混杂负载条件下串联型微电网输出电压控制

杨维满，王兴贵，齐刚

（1.兰州理工大学电气工程与信息工程学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省工业过程先进控制重点实验室，甘肃兰州 730050；3.兰州理工大学电气与控制工程国家级实验教学示范中心，甘肃兰州 730050）

微电网对实现大量分布式发电系统的单点并网和集中管理独具优势，该技术的发展成熟必将使风光等清洁微源出力的随机性与间歇性、传统电网电力传输压力大、关键负载供电可靠性低等一系列问题迎刃而解，同时能源短缺和环境问题也进一步得到缓解[1-3]。微电网结构是解决电压控制、潮流控制和解列时负荷分配、稳定等问题的关键，也为继电保护及微网运行的研究提供基础[4-5]。

目前，国内外学术界和产业界采用微电网技术来解决上述问题，其结构类型主要有交流型、直流型以及交直流混合型3种[6-9]。这3种常见的微网结构决定它们内部存在环流、多微源参与调压或调频、子网功率协调控制等问题，这些问题由于结构原因难以得到彻底解决。还有一些新型结构的微电网，如串联型微电网，该结构下微电网输出电压谐波含量低、不存在环流与多微源调频等问题，是一种控制相对简单，输出电能质量高，安全性好的微电网[10]。

如今信息化工业时代负载类型多样，不平衡或非线性负载在微网内会产生基波不平衡分量与谐波分量的扰动，引起系统输出电压三相不平衡，致使运行损耗增加，干扰敏感负载工作性能，甚至导致系统不稳定[11-13]。本文同时考虑不平衡和非线性2种负载共存的复杂运行条件，研究串联型微网输出电压的控制问题。

1 串联型微电网及其逆变环节

图1所示为单相串联型微电网结构。系统内部多个H桥微源逆变器输出侧通过串联方式相连，形成单相串联逆变环节，各微源逆变器直流侧通过直流链与发电单元电能变换器末端连接。

图1 单相串联型微网结构Fig.1 Structure of the single-phase series micro-grid

图2所示为组合式三相串联型微电网系统结构，三相系统中A相子系统、B相子系统以及C相子系统输出多电平电压经LC滤波后为三相负载供电。系统中随机微源主要包含风、光等清洁能源型的分布式发电系统，在它们的直流链配置高性能储能单元可以将直流电压波动抑制到一定范围，故孤岛模式下串联型微网输出电压主要遭受直流链电压udci（i=1，2，3）波动、负载电流io变化引起的外部扰动。该组合方式下各相运行与控制更加独立，可完全采用分相独立控制。

本文主要考虑不平衡/非线性混合型负载的扰动，进一步得到单相串联逆变环节的等效电路如图3所示，此处以A相3微源子系统为例。

图中idci和uoi分别为第i个H桥微源逆变器直流侧输入电流和交流测输出电压；Lf、Cf分别为滤波电感和滤波电容；re为滤波电感和串联线路的等效电阻；rl和Ll分别为系统输出近距离传输的线路电阻与电感值。

图2 组合式三相串联型微网结构Fig.2 Structure of the three-phase combined series micro-grid

图3 单相串联逆变环节的等效电路Fig.3 Equivalent circuit of the single phase series inverter

2 MQPR控制器设计

图2所示组合式三相串联型微电网因采用分相独立控制，故所采用的控制器以单相系统为被控对象进行设计。根据图3所示单相串联逆变环节等效电路可得到如下微分方程。

忽略各H桥微源逆变器输出电压中的谐波分量，得到微源逆变器输出电压与直流侧输入电压之间的关系为

式中：mi为第i个微源逆变器的调制比；ω为调制波频率。

由式（1）、式（2）、式（3）可得到单相串联逆变环节模型框图，如图4中开环部分所示。从图4中可以看出，该串联逆变环节运行过程中输出电压uc主要遭受负载电流变化带来的影响，即负载变化是主要的扰动因素。在孤岛模式下微电网要维持输出电压稳定，故此处研究相应的控制器来保证系统恒压恒频输出。

为了实现对系统输出交流电压的高精度控制，此处电压调节首先考虑采用准比例谐振（Quasi PR，QPR）控制器，其传递函数为[14]

式中：kpp、kpi为比例与积分系数；ωc、ωo分别为截止频率与谐振频率。

QPR控制器一方面实现单相交流输出电压的高性能跟踪控制，另一方面可避免PR控制器在谐振频率处增益趋于无穷大引起的系统失稳问题。同时增设比例调节的电容电流内环控制，能够有效提高系统动态响应速度，增强抗负载扰动能力。

其次，为了抑制非线性负载电流引起的输出电压低次谐波，特在QPR控制器中增设了低次谐波比例-谐振调节环节，即引入了3、5、7次谐波控制器，其传递函数分别为Gh3（s）、Gh5（s）、Gh7（s）。此时，总低次谐波补偿比例-谐振控制器传递函数为各次传递函数之和，亦即

式中n=3、5、7，分别表示3、5、7次谐波次数。考虑由此形成的多准比例-谐振控制器在谐振频率处增益和相位变化较大，此处在电压调节器中特加设了一个适当的相位与幅值校正环节。校正环节传递函数为Gphc（s）=k0（T1s+1）/（T2s+1），其中0＜k0＜1、T1＞T2。低次谐波补偿比例-谐振控制器传递函数与基波分量之间呈并联连接关系，故综合后得到多准比例-谐振电压复合调节器传递函数为

图4 单相串联逆变环节控制原理框图Fig.4 Control principle block diagram of the single phase series inverter

3 仿真分析

为了验证非线性/不平衡混合负载条件下控制器对三相组合式串联型微网输出电压的调节效果，在Simulink平台上搭建了系统仿真模型。其中，各相子系统中包含2个光伏微源和1个风力微源，且随机微源直流侧配置了高性能的蓄电池/超级电容混合储能装置[15]。各微源直流侧电压udci为140 V；滤波电感Lf与滤波电容Cf分别为2 mH、100 μF；等效电阻re为0.3 Ω。电容电流内环比例调节器参数kpi为2，再利用根轨迹法和频特法最终确定电压外环多准比例-谐振控制器参数如表1所示。

表1 电压复合调节器参数Tab.1 Parameters of the compound voltage regulator

图5给出了在电容电流内环比例调节、电容电压外环多比例-谐振复合调节作用下，串联逆变环节回路增益函数的频率特性曲线。从图5明显看出该环节的相位裕度约为35°，幅值裕度无穷大，系统带宽接近400 Hz。另外，串联逆变环节基频和3、5、7次谐波频率处增益较大，而其他频段增益很小，由此可以高性能地控制非线性负载带来的谐波电流扰动。

图5 逆变环节回路增益函数波特图Fig.5 Potterdiagramofloopgainfunctionofinverter-link

图6（a）反映了系统从启动到0.12 s仿真结束整个运行过程中的负载变化情况。在0～0.043 s期间系统带三相阻感性平衡负载，其中阻性、感性分量分别为RL=15 Ω、LL=20 mH。而在0.043 s时刻起系统负载发生了不平衡变化，亦即另有相同阻抗与功率因数的阻感性负载连接在A相子系统之上了。

图6 混合负载条件下系统输出电压与电流Fig.6 Output voltages and current under hybrid load condition

系统运行至0.063 s时，三相阻感性不平衡负载切除，系统处于空载运行状态。空载状态保持到0.083 s时，系统接入三相整流型非线性负载（三相二极管整流器后接一个阻性负载RL=20 Ω），直至仿真运行过程结束。在整个过程中系统输出电压如图6（b）所示，从中可以看出，在不同负载条件下系统输出电压都能保持稳定。

4 结论

论文针对组合式三相串联型微网孤岛运行，以及带不平衡/非线性混合负载的实际运行需求，研究了一种可利用传统控制方法设计，且易于数字实现的多准比例-谐振电压控制器。采用的滤波电容电流内环比例控制、电容电压外环多准比例-谐振调节的双闭环控制器，满足了串联型微网在负载条件下的运行需求。

[1]VANDOORN T L，VYVER J Van de，MEERSMAN B，et al.Phase unbalance mitigation by three-phase damping voltage-baseddroop controllers in microgrids[J].Electric Power Systems Research，2015，127：230-239.

[2]苏娟宁，吴罗长，南海鹏.基于PSCAD的光储联合微网控制仿真研究[J].电网与清洁能源，2016，32（3）：149-153. SU Juanning，WU Luochang，NAN Haipeng.Research on the simulation of PV-ES microgrid based on PSCAD[J]. Power System and Clean Energy，2016，32（3）：149-153.

[3] 王成山，杨占刚，王守相，等.微网实验系统结构特征及控制模式分析[J].电力系统自动化，2010，34（1）：99-105. WANG Chengshan，YANG Zhangang，WANG Shouxiang，et al.Analysis of structural characteristics and control approaches of experimental microgrid systems[J].Automation of Electric Power Systems，2010，34（1）：99-105.

[4]李宁，王大成，张航.基于灵敏度分析微网孤岛运行下的频率控制器研究[J].电网与清洁能源，2016，32（10）：110-113. LI Ning，WANG Dacheng，ZHANG Hang.Study on the frequency controller of microgrid during islanded operation based on sensitivity analysis[J].Power System and Clean Energy，2016，32（10）：110-113.

[5] 黄文焘，邰能灵，范春菊，等.微电网结构特性分析与设计[J].电力系统保护与控制，2012，40（18）：149-155. HUANG Wentao，TAI Nengling，FAN Chunju，et al. Study on structure characteristicsand designing of microgrid[J].Power System Protection and Control，2012，40（18）：149-155.

[6]王兴贵，杨维满.一种微源逆变器串联连接型微网特性研究[J].电力系统保护与控制，2013，41（21）：129-135. WANG Xinggui，YANG Weiman.Study on characteristics of a microgrid with micro source inverters connected in series[J].Power System Protection and Control，2013，41（21）：129-135.

[7]LLARIA A，CUREA O，JIMÉNE J.Survey on microgrids：unplannedislanding and ralated inverter control techniques [J].Renewable Energy，2011，36（8）：2052-2061.

[8]KAKIGANO H，MIURA Yushi.Distribution voltage control for DC microgrids using fuzzy control and gain-scheduling technique[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（5）：2246-2258.

[9]CHIANG L P，DING L，KANG C Y.Autonomous operation of hybrid microgrid with AC and DC subgrids[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（5）：2214-2223.

[10]杨维满，王兴贵.串联结构中H桥逆变器直流侧等效模型关系研究[J].电工技术学报，2015，30（16）：103-110. YANG Weiman，WANG Xinggui.Relationship of DC-side equivalent model among H-bridgeInverters connected in series[J].Transtions of China Electrotechnical Sosiety，2015，30（16）：103-110.

[11]周虎，陈佳黎，鲜龙，等.电网三相不平衡下农网低电压治理的研究[J].电网与清洁能源，2015，31（11）：13-18. ZHOU Hu，CHEN Jiali，XIAN Long，et al.Research on the low voltage of three-phase unbalance in rural grid[J]. Power System and Clean Energy，2015，31（11）：13-18.

[12]MOHAMMAD M R，JAFAR S.A robust control strategy for a grid-connected multi-bus microgrid underunbalanced load conditions[J].Electrical Power and Energy Systems，2015，71：68-76.

[13]VANDOORN T L，VYVER J V，MEERSMAN B，et al. Phase unbalance mitigation by three-phase damping voltage-baseddroop controllers in microgrids[J].Electric Power Systems Research，2015，127：230-239.

[14]吕永灿，林桦，杨化承.基于多谐振控制器和电容电流反馈有源阻尼的PWM变换器电流环参数解耦设计[J].中国电机工程学报，2013，33（27）：1-8. LÜ Yongcan，LIN Hua，YANG Huacheng，et al.Decouple design of current loop parameters for pwm converter based on multi-resonantcontrollerand capacitorcurrent feedback active damping[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（27）：1-8.

[15]王兴贵，杨维满，李晓英，等.串联型微电网中混合储能功率协调控制[J].太阳能学报，2016，37（12）：3063-3070. WANG Xinggui，YANG Weiman，LI Xiaoying，et al. Power-shaiung control of hybrid energy storage system in series microgrid[J].Acta Energiae Solaris Sinica，2016，37（12）：3063-3070.