微电网电压不平衡的分层补偿控制策略

黎金英， 艾　欣， 邓玉辉

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，102206 北京; 2.绥和工业学院，电气与电子工程学院，56000 越南 绥和)



微电网电压不平衡的分层补偿控制策略

黎金英1,2， 艾欣1， 邓玉辉2

(1.新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，102206 北京; 2.绥和工业学院，电气与电子工程学院，56000 越南 绥和)

摘要:微电网是消纳分布式电源的有效手段之一，然而也带来了其自身的电压控制的难题，特别是公共连接点处的三相电压不平衡问题比较突出，为此提出一种微电网公共连接点电压双极补偿控制方法，上层控制发送与电压的正序和负序分量有关的控制信号，采用双电流环的控制器可得到电流给定值；下层控制通过双电流环控制器实施. 针对PCC点三相电压不平衡的问题，应用dq旋转坐标分解原理，提出一种基于改进解耦的双同步坐标系锁相环(IDDSRF-PLL)的控制方法，能够实现正负序分量的独立控制，并通过控制给定模型的正负序电流和电压不平衡补偿控制器得到三相平衡电压，使得公共连接点母线电压的二倍频波动部分为零，从而实现了对三相电压不平衡的补偿控制. 利用MATLAB/Simulink对微电网接入电网进行建模仿真，结果表明，分层控制方法能够较好的实现对微电网的电压控制.

关键词:微电网；三相电压不平衡；锁相环；PQ控制；分层控制

近年来，越来越多的分布式电源(distributed generation，DG)接入微电网，对微电网系统的稳定性产生了很大的影响；微电源的运行特性及控制方法、微电源的接入点和容量、微电网运行方式和控制方法、一般采用的电力电子装置、储能设备和负荷特性都会对电能质量产生影响，从而会导致公共连接点(point of common coupling, PCC)的微电网电压不平衡[1]. 当微电网公共连接点的电压不平衡时，微电网电压存在正负序分量，如果没有补偿措施，不平衡电压可能导致失去电机负荷和敏感装置的异常运行等情况，给微电网带来电能质量问题[2]. 因此，研究微电网电压不平衡补偿，基于分层控制的运行控制具有重要的实际意义. 目前已有文献对不平衡微电网电压补偿主要是通过串联电能质量控制器以及向线路注入负序电压分量来实现的[3]. 文献[4]提出采用并联电能质量控制器来抑制电压不平衡，通过补偿线路电流来实现电压不平衡补偿. 但是没有考虑到负荷出现严重不平衡时会导致分布式电源并网逆变器输出有功功率和无功功率存在的二倍频波动. 文献[5]提出了一种双同步旋转坐标系控制策略可以抑制电网电压不平衡情况下引起的有功、无功功率的二倍频波动. 文献[6]介绍了一种基于串联和并联结构的多微电网系统分层协调控制策略，该方法的分层控制能够实现串联和并联结构微电网的联络线功率调节指令的分配，得出电压的幅值差、频率差都在一定范围内，但是没有考虑整个微电网电压不平衡情况下的影响. 文献[7-9]主要研究交直流微电网的构成和各种运行模式的基础上，提出电压分层协调控制策略. 该分层控制策略通过检测直流电压的变化量来控制各电力电子变流器的工作方式，得到微电网内的有功功率平衡，但是该控制策略没有涉及到公共连接点电压的不平衡补偿. 综上所述，当微电网公共连接点的电压不平衡时，微电网中的电压存在正序分量和负序分量，正序电压分量转化为直流分量，而负序电压分量则转化为二倍频分量. 为了补偿微电网电压中的负序分量，本文提出一种基于分层控制的微电网电压不平衡补偿控制策略，分层控制的策略主要包括两层. 在初级控制中，该层控制包括分布式电源和负荷控制，分布式电源通过逆变器输出的有功功率和无功功率存在的二倍频波动，功率中的二倍频波动引起公共连接点电压的不平衡. 二级控制可补偿电压的不平衡造成影响. 在此层控制中，要确保微电网和主电网之间的同步；基于改进解耦的双同步坐标系锁相环(IDDSRF-PLL)，在IDDSRF-PLL中，采用了一个简单的一阶低通滤波器(low pass filter，LPF)对正序分量和负序分量进行解耦. 最后，利用MATLAB/Simulink软件对电压不平衡的仿真结果表明，采用该方法的分层控制在微电网电压不平衡的情况下，能实现较好的动态补偿效果.

1微电网的初级控制策略

1.1不平衡电压下DG逆变器模型

三相逆变器的分布式电源电路结构如图1所示. 图1中，Vdc为直流母线电压；ia、ib、ic分别为逆变器的A、B、C三相输出电流；T1→T6为逆变器的开关器IGBT. 分布式电源通过输出的电感La、Lb、Lc和电阻Ra、Rb、Rc连接到微电网公共连接点上，当微电网处于电压不平衡状态时，微电网电压和电流在静止αβ坐标系中，不仅存在以同步速角频率ω正向旋转的正序分量，还存在以角频率ω反向旋转的负序分量.

图1　分布式电源逆变器等效电路

公共连接点处的电压在同步dq旋转坐标系中的复矢量[10]，可以表示为

(1)

(2)

由式(2)可以看出，在正向同步旋转坐标系中，微电网电压不仅存在有正序直流分量，也存在有二倍频波动的负序交流分量. 在微电网的控制系统中，并网逆变器一般采用静止坐标下的数学模型可以表示为

(3)

当PCC处电压不平衡时，微电网的电压分量Uαβ，Iαβ均含有正、负序分量. 类似式(1)可以写成

(4)

(5)

根据以上分析，当PCC处电压不平衡时，分布式电源并网逆变器在正序、负序两相同步旋转dq坐标系下的数学模型可以分别表示为

(6)

(7)

1.2不平衡电压下DG功率的数学模型

当微电网公共连接点的电压不平衡时，分布式电源并网逆变器输出的视在功率，可以表示为

(8)

将式(8)写成代数形式的瞬时有功功率和无功功率形式[11]，可以表示为

(9)

其中，有功功率为

(10)

无功功率为

(11)

式中：P0、Q0分别为有功功率、无功功率的平均值；Pc2、Ps2分别为有功功率的二倍频波动分量幅值；Qc2、Qs2分别为无功功率的二倍频波动分量幅值. 从式(10)、(11)可以看出，当公共连接点处电压不平衡时，分布式电源并网逆变器的输出瞬时有功功率P(t)及无功功率Q(t)，存在二倍频的波动. 因此，根据应用场合的不同，对于微电网电压不平衡情况下，分布式电源并网逆变器的控制目标有以下3种[12].

1)目标1为消除输出有功功率的二倍频波动，即Pc2=Ps2=0，式(10)、(11)可以写成

(12)

(13)

式中KvP、KvI分别为PI控制器的比例参数和积分参数.

2)目标2为消除输出无功功率的二倍频波动，即Qc2=Qs2=0，式(10)、(11)可以写成

(14)

(15)

1.3双电流环控制器

由式(12)、(14)、(15)可知，正序和负序给定电流中都只含有直流分量，通常采用PI控制器，可以实现对并网逆变器交流侧正序和负序电流的各自独立无静差控制，从而可以实现完全抑制因微电网在PCC处由于电压不平衡所产生的直流母线电压的二倍振荡. 根据式(6)、(7)，可得到并网逆变器在两相旋转

(16)

(17)

综合以上分析，本文提出了微电网电压不平衡补偿的分层控制原理，如图2所示. 当微电网公共连接点的电压不平衡时，双电流环控制器可以实现正序和负序电流的独立控制. 此时，正负序电流控制指令中只含有直流分量，从而双电流环控制策略能够实现在向电网三相电流中注入适当的负序电流分量来满足对直流母线电压的控制要求. 实际运行中，分布式电源初级控制利用式(12)、(14)、(15)方法，采用双电流环的控制器可得到电流给定值，并且进行控制，但是微电网电压的负序分量仍然存在. 为了完全消除直流母线电压的二倍频波动，要得到微电网在公共连接点平衡的电压, 此时微电网中电压负序分量为零，因此考虑引入二级控制策略.

图2　微电网电压不平衡补偿的分层控制原理框图

2电压不平衡补偿的二级控制策略

从图2可以看出，改进解耦的双同步坐标系锁相环和电压不平衡补偿控制器的关系，在本文中称之为二级控制. 在正常运行条件下，微电网电压三相平衡且畸变较小，电压不平衡在允许范围之内，利用传统锁相环能准确的提取出电网电压相角，使微电网电压与电网电压保持同步. 在微电网电压不平衡条件下，微电网中的电压存在正序分量和负序分量，正序电压分量转化为直流分量，负序电压分量转化为二倍频分量. 为补偿微电网电压中的负序分量，此时必须采取适合于微电网的不平衡情况下的锁相环. 本文提出一种负序分量补偿控制策略，结合改进解耦的双同步坐标系锁相环控制，确保并网电压无畸变且对称并网，从而保证了并网电能质量. 下面介绍了改进解耦的双同步坐标系锁相环和电压不平衡补偿控制器的关系.

2.1改进解耦的双同步坐标系锁相环建模

(18)

(19)若

(20)

(21)

(22)

(23)

图3　IDDSRF-PLL原理框图

由图3可知，当微电网公共连接点处电压不平衡时，在正序(dq)+坐标系下的q轴，分布式电源逆变器输出的电压vsq+1不仅含有正序分量的直流部分，同时也含有负序分量的交流部分，即vsq+1≠0.

2.2电压不平衡补偿控制器

(24)

由式(24)可得如图4所示的电压不平衡补偿控制器的结构框图.

图4　电压不平衡补偿控制器的结构框图

3仿真结果与分析

为了验证上述控制策略的正确性和有效性，在MATLAB/Simulink仿真平台上搭建了仿真模型，仿真模型如图5所示.

图5　系统仿真模型

图5系统中主电路参数：电网电压为Vg=380 V；电网频率为fg=50 Hz；直流电压为Vdc=650 V；电感为L1=L2=L3=L4=0.35 mH；电阻为R1=R2=R3=R4=0.03 Ω；线路电阻为RL1=0.23 Ω，RL2=0.35 Ω，RL3=0.23 Ω；线路电感为LL1=318 μH，LL2=1 487 μH，LL3=318 μH. 负荷参数：非线性负荷(1)为三相不可控整流桥带纯阻性负荷R=8 Ω, 整流桥进线电感L=2 mH；线性负荷(2)为P=15 kW，Q=7.6 kVar. 控制器参数：逆变器开关频率为3 kHz；电压外环为KvP=0.35，KvI=400；电流内环为KiP=0.7，KiI=100；电压补偿为KPVUF=0.5，KIVUF=7；IDDSRF-PLL分别为τ=80 ms，ωf=6 kHz，KpPLL=150，KiPLL=103. PCC处输出的有功功率和无功功率如图6、7所示.

图6　PCC处输出的有功功率

图7　PCC处输出的无功功率

频率响应如图10所示，包括电网频率为fg、微电网频率为fMG、微电网与主电网之间的同步频率输出偏差为Δf. 并网后，PCC处的电压和相角如图11、12所示, 在0.02～0.1 s之间均有不平衡量. 根据IEEE 1547标准，对于容量为(0～500 kVA)的分布式电源，进行并网时，允许频率偏差为±0.3 Hz，允许电压偏差为±10%和相角偏差为±20°. 另外，微电网接入主电网技术规定要求微电网能够承受的电压不平衡度KVUF最大4%的不平衡电网电压[16]，如图13所示.

图8　dq坐标下正序电流

图9　dq坐标下负序电流

图10　频率响应

图11　PCC处输出电压波形

图12　微电网与主电网的同步相角

图13　PCC处输出电压不平衡度

4结论

1)针对微电网中的分布式电源并网带来的电压不平衡问题，提出了基于分层控制的微电网电压不平衡补偿控制策略. 利用改进解耦的双同步坐标系锁相环，实现正负序分量的独立控制，构建了电压不平衡补偿控制器. 不仅提高了系统供电可靠性，而且保证了微电网各种运行方式的无缝切换.

2)在负荷变化时所造成PCC处微电网电压不平衡的情况下，微电网将保持系统电压平衡. 同时，频率、电压相角、电压不平衡度KVUF都在允许范围内.

3)通过MATLAB/simulink仿真结果表明，该分层控制在微电网电压不平衡的情况下，能实现较好的动态补偿效果.

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(编辑魏希柱)

Hierarchical control strategy for voltage unbalance compensation in micro-grid

LE Kim Anh1,2，AI Xin1，DANG Ngoc Huy1

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University),102206 Beijing，China; 2. Electrical and Electronic Engineering，Tuy Hoa Industrial College，56000 Tuy Hoa，Vietnam)

Abstract:Micro-grid is one of the effective means to absorb distributed generations; however, this also results in issues of voltage instability and difficulty in operation controlling of the micro-grid, especially the unbalanced three-phase voltage at the point of common coupling (PCC). This paper proposes a control for micro-grid voltage bipolar compensation at the point of common coupling, the upper level sends the control signals, these control signals relate to the positive-and negative-sequence components of the unbalanced voltage, dual the current control loop current setpoint is obtained. The lower control loop controller through dual current implementation, in view of the PCC point of three-phase voltage imbalance problem, application of dq rotating coordinate decomposition principle, proposed dual synchronous coordinate system based on improved decoupling phase-locked loop (IDDSRF-PLL) to independently control the positive and negative sequence voltage component. Furthermore, the three-phase balance voltage could be achieved by controlling the model of positive and negative sequence currents, and using the unbalance voltage compensation controller, bus voltage doubler fluctuation at point of common coupling is zero, thus realizing the three-phase control voltage unbalance compensation. MATLAB/Simulink software is used to set up the simulation model of connecting micro-grid to the main grid. The simulation results show that the hierarchical control method is effective to implement voltage control of micro-grid.

Keywords:microgird; three-phase voltage unbalance; phase-locked loop; PQ control; hierarchical control

中图分类号:TM712

文献标志码:A

文章编号:0367-6234(2016)03-0046-07

通信作者:LE Kim Anh(黎金英)，tdhlekimanh@gmail.com.

基金项目:国家自然科学基金(513111122)；高等学校学科创新引智计划(B08013)；国家高技术研究发展计划(2011AA05A301).

作者简介:LE Kim Anh(黎金英)(1979—)，男，博士研究生；

收稿日期:2014-07-08.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.03.008

艾欣(1964—)，男，教授，博士生导师.