混合微电网中三相变换器的控制策略

李慧蓬，韩肖清，杨 宇，王 鹏

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原 030024；2.山西省电力公司，山西 太原 030001）

混合微电网中三相变换器的控制策略

李慧蓬1，韩肖清1，杨 宇2，王 鹏1

（1.太原理工大学电气与动力工程学院，山西 太原 030024；2.山西省电力公司，山西 太原 030001）

混合微电网中一般通过三相变换器连接交流子网和直流子网，其控制策略对整个微电网运行特性有显著影响。混合微电网并网运行时，由大电网保证功率平衡，变换器控制策略用于维持直流母线电压恒定；孤岛运行时，设计的协调控制系统保证微电网内部功率平衡，变换器控制策略用于保持交流母线电压稳定。当微电网内部分布式电源功率以及负荷功率发生变化时，该变换器可以在整流、逆变和停机3种状态间平滑切换。最后，通过算例仿真验证了控制策略的可行性和有效性。

混合微电网；交／直流子网；双向变换器；协调控制

0 引言

随着现代工业的发展，能源与环境问题日益突出，在寻找化石能源的替代品中，可再生能源受到了人们越来越多的关注。微电网作为一种可以有效整合一定范围内可再生能源的电网组织形式［1－3］，受到普遍关注。交流微电网、直流微电网和混合微电网是微电网的3种常见类别。由于大电网是交流系统，交流微电网得到了较快的发展，应用于多种分布式电源接口逆变器的控制策略，保证交流微电网可以并网或孤岛稳定运行并平切滑换。随着发光二极管（LED）、电动汽车等直流负荷的发展，一些学者开始研究直流微电网，由太阳能电池和蓄电池组成的直流微电网能够稳定运行，且常用的便携式电子设备的交流适配器在输入直流电时仍能正常工作［4］，通过合理选择变换器的控制参数也能很好地保证直流微电网的电压稳定性［5］。由于分布式电源和负荷形式多种多样，所以交流微电网和直流微电网都需要对电能进行多级变换，这样不仅增加了系统的复杂性，也降低了效率，而混合微电网可以弥补这样的不足［6－8］，并通过控制电力电子变换器整合区域性分布式电源，实现即插即用功能［9－10］，因此逐渐成为学者们研究的方向之一。

混合微电网交直流子网之间一般通过三相变换器连接，该变换器根据需要可以双向运行。目前，双向变换器主要应用在能量回馈系统［11］，对其在混合微电网中的应用研究的很少。该变换器的控制策略影响着交直流母线的电压质量，因此对微电网稳定运行起着重要的作用。文献［12－13］重点研究了将下垂控制应用到混合微电网中多个并联变换器，通过检测直流电压和交流频率的变化，得出每个变换器流过的功率方向与大小，实现了功率的自动分配。文献［14］重点研究了混合微电网集中能量控制策略，通过处理器计算出连接混合微电网的多个变换器的功率需求。本文针对混合微电网并网和孤岛两种运行模式不同的特点，提出在并网模式时，采用前馈解耦的双闭环控制策略；在孤岛模式时，协调控制系统保证微电网内部功率平衡，采用交流电压电流双闭环控制，实现对电能的平滑变换，确保微电网电能质量满足要求。本文的研究使混合微电网中三相变换器的控制策略更加全面。

1 混合微电网

图1为本文研究的混合微电网结构。左边为交流子网，右边为直流子网。30 kW的光伏发电单元通过DC／DC变换器、25 Ah的锂电池组通过双向DC／DC变换器连接到直流母线上，40 kW的双馈风机连接到交流母线上，10～30 kW可变的直流负荷（充电桩和LED）和20～30 kW可变的交流负荷分别连接到直流母线和交流母线。直流母线电压为600 V，三相交流母线线电压为380 V。

混合微电网有两种运行状态。当图1中静态开关闭合后，混合微电网运行在并网模式；当大电网发生故障或需要停运时，断开静态开关，混合微电网运行在孤岛模式。交、直流子网之间通过三相变换器连接起来。其电路拓扑如图2所示。

图1 混合微电网的结构

三相变换器采用电压型三相半桥六开关拓扑结构，具有结构简单、功率器件少、工作效率高等优点。其中，L为升压电感；C为交流侧滤波电容；Cdc为交流侧滤波电容；Vdc为直流母线电压。

图2 三相变换器电路拓扑

2 并网模式

2.1 控制策略

根据文献［15］的原则提出控制策略为：（Ⅰ）交流母线的电压和频率与大电网保持一致，直流母线的电压由三相变换器保持恒定。（Ⅱ）分布式电源运行在最大功率跟踪模式，其发出功率的盈余和不足可由大电网解决。（Ⅲ）尽量减少电能因多级变换产生的损耗，当直流子网内部功率平衡时，三相变换器运行在停机状态；当直流子网内分布式电源发出功率大于负荷和储能装置的总需求时，运行在逆变状态；否则运行在整流状态。

图3为并网模式三相变换器控制流程，图3中，PNET_dc为混合微电网直流子网内功率盈余：

式中，Ppv为光伏发电单元发出的功率；PLdc为直流子网总负荷功率。锂电池组荷电状态（SOC）为：

式中，ib为锂电池的放电电流；Q为电池容量。三相变换器控制流程如图3所示。其中，Pcon为主变换器从交流侧流向直流侧的功率；SOCmax为锂电池组最高荷电状态；SOCmin为锂电池组最低荷电状态。

2.2 控制器设计

根据控制策略需求，设计直流电压外环交流电流内环的双闭环控制器。其中，直流电压外环保持直流母线电压恒定，交流电流内环分别控制功率流动和功率因数。由于交流电流随时间变化，不利于控制器设计，所以将其变换到同步旋转（d-q）坐标系下。设d轴定向在A相电压分量上，图2中三相变换器在两相同步旋转坐标系下的数学模型表示为：

式中，vd、vq分别为交流侧相电压矢量的d轴和q轴分量；id、iq分别为三相电流矢量的d轴和q轴分量；dd、dq分别为开关函数的d轴和q轴分量；idc为流入直流母线的电流。

图3 并网模式三相变换器控制流程

由式（3）可知：d轴和q轴的电压和电流都是直流量，方便了控制器设计，但电流方程中对dd的控制不仅会改变id也会影响iq；因为两个电流环路之间存在相互耦合，对dq的控制不仅会改变iq也会影响id。为简化电流内环控制器设计，引入电流解耦控制，当电流调节器采用PI调节器时，则的控制方程为：

将式（4）代入式（3），并化简得

式（5）表明：基于前馈的控制算法，即式（4）使电流方程实现了解耦［16］。并网模式下变换器控制原理图如图4所示。在图4中，直流母线电压在PI调节器作用下保持恒定，电压环的输出作为I*d进入电流环，系统的无功需求可通过设定i*q来实现，因此要实现变换器交流侧单位功率因数，只需设定i*q＝0。当直流母线电压低于600 V时，产生的I*d为正值，控制变换器工作在整流状态；当直流母线电压高于600 V时，产生的I*d为负值，控制变换器工作在逆变状态。

3 孤岛模式

3.1 控制策略

根据文献［17］的原则提出控制策略为：（Ⅰ）由于缺少了大电网的支持，锂电池组在保持微电网内部功率平衡中起着非常重要的作用。基于系统功率平衡，协调控制系统控制分布式电源运行在最大功率跟踪模式或者限制发出功率模式，储能装置运行在充电或者放电状态，并会出现切负荷情况。（Ⅱ）直流母线电压通过光伏发电单元、锂电池组的DC／DC控制器相互配合保持电压稳定，交流母线电压由三相变换器保持稳定。（Ⅲ）尽量减少电能因多级变换产生的损耗，当交流子网内部功率平衡时，三相变换器运行在停机状态；当交流子网内分布式电源发出功率大于负荷需求时，运行在整流状态；否则运行在逆变状态。协调控制流程如图5所示。

图5中PNET为混合微电网内功率盈余：

式中，Pw为风机发出功率；PLac为交流子网总负荷功率。

图4 并网模式下变换器控制原理图

图5 孤岛模式协调控制流程

3.2 控制器设计

根据控制策略需求，设计交流电压、电流双闭环控制器。其中，交流电压外环保持交流母线电压稳定，交流电流内环分别控制功率流动和功率因数。同理将其变换到d-q坐标系下，三相变换器数学模型为：

式中，vcd、vcq分别为交流侧三相电容电压矢量的d轴和q轴分量；ied、ieq分别为三相滤波器出口电流矢量的d轴和q轴分量。孤岛模式下变换器控制原理图如图6所示。

图6 孤岛模式下变换器控制原理图

在图6中，交流母线电压在PI调节器作用下保持稳定，电压环的输出作为电流环的给定值。当交流母线线电压低于380 V时，产生的I*d为正值，控制变换器工作在逆变状态；当直流母线线电压高于380 V时，产生的I*d为负值，控制变换器工作在整流状态。要实现变换器交流侧单位功率因数，只需设定V*q＝0。

4 仿真分析

利用Matlab可以方便快捷地对所研究的电力电子电路进行各种暂态和稳态仿真［18］。为了验证前面所提出的三相变换器的控制策略，在Matlab／Simulink环境中，建立如图1所示的混合微电网模型和图2所示的三相变换器模型。根据混合微电网的运行模式不同，分别在并网和孤岛模式下进行了仿真分析。

4.1 并网模式

混合微电网运行在并网模式时，变换器模型参数如表1所示，算例1参数如表2所示。

表1 并网模式变换器模型参数

表2 并网模式算例1参数

算例1的仿真结果如图7所示。图7中Pb为锂电池组放电功率。当t＝0～0.4 s时，直流子网内部功率在锂电池充放电作用下保持平衡，图7b直流母线电压保持恒定。三相变换器工作在停机状态，图7a显示变换器中流过的功率为零，图7c变换器交流侧A相电流基本为零。

当t＝0.4～0.6 s时，负荷突然增加导致直流子网功率短缺。图7a显示变换器整流运行时流过的功率为5 kW，图7c变换器交流侧A相电流相位跟随电压相位，功率因数接近1。图7b直流母线电压超调量为4.2%，恢复时间为0.04 s。

当t＝0.6～0.8 s时，负荷突然减小导致直流侧功率盈余。图7a显示变换器逆变运行时流过的功率为－5 kW，图7c变换器交流侧A相电流相位与电压相位相反，功率因数接近－1。图7b直流母线电压超调量为7.9%，恢复时间为0.05 s。

4.2 孤岛模式

混合微电网运行在孤岛模式时，变换器模型参数如表3所示，算例2参数如表4所示。

算例2的仿真结果如图8所示。图8b和图8c可看出直流和交流母线电压保持稳定。当t＝0～0.2 s时交流子网内部功率平衡，三相变换器工作在停机状态，图8a显示变换器中流过的功率为零，图8d变换器交流侧A相电流基本为零。

表3 孤岛模式变换器模型参数

表4 孤岛模式算例2参数

图7 混合微电网并网模式下系统响应图

图8 混合微电网孤岛模式下系统响应图

当t＝0.2～0.4 s时，负荷突然减小导致交流子网功率盈余。图8a显示变换器整流运行时流过的功率为10 kW，图8d变换器交流侧A相电流相位跟随电压相位，功率因数接近1。

当t＝0.4～0.6 s时，负荷突然增加导致交流侧功率短缺。图8a显示变换器逆变运行时流过的功率为5 kW，图8d变换器交流侧A相电流相位与电压相位相反，功率因数接近－1。

4.3 对比分析

由上述仿真结果可知：本文提出的控制策略维持了交流和直流母线电压的稳定，实现了变换器在整流、逆变和停机3种运行方式下的平滑切换，并且交流母线电流相位可以实时跟踪其电压相位，运行在单位功率因数。

当微电网运行在并网模式时，文献［14］的集中能量控制策略需要实时监控微电网中各个单元的功率流动，用中央处理器计算出变换器需要流过的功率大小和方向，这样增加了系统的复杂性，从而降低了可靠性。而文中的控制策略实现了变换器根据直流电压变化自动调整其功率流向和大小，无需中央处理器和通讯线路，更为简便灵活。由于正常情况下微电网都运行在此模式下，所以文中的控制策略有效降低了运行成本，提高了运行可靠性。

当微电网运行在孤岛模式时，文献［12－13］的下垂控制策略在微电网内部功率波动后调整交流频率和直流电压，进而实现功率再平衡，但这个平衡点处微电网频率和电压会有一定的偏离，如果偏差超出允许范围，会影响微电网的电能质量。而文中的协调控制可根据微电网内部功率变化计算出锂电池充放电功率、限制分布式电源发出的功率或者切负荷功率，有效维持功率平衡，保证直流电压和交流频率稳定。

5 结论

本文基于混合微电网并网和孤岛模式的运行特点，设计了三相变换器的控制策略。孤岛模式时协调控制系统有效保证了微电网的功率平衡，并网和孤岛模式时三相变换器分别根据直流和交流母线电压变化自动调整其功率流动，实现了能量在变换器中平滑的双向流动。仿真结果表明：变换器的控制策略稳定了直流母线电压、交流母线电压和频率，保证了混合微电网的稳定运行。

［1］ 王凌，李培强，李欣然，等.微电源建模及其在微电网仿真中的应用［J］.电力系统及其自动化学报，2010，22（3）：32－38.

［2］ 鲁宗相，王彩霞，阂勇，等.微电网研究综述［J］.电力系统自动化，2007，31（19）：100－107.

［3］ 郑漳华，艾芊.微电网的研究现状及在我国的应用前景［J］.电网技术，2008，32（16）：27－31.

［4］ Lu D，Agelidis V.Photovoltaic-Battery-Powered DC Bus System for Common Portable Electronic Devices［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24（3）：849－855.

［5］ 施婕，郑漳华，艾芊.直流微电网建模与稳定性分析［J］.电力自动化设备，2010，30（2）：86－90.

［6］ Liu X，Wang P，Chiang L.A Hybrid AC／DC Micro-Grid［C］／／IPEC，2010 Conference Proceedings.Singapore：IEEE. 2010：746－751.

［7］ Liu X，Wang P，Chiang L.A Hybrid AC／DC M icrogrid and Its Coordination Control［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2011，2（2）：278－286.

［8］ Wang P，Liu X，Jin C，et al.A Hybrid AC／DC Microgrid Architecture，Operation and Control［C］／／Power and Energy Society General Meeting.San Diego，CA：IEEE.2011：1－8.

［9］ Jiang Z H，Yu X W.Hybrid DC-and AC-Linked Microgrids：Towards Integration of Distributed Energy Resources［C］／／Energy 2030 Conference.Atlanta，GA：IEEE.2008：1－8.

［10］ Jiang Z H，Yu X W.Power Electronics Interfaces for Hybrid DC and AC-Linked Microgrids［C］／／6 th International Power Electronics and Motion Control Conference.Wuhan，CN：IEEE.2009：730－736.

［11］ 申瑞，张自强，董燕，等.电梯节能能量回馈控制系统设计［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2010，31（1）：27－30.

［12］ Lou P，Li D，Frede B.Autonomous Control of Interlinking Converters in Hybrid AC-DC M icrogrids with Energy Storages［C］／／Energy Conversion Congress and Exposition.Phoenix，AZ：IEEE.2011：652－658.

［13］ Loh P，Li D，Chai Y.Autonomous Operation of Hybrid AC-DC Microgrids with Progressive Energy Flow Tuning［C］／／Applied Power Electronics Conference and Exposition.Orlando，FL：IEEE.2012：1056－1060.

［14］ Ambia M，Al-Durra A，Muyeen S.Centralized Power Control Strategy for AC-DC Hybrid Micro-grid System Using Multconverter Scheme［C］／／IECON 2011-37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society.Melbourne，VIC：IEEE.2011：843－848.

［15］ 杨志淳，乐健，刘开培，等.微电网并网标准研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（2）：66－71.

［16］ 王儒，方宇，邢岩.三相高功率因数PWM整流器可逆运行研究［J］.电工技术学报，2007，22（8）：46－51.

［17］ 吴蓓蓓，苏建徽，张军军，等.用于微电网孤岛运行的逆变电源控制方法［J］.电力系统及其自动化学报，2011，23（1）：1－5.

［18］ 郭龙钢，刘兆魁.基于Matlab／Simulink的电力电子电路仿真［J］.河南科技大学学报：自然科学版，2005，26（5）：42－45.

TM727；TM46

A

1672－6871（2014）02－0055－07

国家国际科技交流与合作专项基金项目（2010DFB63200）；山西省青年科技研究基金项目（2011021015－2）；山西省自然科学基金项目（2009021021）；山西省高等学校中青年拔尖创新人才支持计划基金项目

李慧蓬（1985－），男，山西晋城人，硕士生；韩肖清（1964－），女，山西武乡人，教授，研究方向为微电网运行与控制、电力系统运行与控制、新能源发电等.

2013－01－04