基于分层控制的微电网谐波抑制策略研究

黎金英，艾 欣，邓玉辉

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

基于分层控制的微电网谐波抑制策略研究

黎金英，艾 欣，邓玉辉

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206)

针对微电网分布式能源并网产生大量谐波的问题，提出了一种分层控制的谐波抑制策略，通过控制微电网分布式电源逆变器的输出电压和功率来实现谐波抑制。分层控制包含初级控制层和二级控制层 2个层次，初级控制层采用下垂控制，设计了包含虚拟阻抗、电压外环、电流内环和功率环的反馈控制器；二级控制层通过测量低谐波电压，并与参考值进行比较，差值作为补偿量反馈回初级控制。仿真结果表明，该分层控制策略对微电网运行中的谐波有很好的抑制作用。

微电网；谐波抑制；分层控制；补偿反馈

当前，利用电力电子技术对微电网中的谐波进行抑制，主要有两种类型[1-2]：一种是利用柔性交流输电系统(Flexible alternative current transmission systems，FACTS)技术，如配网静止同步补偿器(Distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)、静止无功补偿器(Static var compensator，SVC )、有源滤波器(Active power filter，APF)、动态电压恢复器(Dynamic voltage restorer，DVR)、统一电能质量调节器(Unified power quality conditioner，UPQC) 等；另一种是改进分布式电源并网接口的控制器参数以及控制策略。文献[3]采用比例谐振控制器，使用单相空间矢量脉宽调制(SVPWM)技术能够消除交流系统的稳态误差，抑制低次谐波和开关频率附近的高次谐波，但没有考虑5次谐波、7次谐波。文献[4]提出的电容反馈法，可以有效抑制LCL滤波器带来的高频谐振问题。文献[5]提出基于比例谐振PR控制的APF控制策略，实现了对微电网系统特定次数谐波的实时无静差控制。鉴于现状，本文进一步研究了微电网的谐波抑制问题，并提出了一种抑制微电网谐波的分层控制策略。分层控制策略包括初级控制层与二级控制层，初级控制层包括下垂控制、电流内环控制器、电网外环控制器、虚拟阻抗控制以及功率控制；二级控制为谐波的补偿反馈，维持微电网的稳定、改善电能质量。

1 微电网的初级控制策略

1.1 多重PR控制器设计

传统并网逆变器的控制系统一般采用双闭环比例积分(Proportional integral，PI)控制器，要求电流内环控制具有足够宽的带宽和较快的相应速度，但同时也限制了对谐波电压的补偿能力。对此，本文提出了一种基于多重比例谐振(Proportional resonant，PR)的控制器，即采用电流内环和电压外环的控制方法[6]。

1.1.1 电流内环控制器

电流内环控制器采用电流多重比例谐振控制，将指定次谐波的内模植入系统，即可以得到谐振环节。电流多重比例谐振控制器的传递函数可以表示为[7]

(1)

式中：GPR(s)为例谐振控制器的传递函数；GHC(s)为谐波补偿器(Harmonic compensator，HC)的传递函数；kpI为比例增益；krI为谐振系数；h为指定次谐波次数(在单相系统中主要是3次和5次，在三相系统中主要是5次和7次等)；krIh为h次谐振系数；ωo为基波角频率。

1.1.2 电压外环控制器

电压外环控制器采用电压多重比例谐振控制，多重比例谐振控制器的传递函数可以表示为[8]

(2)

式中：kpV为基波比例系数；krV为基波谐振系数；ωc为基波截止角频率；krVh为h次谐波谐振系数；ωch为h次谐波截止角频率。

1.2 基于虚拟阻抗的下垂控制策略

基于虚拟阻抗的下垂控制策略包括PQ计算模块、下垂控制和电压合成模块，如图6所示[9]。

图1 基于虚拟阻抗的下垂控制策略

(3)

式中：GV(s)为电压外环控制的传递函数；GI(s)为电流内环控制的传递函数；KPWM为逆变桥的增益；Lv和Rv分别为虚拟电感值和虚拟电阻值；s为变量求导函数。

综合以上的电流内环控制器、电压外环控制器、虚拟阻抗控制器以及功率控制器，可以得到微电网的并网逆变器初级控制系统，如图2所示。

2 基于二级控制的微电网谐波抑制策略

在低压配电网中，非线性负荷给微电网系统的运行带来了一系列的电能质量问题，其中功率因数降低与大量谐波增加尤显突出。为此本文提出了一种二级控制策略来抑制微电网中的谐波。该方法在上节初级控制的基础上又增加了一个二级控制环节，它能较好地的抑制微电网中的高次谐波，且不会对基波电流产生影响。

根据文献[11]，微电网5次、7次谐波的检测(Harmonic detection，HD)方法可以表示为：

(4)

式中，vdq1、vdq5、vdq7为dq旋转坐标系下的基波电压有效值、5次谐波电压有效值、7次谐波电压有效值。

微电网电压受一些非线性负荷的影响，往往存在低次谐波电压。为了抑制这些低次谐波，采用文献[12]的PI控制器算法设计谐波补偿环节。5次谐波、7次谐波补偿器可以表示为：

(5)

(6)

图2 微电网的初级控制策略

g

二级控制的谐波补偿器如图3所示。

图3 基于二级控制的谐波补偿控制器

微电网的谐波抑制二级控制如图4所示。

图4 微电网的二级控制流程图

3 仿真分析

为了验证本文提出的微电网谐波抑制分层控制策略的有效性，利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，如图5所示。

系统主电路参数：电网电压为Vg=380 V；电网频率为fg= 50 Hz；直流电压为Vdc= 650 V；线路阻抗为Z1=0.18+j0.51 Ω，Z2=0.12+j0.34 Ω；滤波电感为Lf1=Lf2= 1.35 mH，滤波电容为Cf1=Cf2= 50 μF。非线性负荷分别为R= 20 Ω，L= 2 mH。控制器参数：开关频率为8 kHz；下垂系数为mP= 9.4×10-5，nq= 1.5×10-3；虚拟电阻值为Rvir= 2.5 Ω，虚拟电感值为Lvir= 0.8 mH；电压外环为kpV= 0.5，krV= 5，ωc= 2×π rad/s，ωo= 100×π rad/s，krV5= 10，ωc5= 50×π rad/s，krV7= 10，ωc7= 50×π rad/s；电流内环为kpI= 10，krI= 1000，krI5= 100，krI7= 100；谐波补偿器(HC)为kp5= 0.5，ki5= 20，kp7= 0.5，ki7= 30。

图5 系统仿真模型

算例1：当微电网在孤岛运行时，微电网初级控制(Primary control)输出的有功功率、无功功率、电压和电流如图6、图7所示。

图6 微电网输出有功功率

图7 微电网输出无功功率

通过图6和图7中的仿真结果可以看出，在t= 0.02 s之后，微电网输出的有功功率分别为：DG1为14 kW，DG2为8.5 kW；微电网输出的无功功率分别为：DG1为8 kVA，DG2为4.5 kVA。此时，谐波补偿器在二级控制(secondary control)中还没有运行，微电网系统电压基本满足要求，但电流波形发生畸变，如图8和图9所示。

图8 微电网输出电压波形

图9 微电网输出电流波形

在t=0.1 s 时刻后，微电网负荷突增，所需功率增加，此时谐波补偿器在二级控制中运行，提高了电流稳定性和电能质量.同时，微电网输出的有功功率分别为：DG1为20 kW，DG2为18 kW；微电网输出的无功功率分别为：DG1为12 kVA，DG2为11 kVA。

采用分层控制策略后的电路和电压THDi和THDv都满足< 5%的要求，如图10、图11所示。

图10 电流谐波总畸变率

在图10、图11其中，电流总谐波畸变率(THDi)为2.57%，5次谐波分量为1.2%，7次谐波分量为0.24%，11次谐波分量为0.19%；电压总谐波畸变率(THDv)为1.27%，5次谐波分量为0.21%，7次谐波分量为0.13%，11次谐波分量为0.07%。

通过对仿真结果的分析可以看出：补偿前，当微电网在孤岛运行条件下，正常微电网电压运行范围内会引起的公共连接点(PCC)电压波形发生严重畸变；补偿后，电压、电流的谐波得到有效抑制。

图11 电压谐波总畸变率

算例2：当微电网在并网运行时，微电网初级控制通过逆变器输出的功率、电压和电流如图12～14所示。

由图12可以看出，在没有加入谐波补偿器之前，微电网初级控制输出的功率分别为：有功功率为DG1 = 14 kW，DG2 = 8.5 kW、无功功率为DG1 = 8 kVA，DG2 = 4.5 kVA。加入谐波补偿器之后，微电网输出的功率分别为：有功功率为DG1 = DG2 = 25 kW、无功功率为DG1 = DG2 = 15 kVA。均分效果可以得到了明显改善。

从图13、图14的仿真结果可以看出，加入了谐波补偿器之后，微电网输出的电压和电流的均分效果得到明显改善，保证了二级控制输出的电压和电流的正弦性,非线性负荷造成的微电网电流总谐波畸变率和电压总谐波畸变率都满足< 5%的要求，如图15(b)和图16(b)所示。

图12 微电网输出的功率

图13 微电网输出电压波形

图14 微电网输出电流波形

图15 电流谐波总畸变率

从图15和图16可以看出，电网频率为50 Hz时，网侧电流的总谐波畸变率(THDi)为2.18%。其中：5次谐波分量为0.95%，7次谐波分量为0.89%，11次谐波分量为0.4%等。网侧电压的总谐波畸变率(THDv)为1.97%。其中：5次谐波分量为0.85%，7次谐波分量为0.66%，11次谐波分量为0.32%等。

图16 电压谐波总畸变率

根据以上的分析可知，当微电网在并网运行时，二级控制方式可以减小并网逆变器输出电压总谐波畸变率(THDv)，进而改善微电网内各节电电压的电能质量。

4 结 语

本文针对微电网逆变器并网产生大量谐波的问题，综合前人对该问题的解决思路，提出了一种分层控制策略来抑制并网点的谐波。经对仿真案例分析得知，在初级控制部分，采用电压外环、电流内环以及下垂控制来控制逆变器，实现对输出电流和电压的谐波抑制。二级控制通过对5次、7次谐波进行补偿来抑制由非线性负荷引起的并网点谐波。仿真结果表明，在微电网孤岛运行以及开网运行时，采用该控制策略都能很好地抑制谐波对微电网的影响，且提高了微电网电能质量。

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(责任编辑 郭金光)

Harmonic suppression strategy for micro-grids based on hierarchical control

LI Jinying, AI Xin, DENG Yuhui

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources,North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

Aiming at the large amount of harmonic wave generated by the micro-grid network distributed energy connecting to the grid, the paper proposed a hierarchical control strategy of harmonic suppression which realized harmonic suppression by controlling the output voltage and power of micro-grid distributed power inverter. The hierarchical control consists of 2 levels: primary control uses droop control, with the feedback controller containing virtual impedance,voltage loop,current loop and power loop design; two-level control compares with the reference value through the measurement of low harmonic voltage, taking the difference as the amount of compensation to the primary feedback control. The simulation results show that the hierarchical control strategy proposed in this paper has good suppress effect on the micro harmonic in power grid operation.

microgrid；harmonic suppression；hierarchical control；control strategy

2015-04-25。

黎金英(1979—)，男，博士研究生,主要研究方向为微电网、电能质量。

高等学校学科创新引智计划(“111”计划)(B08013) “111” Project (B08013) of China.

TM727

A

2095-6843(2015)05-0404-06