微电网电压质量控制方法研究

朱世欣，包继刚，王维斌

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州 730050）

微电网电压质量控制方法研究

朱世欣，包继刚，王维斌

（兰州理工大学技术工程学院，甘肃兰州 730050）

由于微电网中不平衡负载的影响，使得微电网电压出现不平衡。针对这类问题，在dq坐标系下对低压微电网电压不平衡进行研究，并提出了相应的补偿方法。该方法采用加虚拟阻抗的下垂控制器来灵活准确地实现分布式电源的功率分配；通过电压不平衡补偿，使得分布式电源输出稳定的负荷电压从而自动补偿微电网的不平衡电压；而电压电流环对下垂控制中所给定的参考信号进行准确的跟踪，提高输出电能质量，进一步提升整个控制系统的性能。最后通过仿真结果证明了所提控制策略的可实现性和有效性。

微电网；电压不平衡度；下垂控制；虚拟阻抗环

随着世界传统能源逐渐枯竭，能源危机日渐严重，以新能源为支撑的微电网以其独特的优势应运而生。微电网是一种将分布式电源、储能装置、负荷、变流器以及监控保护装置有机整合在一起的小型发配电系统[1]。微电网作为分布式电源的有效载体，是分布式电源接入配电网的重要方式，为局部消纳可再生能源提供了有效途径，也是智能电网的重要组成部分[2]。

但在低压微电网中，由于三相负荷不对称普遍存在，导致微电网支撑电压出现三相不平衡，从而造成较多的能量损失，影响微电网系统的稳定性。当公共连接点（point of common coupling，PCC）电压存在严重不平衡时，甚至会影响感应电机、电力电子变换装置等的正常工作。对此，国际电工委员会明确规定电力系统中电压不平衡度应限制在2%以内[3]。我国电力系统公共连接点PCC正常电压不平衡度允许值为2%，短时不超过4%[4]。因此，研究微电网电压不平衡补偿迫在眉睫。

当微电网中含有非线性或不平衡等负荷时，分布式电源（distributed generators，DG）必须采用适当的控制策略，以消除本地非线性不平衡负荷对微电网内部和对配电网的影响。文献[5-6]中针对公共电网电压不平衡和电网故障时的限流要求，分别设计了三相三线制和三相四线制微电网的电能直流补偿接口。该并网接口方案由一个并联逆变器和一个串联逆变器组合而成，有效消除了大电网电压不平衡引起的联络线负序电流，并通过串联逆变器限制了大电网电压骤降时微电网的输出电流。文献[7]研究了每个DG带都有不平衡和非线性负载的微电网电能质量补偿控制，根据DG额定功率和本地负荷需求大小的比较，提出了给定功率参考值时DG的补偿电流算法。该算法基于abc坐标系的瞬时功率理论，但未考虑DG在孤岛和并网模式切换时与其他电源的功率分配问题及电压谐波对补偿性能的影响[8-9]。

本文主要针对三相电压型逆变器进行研究，提出一种dq坐标系下的低压微电网逆变器并联三相电压不平衡补偿方法，通过下垂控制器并加入虚拟阻抗环，灵活地控制逆变型微源的等效输出阻抗特性；而电压电流环对下垂控制中所给定的参考信号起跟踪作用。准确地跟踪电压和电流，提高输出电能质量，进一步提升整个控制系统的性能，最后通过三电平SPWM进行调制。

1 三相逆变器并联结构

图1为两DG并联的微电网结构图，主要由分布式直流电源Udc、三相全桥逆变电路、LCL滤波器以及线路阻抗组成。其中，R1、L1为DG1到PCC点的线路阻抗，R2、L2为DG2到PCC的线路阻抗，ZB为三相平衡负载，而ZUB为不平衡负载，连接在a、b相。

图1 两DG并联的微电网结构图Fig.1 The structure of two parallel DG microgrids

图2为电压不平衡补偿控制结构图，图示对DG输出电压进行正负序分离，得到的量进行电压不平衡补偿计算；输出的电压、电流通过功率模块，得到P/Q，通过下垂控制器最后合成所需的参考电压信号，最后经过电压、电流环双环的调节合成脉冲信号送入逆变器中。

图2 电压不平衡补偿控制结构图Fig.2 The structure of the voltage unbalance compensation control

1.1 功率计算

三相电路的相电压和相电流分别为usa、usb、usc和ia、ib、ic先将其转换到αβ坐标系下，由变换可得该坐标系下的瞬时电压和电流分别为：

其中，

在dq0旋转坐标系下，将d轴看作复平面的实轴，q轴看作复平面虚轴，此时电压和电流表示如下：

根据复数下的功率[10]定义有：

1.2 下垂控制

对于传统的下垂控制，单个DG输出的基波正序有功功率和无功功率为[11]：

式中：E为DG逆变器输出相电压；V为电网电压；φ为E与V之间的相角差；Z和θ分别为连接阻抗的幅值和相角，设定电网电压的相角为0，φ则为逆变器电压相角。当连接阻抗Z接近感性，即有Z≈X和θ≈90°时，则有功和无功为：

有功功率P主要取决于逆变器输出电压与母线电压相位差，无功功率Q主要取决于逆变器输出电压幅值V。又因为电压相角差和角频率之间满足关系式ω=dφ/dt，因此，可以采用PQ下垂控制法，通过调节有功功率来改变输出角频率，进而实现电压相角差的控制。通过调节无功功率来实现电压幅值的控制，其下垂控制式（12）和式（13）所示。

式中：E*，φ*为参考电压幅值、参考电压相角；kp为下垂有功比例系数；kq为无功比例系数；ω0，E0分别为额定角频率和额定电压幅值。通过下垂控制，各分布式电源能独立调节输出基波频率、电压幅值，而且各分布式逆变器之间可以实现有功、无功的精确分配分配。

图3（a）是有功/频率下垂曲线，曲线由初始运行点的f0和P0以及下垂系数m确定。图3（b）为无功/电压下垂曲线，由初始运行点的v0和Q0以及下垂系数n确定。假设系统工作在A点，当系统输出有功功率增大到P1时，系统频率将减小到f1，系统将工作在B点，而频率降低又会增加有功输出，从而实现功率自动平衡。同样无功/电压下垂曲线也有类似的下垂规律。

图3 下垂控制原理Fig.3 The principle of the droop control

通过P－f、Q－E下垂控制，各分布式电源能独立调节输出基波频率、电压幅值。因此，各分布式逆变器之间可以实现有功、无功较为精确的分配。

1.3 电压电流环控制

图4为基于dq坐标系下的电压、电流环控制，其中u*sdq、i*Ldq、ddq分别是功率下垂控制[12]的参考电压、电压环参考电流、PWM占空比，由图4可得电压、电流环闭环传递函数可表示为式（14）、式（15）所示：

其中，GiL（s）=kip+kii/s，Gus（s）=kvp+kvi/s。

图4 电压电流控制原理Fig.4 The principle of the voltage and current control

图4电压、电流回路可以建模为一个电源和一个阻抗的串联形式，如图5所示

图5 电压电流环控制模型Fig.5 Voltage and current loop control model

其中：

1.4 虚拟阻抗环

下垂控制只有在X≫R的条件下，无功出力才主要由电压幅值来控制。但是在低压微网中，输出线路主要体现为阻性，即R＞X，加入虚拟阻抗可以使P－f、Q－E下垂控制适用于阻性线路，用虚拟电阻抵消一部分线路电阻，从而在同样的效果下，减小虚拟阻抗的取值，提高电压质量[13]。由于虚拟阻抗是在电压外环增加一个额外的控制回路，因此它没有损耗，并且通过改变外电路可以改变虚拟阻抗值，能更好地根据需要进行调节。因此本文在逆变器单元中加入虚拟阻抗环节，其控制图如图6（a）所示。

图6 加虚拟阻抗环的电压电流回路Fig.6 Loop voltage and current circuits with virtual impedance added

由图6（a）可知，加入虚拟阻抗改变了原来的电压回路，则输出电压可被计算为：

Gu（s）和Zodq（s）在式（16）、式（17）中已表示。

ZD（s）为加虚拟环的总阻抗，由于加入了虚拟阻抗，电压回路中输出阻抗的动态性能被影响，故图5更替为图6（b），此时控制参数和虚拟阻抗大小共同影响整个输出阻抗值，等效模型如图所示。

1.5 电压不平衡补偿

为了降低通信带宽，保证通信可靠性，本文采用基于dq坐标计算不平衡度。其中正负序提取采用如图7所示方法，利用锁相环（phase-locked loop，PLL）获得电压角频率ω，利用低通滤波（low-pass filters，LPFs），提取PCC点的正负序电压，低通滤波器（LPFs）传递函数[14]如下：

式中：ωcut和ζ为滤波器的截止频率和阻尼比；ωcut= 4π，rad/s，ζ=0.7。

图7 电压不平衡补偿原理图Fig.7 Voltage unbalance compensation schematics

电压不平衡补偿原理图如图7所示。在本文补偿控制器中，VUF*=1%，v+和v－分别为DG逆变器输出电压的正序和负序分量有效值，而所得的VUF通过与设定值作比较，经过PI控制器，最终得到UCRdq[15]如下：

式中：UCRdq为在dq坐标系下的电压不平衡补偿系数，由通信网络送到DGs本地控制器，作为产生电压环控制参考值的补偿。

2 仿真结果分析

为验证上述控制方法的有效性，基于Matlab/Simulink软件，搭建如图1所示含有2个分布式电源的仿真实验平台，主电路和控制系统的仿真参数如表1、表2。

表1 主电路参数Tab.1 Power stage parameters

表2 控制系统参数Tab.2 Control system parameters

DGs逆变器的仿真开关频率为10 kHz，在t=0.5 s时加入电压不平衡补偿环节。由文献[16]，电压不平衡度（voltage unbalance factor，VUF）可定义为负序电压分量与正序电压分量之比，其公式如下：

采用本文提出的电压不平衡补偿策略，在控制策略中计算出每个DG端口的输出电压正负序分量的有效值，并可获得不平衡度VUF，其仿真结果如图8所示。

图8 DGs的VUFFig.8 VUF at DGs terminal

设参考电压不平衡补偿度VUF*=0.5%，在t=0.5 s时加入电压不平衡补偿环节。从图8中可以看出，在0.5 s前由于不平衡负载的影响，DG1、DG2的电压不平衡度大于3%，0.5 s时加入不平衡补偿器，对DG1、DG2的不平衡电压进行补偿，电压不平衡度下降约为0.5%，证明所提补偿策略能够很好地补偿电压的不平衡。

DG1电压补偿前后的电压波形如图9所示，在a、b相加人不平衡负载，导致DG1三相电压不平衡。在t=0.5 s，加入本文所提出的不平衡补偿方法后，三相电压得到了补偿电压平衡。

图9 DG1的补偿前后电压波形Fig.9 The voltage waveform DG1before and after compensation

为说明补偿效果，其补偿前后输出功率波形如图10所示，在t=0.5 s时加入不平衡补偿环节，由于对不平衡电压、电流进行了补偿，负序电压电流减小，从而使得负序无功功率Q-有明显的下降；正序电压电流通过补偿得以提高，使得正序功率也相应的有所提高，即有功功率得到补偿。因为所接不平衡负载为纯阻性负载，所以正序无功功率Q+的值非常小，且Q+下垂控制器有效控制了DGs之间流动的无功功率。以上结果表明，所提出控制方法能有效地进行电压不平衡补偿，且动态性能良好。

图10 功率补偿Fig.10 Power compensation

3 结语

本文对微源接不平衡线性负载所造成的电压不平衡问题进行了控制研究，提出dq坐标系下的一种微电网多逆变器不平衡补偿方法，通过不平衡补偿方法对DG的端电压、端电流进行了补偿。从仿真中可以看出，该方法能有效地补偿微电网电压的不平衡。最后仿真验证了该方法的正确性和有效性。

[1]CAÑIZARES Claudio A，PALMA-BEHNKE Rodrigo.Trends in microgrid control[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（4）:1905-1918.

[2]韩培洁，张惠娟.微电网控制策略分析研究[J].电网与清洁能源，2012，10（28）：25-30.HAN Peijie，ZHANG Huijuan.Analysis and research on microgrid control strategies[J].Power System and Clean Energy，2012，10（28）:25-30（in Chinese）.

[3]JOUANNE A V，BANERJEE B.Assessment of voltage unbalance[J].IEEE Trans Power Del，2001，16（4）:782-790.

[4]BARRERO F，MARTÍNEZ S，YEVES F，et al.Universal and reconfigurable to UPS active power filter for line conditioning[J].IEEE Trans Power Del，2003，18（1）:283-290.

[5]LI Yunwei，VILATHGAMUWA D M，LOH P C.Microgrid power quality enhancement using a three-phase four-wire garid interfacing compensator[J].IEEE Trans on IndustryApplication，2005，41（6）:1707-1719.

[6]LI Yunwei，VILATHGAMUWA D M，LOH P C.A grid interfacing power quality compensator for three-phase three-wire microgrid application[J].IEEE Trans on Power Electronics，2006，21（4）:1021-1031.

[7]MAJUMDER R，GHOSHA，LEDWICH G，et al.Load sharing and power quality enhanced operation of a distributed microgrid[J].IET Renewable Power Generation，2009，3（2）:109-119.

[8]CHANDRA A，SINGH B，SINGH B N，et al.An improved control algorithm of shunt active filter for voltage regulation，harmonic elimination，power factor correction，and balancing of nonlinear loads[J].IEEE Trans on Power Electron，2000，15（3）:495-507.

[9]HOJO M，IWASE Y，FUNABASHI T，et al.A method of three phase balancing in microgrid by photovoltaic generation systems[C]//Power Electron Motion Control Conf.（EPE-PEMC），Poland，2008，22（3）:2487-2491.

[10]陈伟.三相电压下PWM整流器的直接功率控制技术研究与实现[D].武汉:华中科技大学，2009.

[11]GUERRERO J M，MATAS J，VICUÑA L G De，et al.Decentralized control for parallel operation of distributed generation inverters using resistive output impedance[J].IEEE Trans Industrial Electronics，2007，54（2）:994-1004.

[12]LIU Quanwei，TAO Yong.Voltage unbalance and harmonics compensation for islanded microgrid inverters[J].IET Power Electron，2014，7（5）：1055-1063.

[13]杨新华，雷洋洋.交流型微网指定次电压谐波主动补偿策略[J].电网与清洁能源，2015，31（5）:21-26.YANG Xinhua，LEI Yangyang.Autonomous selective voltage harmonics compensation control method in an AC microgird[J].Power System and Clean Energy，2015，31（5）:21-26（in Chinese）.

[14]周洁，罗安，陈燕东.低压微电网多逆变器并联下的电压不平衡补偿方法[J].电网技术，2014，38（2）:415-417.ZHOU Jie，LUO An，CHEN Yandong.Voltage unbalance compensation for low-coltage microgrid with multi parallelly connected inverters[J].Power System Technology，2014，38（2）：415-417（in Chinese）.

[15]Mehdi Savaghebi，Josep M.Guerrero，Autonmous voltage unbalance compensation in an islanded droop-controlled microgrid[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013，60（4）:1390-1402.

[16]BRABANDERE K D，BOLSENS B，KEYBUS V D J，et al.A voltage and frequency droop control method for parallel inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（4）:1007-1115.

（编辑 冯露）

Research on Voltage Quality Control Strategy in Microgrids

ZHU Shixin，BAO Jigang，WANG Weibin
（College of Technology and Engineering，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，Gansu，China）

Unbalanced load leads to voltage unbalance in microgrids.For this type of problem，this paper studies the voltage imbalance of the low-voltage microgrid in the dq coordinate system，and puts forward the corresponding compensation method.This method uses the droop controller with virtual impedance to realize the flexible and accurate implementation of power distribution of the distributed generators；and through the voltage unbalance compensation，the distributed generators is made to output stable voltage while compensate the unbalance voltage automatically；and the current and voltage control loop accurately tracks the given reference signal in the droop control to improve the output power quality，and further enhance the performance of the whole control system.Finally，the simulation results demonstrate that the proposed control strategy is both achievable and effective.

microgrid；voltage unbalance factor；droop control；virtual impedance loop

国家自然科学基金项目（51467009）。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China（51467009）.

1674-3814（2016）10-0022-06

TM726

A

2016-03-29。

朱世欣（1971—），男，本科，高级工程师，研究方向为自动化工程等；

包继刚（1980—），男，硕士研究生，研究方向为分布式发电与微电网的运行与控制。