交流微電網(wǎng)負荷控制策略研究

藥煒

【摘要】：目前，我國科技不斷發(fā)展，新能源也越來越多的被利用，負荷、光伏發(fā)電及風力發(fā)電可組成微電網(wǎng)。交流微電網(wǎng)的負荷控制包括平衡負荷控制、不平衡負荷控制和非線性負荷控制。針對交流微電網(wǎng)的三種不同的負荷類型，提出了對應的控制策略，并對所提的控制策略進行了理論推導和相應的仿真驗證。

【關(guān)鍵詞】：交流；微電網(wǎng)負；荷控制策略

1、關(guān)于微電網(wǎng)及其運行

微電網(wǎng)這個概念最早由美國提出，長久以來圍繞其進行的研究認為其具有較高的可靠性和突出的經(jīng)濟效益。所謂的微電網(wǎng)，其實指的就是一套系統(tǒng)，其主要構(gòu)成部分為分布式電源及負荷，其中，電源能夠在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的同時提供控制，特點在于可兼顧電、熱能供應。相對來講，微電網(wǎng)相當于一個受控單元，其優(yōu)勢在于能夠在保證電能質(zhì)量的同時，兼顧安全，其運行方式主要有兩種，其一為孤島運行，其二為并網(wǎng)運行。

實際上，自微電網(wǎng)被提出之后，相關(guān)的研究就已經(jīng)開始，截至目前已經(jīng)取得了很多重要成果，就研究方向與側(cè)重點來講，國外目前對其的研究大多是圍繞其規(guī)劃、相關(guān)影響等方面展開，而國內(nèi)對其的研究起步較晚，當前尚處于仿真研究階段。我國對微電網(wǎng)進行的研究認為，其可以借助分布式電源實現(xiàn)能源供應，是一種相對特殊的電網(wǎng)，且其電源可以借助電子器件實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，之后并聯(lián)接在用戶側(cè)，這樣就可以在保證電能質(zhì)量的基礎(chǔ)上，盡可能的提升供電安全程度。站在用戶的角度來講，微電網(wǎng)除了可以使供電更加穩(wěn)定與可靠之外，還有助于減小線損、維持正常電壓、滿足個性需要、充分利用余熱。相較于傳統(tǒng)電網(wǎng)，微電網(wǎng)具有更多的優(yōu)勢，但同時其運行過程中需要考慮的問題也更多。由于運行特性相對特殊，因此，要想保證其運行過程的穩(wěn)定性與可靠性，就必須結(jié)合其運行方式做好控制。

2、交流微電網(wǎng)負荷控制策略分析

2.1平衡類負荷控制策略

當負荷為無源類且不需要和交流電網(wǎng)同步時，無須設(shè)計鎖相環(huán)，但要保證交流負荷供電電壓幅值和頻率恒定。本文采用基于交流電壓dq分量的定交流電壓控制策略V/f控制。負荷協(xié)調(diào)控制框圖如圖1所示。

圖1負荷協(xié)調(diào)控制框圖

由圖1可以看出，當交流電壓處在S1、S2正常模式時，負荷協(xié)調(diào)控制為定交流電壓模式。當孤島運行交流電壓處在S3模式，電源功率不足，儲能電池不能繼續(xù)放電，交流電壓過低時，需要采取切負荷措施。先切除非敏感性負荷，然后按負荷優(yōu)先級依次進行切除，保證敏感負荷的持續(xù)供電。仿真驗證基于交流電壓dq分量的定交流電壓控制結(jié)果如圖2所示。

圖2負荷側(cè)諧波含量和電壓電流波形

從圖2可以看出負荷側(cè)的電壓電流波形很好，電壓的諧波含有量THDu=0.7%，電流的諧波含有量THDi=0.77%，都能很好地滿足國家標準的要求。

2.2不平衡類負荷的控制策略

針對不平衡負荷常用的矯正辦法包含以下幾種：三相割裂電容式逆變拓撲、三相四橋臂逆變拓撲、三個單相橋拓撲和Δ/Y0變壓器拓撲。三相割裂電容式逆變拓撲構(gòu)造在單相負載時，電容需承受全負載相電流，所需電容容量較大，電壓利用率低，且兩個電容存在均壓疑問。三相四橋臂逆變拓撲在三相逆變橋基礎(chǔ)上再增加一個橋臂來構(gòu)成中點，形成對三相輸出的公共點，使得能夠輸出三個獨立的電壓，這種構(gòu)造正得到廣泛的使用和研討。三個單相橋拓撲能夠構(gòu)成三套獨立的操控電路，然后處理三相不平衡的疑問，這種構(gòu)造需求較多的開關(guān)，適合于大功率使用場合。Δ/Y0變壓器拓撲是最為簡略和常用的矯正辦法，當負荷不平衡時會形成輸出電壓不平衡，因為不平衡電壓中的負序重量同樣為周期性信號，因此重復操控能夠消除輸出電壓中的負序重量；因為帶Δ/Y0連接變壓器的逆變器中，零序重量并不能從逆變橋傳輸?shù)捷敵龆?，因此輸出電壓中的零序重量不可控；將輸出濾波電感連接在變壓器一次側(cè)，可減小輸出電壓中的零序重量，輸出電壓中的零序重量為負荷零序電流在變壓器高壓側(cè)漏感上的壓降，含量較小。因此這篇文章所采用的重復操控在負荷不平衡時仍具有較好的操控作用。雙環(huán)操控電路圖如圖3所示。改善的重復操控框圖如圖4所示。關(guān)于圖4重復操控器而言，這篇文章將電容電流內(nèi)環(huán)與G（s）等效為逆變器體系，則等效的體系傳遞函數(shù)為：

（3）

針對不平衡最嚴重的情況進行了仿真實驗，即A相滿載，B、C兩相空載。仿真過程如下：在0-0.5s內(nèi)微電網(wǎng)變流器空載運行，在0.5s時A相

圖3雙旋轉(zhuǎn)坐標系電壓電流雙環(huán)控制

圖4改進的重復控制框圖

投入10kW阻性負荷，在1s時切除負荷，系統(tǒng)空載運行，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5帶不平衡負荷時輸出電壓電流波形

由圖5a可知，當微電網(wǎng)變流器空載運行時，三相輸出電壓平衡，A相輸出電壓的THD含量為1.58%；當投入A相負載滿載運行，B、C兩相空載運行時，微電網(wǎng)變流器輸出電壓暫態(tài)過程無沖擊，系統(tǒng)響應速度快，穩(wěn)定時A相輸出電壓的THD含量為0.81%；當負載切除時，微電網(wǎng)變流器輸出電壓有瞬時的電壓沖擊，但很快恢復穩(wěn)定。

2.3非線性類負荷的控制策略

在微電網(wǎng)中，非線性負荷的存在對微電網(wǎng)變流器的控制性能提出了更高的要求，本文針對三相橋式晶閘管全控整流電路進行了仿真實驗，晶閘管的觸發(fā)角為α=60°，整流電路直流側(cè)濾波電容為4700μF，阻性負載大小為30Ω，仿真過程如下：在0-0.5s時，微電網(wǎng)變流器控制運行，在0.5s時投入整流負載，在1.5s時切除整流負載，仿真波形如圖6所示。

圖6帶非線性負荷時輸出電壓電流波形

由圖6a可知，在投入整流負載時，微電網(wǎng)變流器三相輸出電壓在經(jīng)過兩個基波周期后達到穩(wěn)定，在切除整流負載時，微電網(wǎng)變流器輸出電壓經(jīng)過一個基波周期后達到穩(wěn)定，在投入和切除的暫態(tài)過程中，輸出電壓沖擊小，能快速恢復。由圖6b可知，在帶整流負載達到穩(wěn)態(tài)時，A相輸出電壓的THD為2.4%，諧波含量少。

結(jié)語

本文通過建立交流微電網(wǎng)的模型，對交流微電網(wǎng)的基本控制進行了分析。仿真證明采用基于交流電壓dq分量的定交流電壓控制策略能夠很好地維持平衡負荷的正常工作。對不平衡負荷和非線性負荷的控制，提出了采用比例積分微分控制和重復控制結(jié)合的控制策略，仿真和實驗證實效果良好。

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