面向不平衡補(bǔ)償?shù)娜嗨臉虮鄄⒕W(wǎng)逆變器控制策略研究

邱菱潔

(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引 言

微電網(wǎng)中負(fù)載構(gòu)成復(fù)雜，負(fù)載的不平衡特性會(huì)降低電源質(zhì)量，導(dǎo)致電壓不平衡，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的繞組出現(xiàn)意外高溫[1]，從而降低設(shè)備效率和壽命預(yù)期。不平衡的電壓也可能觸發(fā)錯(cuò)誤的保護(hù)決策和更高控制級(jí)別的錯(cuò)誤命令。通常有兩種可能的解決方案補(bǔ)償電壓不平衡，一種安裝專用的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，如有源或無(wú)源并聯(lián)電源濾波器[2-4]，這種方法會(huì)增加額外的電力電子裝置，增加系統(tǒng)體積和成本，且功能單一。另一種將補(bǔ)償功能為加入傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器控制策略，控制操作復(fù)雜，存在額外增加通信通道[5-6]等問(wèn)題。近年來(lái)，三相四橋臂逆變器在補(bǔ)償不平衡非線性負(fù)載中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，引起廣泛關(guān)注。目前研究主要集中在不平衡負(fù)載條件下快速有效控制上[7]，對(duì)電壓進(jìn)行不平衡補(bǔ)償?shù)难芯繀s相對(duì)匱乏。為此，本文提出一種既能并網(wǎng)又能補(bǔ)償微電網(wǎng)不平衡電壓的多狀態(tài)分層協(xié)同補(bǔ)償策略，即改進(jìn)三相四橋臂逆變器的輸出端結(jié)構(gòu)，引入三個(gè)相間斷路器，補(bǔ)償?shù)蛪合嚯娏?，進(jìn)而補(bǔ)償微電網(wǎng)電壓。

1 不平衡電壓補(bǔ)償并網(wǎng)逆變器結(jié)構(gòu)

三相四橋臂并網(wǎng)逆變器利用第四個(gè)橋臂控制中性點(diǎn)處的電壓，三相輸出解耦，產(chǎn)生三個(gè)完全獨(dú)立的輸出。采用基于a-b-c坐標(biāo)系的三維空間調(diào)制算法對(duì)三相輸出電流進(jìn)行單獨(dú)分別控制，以實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)不平衡電壓補(bǔ)償?shù)哪繕?biāo)。同時(shí)在三相電壓之間設(shè)計(jì)了由控制器控制的相間斷路器。通過(guò)調(diào)節(jié)相間斷路器和并網(wǎng)斷路器，靈活控制逆變器三相輸出電流，解決單相補(bǔ)償不夠的問(wèn)題，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中:微電網(wǎng)三相電壓分別為uga、ugb、ugc；直流電壓為E；四橋臂的中間點(diǎn)電壓分別為uA、uB、uC、uN；逆變器側(cè)電感Lf電流分別為iLa、iLb、iLc；微電網(wǎng)側(cè)電流分別為iga、igb、igc；濾波電路電容Cf上的壓降分別為ucfa、ucfb、ucfc；直流電壓為E；Ki(i=U,V,W)為并網(wǎng)斷路器，Kij(i,j=U,V,W)為相間斷路器，且1表示相應(yīng)的斷路器閉合，0表示相應(yīng)斷路器關(guān)斷。

電流控制器采用PI控制策略，設(shè)計(jì)三個(gè)獨(dú)立的電流閉環(huán)，控制跟蹤各相給定的電流值，由不平衡補(bǔ)償控制器給定電流值ISET，與逆變器網(wǎng)側(cè)電感瞬時(shí)電流ig進(jìn)行比較，通過(guò)PI控制器調(diào)節(jié)ig可以快速跟蹤給定值。采用基于正、負(fù)序雙同步坐標(biāo)系的SPLL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)兩個(gè)序分量進(jìn)行坐標(biāo)變換，將其分解成正序和負(fù)序，在dq坐標(biāo)系下分量實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)電壓相位、頻率和幅值的精準(zhǔn)檢測(cè)。

2 微電網(wǎng)三相功率不平衡控制策略

針對(duì)解決公共點(diǎn)電壓不平衡的問(wèn)題，利用電壓補(bǔ)償并網(wǎng)逆變器，給公共點(diǎn)注入補(bǔ)償?shù)碾娏?，將原本較低的電壓進(jìn)行抬升，緩解原本電壓較低的相與其他相直接的不平衡程度。

圖1 微電網(wǎng)電壓補(bǔ)償系統(tǒng)

2.1 微電網(wǎng)功率不平衡補(bǔ)償策略方法

根據(jù)微網(wǎng)電壓情況將其分為四個(gè)狀態(tài)：狀態(tài)0下微電網(wǎng)三相電壓平衡；狀態(tài)1下一相電網(wǎng)電壓偏低，其他兩相電壓正常；狀態(tài)2下兩相電壓偏低且兩相電壓相等；狀態(tài)3下兩相電網(wǎng)電壓偏低，且兩低相電壓相差較大。定義不平衡閾值ε，當(dāng)高壓相與低壓相差值大于ε，則需補(bǔ)償。設(shè)兩級(jí)控制，一級(jí)控制通過(guò)將高壓相電流減小到低壓相，以補(bǔ)償?shù)蛪合嚯妷?，二?jí)控制將高壓相直接并入到低壓相進(jìn)行補(bǔ)償。

定義三相輸出電流為:

(1)

式中:ia、ib、ic為三相輸出電流;IA、IB、IC為三相電流有效值給定;φA、φB、φC為三相輸出電流給定相角。

2.2 狀態(tài)1控制策略

定義uU、uV、uW為微電網(wǎng)電壓由高相到低相的A、B、C三相，滿足如下關(guān)系：uU≥uV≥uW。

狀態(tài)1下，微電網(wǎng)U、V相正常，W相電壓跌落，滿足如下關(guān)系式。

(2)

式中:uU、uV、uW為A、B、C三相微電網(wǎng)電壓;ε為不平衡閾值;α為一級(jí)補(bǔ)償系數(shù);β為二級(jí)補(bǔ)償系數(shù)。

控制流程圖如圖2(a)所示，首先進(jìn)入一級(jí)補(bǔ)償模式，將U相給定IU減α(uU-uW)，并將其補(bǔ)償?shù)絎相電流有效值給定IW中。當(dāng)IU的值減至接近0或者IW達(dá)到額定值Ie時(shí)，進(jìn)入二級(jí)補(bǔ)償，斷開(kāi)KU,KV，保證在進(jìn)入二級(jí)補(bǔ)償時(shí)高壓相并網(wǎng)斷路器充分關(guān)閉后開(kāi)始并相補(bǔ)償動(dòng)作。經(jīng)過(guò)0.02 s延遲后打開(kāi)KUW、KVW，IU、IV、IW平均分擔(dān)一級(jí)控制結(jié)束時(shí)IW給定電流，并以β(uU-uW)的增值補(bǔ)償?shù)絎相中。

2.3 狀態(tài)2控制策略

狀態(tài)2下，微電網(wǎng)U相正常，V、W相電壓跌落，滿足如下關(guān)系式：

(3)

式中:uU、uV和uW為A、B、C三相微電網(wǎng)電壓;ε為不平衡閾值;α為一級(jí)補(bǔ)償系數(shù);β為二級(jí)補(bǔ)償系數(shù)。

控制流程圖如圖2(b)所示，先在一級(jí)補(bǔ)償模式下將V相電流有效值給定減去α(uU-uW)，平均補(bǔ)償?shù)狡渌麅上嘀小Ｏ到y(tǒng)在IU降低到接近零，或者IV，IW增到額定值Ie時(shí)仍未達(dá)到平衡狀態(tài)，則進(jìn)入二級(jí)補(bǔ)償模式。在二級(jí)模式下，斷開(kāi)KU，經(jīng)過(guò)延遲后打開(kāi)相間斷路器KVW，使得IV以β(uU-uW)的增量補(bǔ)償W相。

2.4 狀態(tài)3控制策略

狀態(tài)3下，微電網(wǎng)三相電壓有效值滿足如下關(guān)系式。

(4)

式中:uU、uV、uW為A、B、C三相微電網(wǎng)電壓;ε為不平衡閾值;α為補(bǔ)償系數(shù)。

控制流程圖如圖2(c)所示，先在一級(jí)補(bǔ)償模式下補(bǔ)償最低相電壓，將U相給定Iu減去α(uU-uW)并補(bǔ)償?shù)街蠭W。如果在一級(jí)補(bǔ)償模式下UW提高狀態(tài)2情況，此時(shí)控制切換到狀態(tài)2下進(jìn)行補(bǔ)償。否則進(jìn)入二級(jí)補(bǔ)償，將U相并入W相再進(jìn)行補(bǔ)償。

2.5 控制模式切換

由于微電網(wǎng)系統(tǒng)下負(fù)載的不確定性和多變性，微網(wǎng)系統(tǒng)中平衡情況多變，要求系統(tǒng)必須迅速切換到當(dāng)前所屬狀態(tài)下進(jìn)行控制，由不平衡控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)下產(chǎn)生的狀態(tài)變化以及相應(yīng)的控制模式切換如圖3所示。

圖2 不同狀態(tài)下控制策略流程圖

3 仿真及試驗(yàn)研究

采用Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證研究，接入容量為30 kVA、線電壓380 V 的模擬微電網(wǎng)，不平衡補(bǔ)償校正動(dòng)作的最小臨界值設(shè)為1 V。三種狀態(tài)下補(bǔ)償前后逆變器輸出電流以及微電網(wǎng)電壓波形仿真結(jié)果如圖4所示。

不平衡狀態(tài)1：在0.05～0.12 s內(nèi)進(jìn)行狀態(tài)1下一級(jí)補(bǔ)償，在一級(jí)補(bǔ)償控制結(jié)束時(shí)約為199.5 V。經(jīng)過(guò)0.002 s的延遲后，0.145 s進(jìn)入狀態(tài)1下二級(jí)補(bǔ)償，最終將微電網(wǎng)A相電壓有效值抬升到218 V。

不平衡狀態(tài)2：0.05～0.11 s內(nèi)為狀態(tài)3一級(jí)補(bǔ)償模式，減小IC補(bǔ)償?shù)絀A、IB，此時(shí)三相電壓有效值分別為199 V、197 V和213 V。0.002 s延遲后0.14 s進(jìn)入二級(jí)補(bǔ)償模式，C相并入A相，在0.16 s時(shí)A相電壓已正常，C相仍較低，進(jìn)入狀態(tài)1一級(jí)補(bǔ)償，由于IA到達(dá)額定值，故停止補(bǔ)償，最終三相電壓有效值分別為219 V、198 V和220 V。

不平衡狀態(tài)3：0.05 s開(kāi)始補(bǔ)償，進(jìn)入狀態(tài)3下一級(jí)控制模式，IC減小IA增大，在0.083 s時(shí)達(dá)到IA額，此時(shí)A相電壓有效值為213 V，經(jīng)過(guò)0.002 s死區(qū)時(shí)間；0.103～0.164 s內(nèi)為狀態(tài)3二級(jí)控制模式，將C相并A相補(bǔ)償，在0.164 s時(shí)A、B相電壓有效值同為217 V；在0.164～0.192 s內(nèi)為狀態(tài)2下一級(jí)控制，最終微網(wǎng)三相電壓有效值分別為219 V、219 V和220 V。

圖4 三種狀態(tài)下仿真結(jié)果圖

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文補(bǔ)償策略的正確性，按圖1搭建每相最大輸出電流為16 A的三相四橋臂并網(wǎng)逆變器，對(duì)狀態(tài)1下補(bǔ)償結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)。圖5為實(shí)測(cè)的逆變器輸出電流以及微電網(wǎng)電壓波形。

圖5(a)為未進(jìn)行補(bǔ)償前的電壓波形圖，微電網(wǎng)三相電壓有效值分別為205.5 V、220.5 V和221.8 V，0.05 s開(kāi)始一級(jí)補(bǔ)償中，IA增大IB減小，在0.370 4 s時(shí)IA達(dá)到額定值16 A，微電網(wǎng)的三相電壓有效值分別為211 V、220.7 V、221.2 V。此時(shí)，斷開(kāi)三相電流輸出，經(jīng)過(guò)0.15 s延時(shí)后進(jìn)入二級(jí)補(bǔ)償模式。圖5(b)為二級(jí)補(bǔ)償下波形，0.513 s處，給定三相輸出電流有效值為5 A并逐步增加，在1.38 s時(shí)，微電網(wǎng)三相電壓有效值分別為：220 V、221.1 V、219.1 V。

圖5 狀態(tài)1試驗(yàn)波形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)微電網(wǎng)三相電壓不平衡補(bǔ)償問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了一種基于三相四橋臂并網(wǎng)逆變器的電壓補(bǔ)償策略，具有三相輸入靈活分配和多級(jí)協(xié)同補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果證明，針對(duì)微電網(wǎng)可能出現(xiàn)的一相或者兩相電壓跌落，有很好的補(bǔ)償效果。