的輸出電壓正負序分量的有效值，并可獲得不平衡度VUF, 其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5　DGs的VUF

圖6　DG1的補償前后電壓波形

圖7　DG1的電流波形

設(shè)參考電壓不平衡補償度VUF*=1%，在t=0.5 s 時加入電壓不平衡補償環(huán)節(jié)，由圖5可以看出,補償前各個 DG的電壓不平衡度大于3%，而加入補償環(huán)節(jié)后各個 DG 的電壓不平衡度有了明顯的下降，約為0.5%，由此可見電壓不平衡補償?shù)男Ч^好。但由于在正負序分離的計算中有誤差，故電壓不平衡并未完全消除。

圖8　功率補償比較

DG1端點補償前后的電壓波形如圖6所示，可以看出由于a、b相所加不平衡負載，導致DG1三相電壓不平衡，但在t=0.5 s,應用本文所提出的不平衡補償方法后，使的補償后三相電壓平衡(DG2類同)。DG1端點補償前后的電流波形如圖7所示，可以看出，由于所加不平衡負載的原因，a相與b相的電流基本相等而c相的電流接近于零。不平衡的負載電流導致了電壓的不平衡，加入不平衡補償環(huán)節(jié)之后，三相電流整體有所增加，但c相電流增加的較為明顯，減小了電流不平衡，從而減小了電壓不平衡。

為了進一步說明補償效果，其補償前后輸出功率波形如圖8所示，可以看出，在t=0.5 s 時加入不平衡補償環(huán)節(jié)，由于對不平衡電壓、電流進行了補償，負序電壓電流減小，從而使得負序無功功率有明顯的下降；同樣，正序電壓電流通過補償?shù)靡蕴岣撸沟谜蚬β室蚕鄳挠兴岣?，即有功功率得到補償。以上結(jié)果表明，所提出控制方法能有效地進行電壓不平衡補償，且動態(tài)性能良好。

4　結(jié)束語

本文對微電網(wǎng)接不平衡負載所造成的電壓不平衡問題進行了研究，提出了基于αβ靜止坐標系的一種微電網(wǎng)多逆變器不平衡補償方法，運用不平衡補償方法對DG1和DG2端的電壓、電流進行補償。通過仿真可以看出，該方法能有效的補償微電網(wǎng)不平衡電壓，動態(tài)性能良好。最后仿真驗證了該方法的正確性和有效性。但是，本文所提出來的方法僅討論了帶線性負載所造成的電壓不平衡問題，對于接入非線性負載的情況還有待進一步深入研究。

[1] CLAUDIO A CAIZARES, RODRIGO PALMA-BEHNKE. Trends in microgrid control[J].IEEE Transactions on Smart Grid, 2014, 5(4):1905-1918.

[2] RITWIK MAJUMDER. Some aspects of stability in microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Systems,2013,28(3): 3243-3252.

[3] JIN PENG，AI XIN，WANG YONGGANG．Reactive power control strategy of microgrid using potential function method[J]．Proceedings of the CSEE,2012,32(25)：44-51．

[4] A V JOUANNE, B BANERJEE, Assessment of voltage unbalance[J]. IEEE Trans Power Del, 2001,16(4):782-790.

[5] F BARRERO, S MARTINEZ, F YEVES, et al. Universal and reconfigurable to UPS active power filter for line conditioning[J]. IEEE Trans Power Del,2003,18(1): 283-290.

[6] D GRAOVAC,V A KATIC, A RUFER. Power quality problems compensation with universal power quality conditioning system[J]. IEEE Trans Power Del,2007,22(2):968-976.

[7] A G CERRADA, O P ARDILA, V F BATLLE, et al. Application of a repetitive controller for a three-phase activepower filter[J]. IEEE Trans on Power Electron,2007,2 (1):237-246.

[8] A CHANDRA, B SINGH, B N SINGH, et al. An improved control algorithm of shunt active filter for voltage regulation, harmonic elimination, power factor correction, and balancing of nonlinear loads[J]. IEEE Trans on Power Electron,2000,15(3):495-507.

[9] M HOJO,Y IWASE, T FUNABASHI,et al. A method of three phase balancing in microgrid by photovoltaic generation systems[J]. Power Electron. Motion Control Conf.(EPE-PEMC),2008, 22(3):2487-2491.

[10] P T CHENG, C CHEN, T L LEE, et al. A cooperative imbalance compensation method for distributed generation interface converters[J]. IEEE Trans on Ind. Appl, 2009,45(2):805-815.

[11] M SAVAGHEBI, J M GUERRERO, A JALILIAN, et al.Experimental evaluation of voltage unbalance compensation in an islanded microgrid[C]. 20th IEEE Int. Symp. Ind. Electron,2011:1453-1458.

[12] M SAVAGHEBI, A JALILIAN, J C VASQUEZ, et al. Distributed generator with voltage unbalance compensation capability capability[C].In Proc. 25th Int.PowerSyst.Conf.(PSC2010):1-10.

[13] 薛艘.基于二階廣義積分器的基波正負序分量-檢測方法[J].電子自動化設(shè)備,2011,31(11): 69-73.

[14] A MEHRIZI-SANI, R IRAVANI. Potential-function based control of a microgrid in islanded and grid-connected modes[J]. IEEE Trans Power Syst,2010,25(4):1883-1891.

[15] DE BRABANDERE K，BOLSENS B，VAN DEN KEYBUS J，et al．A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007,22(4):1007-1115.

[16] SHUNGANG X, JIANPING X. Parallel control strategy of single-phase inverter based on virtual impedance[C]. Communications, Circuits and Systems (ICCCAS), 2010 International Conference on. IEEE, 2010: 589-592.

[17] 周潔，羅安，陳燕東.低壓微電網(wǎng)多逆變器并聯(lián)下的電壓不平衡補償方法[J].電網(wǎng)技術(shù), 2014,38(2):415-417.

A Research on Voltage Unbalance Control Strategy for Island Micro-grids

ZHOU Hu1, LI Shun-fu2, WU Li-zheng3, YANG Xu-sheng3

(1.Gansu Electric Power Corporation, Lanzhou Gansu 730030, China; 2.State Grid Gansu Electric Power Co. Jinchang Power Supply Co., Jinchang Gansu 737100, China;3.College of Electrical and Information Engineering. Lanzhou University of Technology, Lanzhou Gansu 730050, China)

Along with expansion of micro-grid scale, load unbalance in the micro-grid leads to voltage unbalance in the micro-grid. This paper presents a method for compensating voltage unbalance of the low-voltage micro-grid in the case of the αβ coordinate system. This method includes an improved droop control for enabling the micro-source inverter to improve its power distribution according to actual local configuration, as well as a voltage unbalance compensation component for coordinating active and reactive powers of the distributed generators (DG) in their automatic compensation of voltage unbalance in the micro-grid. Furthermore, a virtual impedance loop is added for flexible control of the equivalent output impedance of the inverse micro-source. In the voltage-current loop, quasi-proportional-resonant control is adopted to realize a floating control over voltage and current. Finally, simulation results verify the effectiveness of the proposed control strategy.

micro-grid;voltage unbalance degree; droop control; quasi-proportional resonant control; virtual impedance loop

國家自然科學基金項目(No. 51467009)；蘭州市科技計劃項目(No. 2014-1-162)，國網(wǎng)科技計劃項目(14-JS-188)

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.023

TM712

A

1000-3886(2016)02-0072-04

周虎(1973-)男,甘肅蘭州人,碩士,高級工程師;電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制分布式發(fā)電及微電網(wǎng)的運行與控制。

定稿日期: 2015-03-20