不平衡电压下交、直流混合微电网直流纹波抑制策略

田志慧， 赵兴勇

（山西大学 电力与建筑学院， 山西 太原 030013）

0 引言

与交流微网和直流微网相比，交、直流混合微电网因其调度更加灵活、运行更可靠、对可再生能源消纳程度也更大， 将成为未来微电网的发展方向[1]。 但交、直流混合微电网直流电压波动，会造成直流侧电压母线失去稳定， 影响负荷的稳定运行，触发混合微电网的保护动作[2]，[3]。

在交、直流混合微电网中，换流器交流侧不平衡工况下，直流侧含有直流分量，还含有2 倍频分量[4]。 传统针对直流侧2 倍频纹波抑制方法，主要是单纯地从直流侧或者交流侧去解决，文献[5]提出采用新型拓扑航空直流有源滤波器来对电网中直流纹波进行抑制， 并取得了较好的效果。 文献[6]提出了基于直流有源滤波器抑制直流纹波，并用阻抗分析法对直流有源滤波器进行阻抗分析，揭示了其方法的可行性。 文献[7]对传统的DCAPF 进行改进，采用改进的模糊自适应PI 控制对直流纹波精确跟踪，提升了DC-APF 对纹波的抑制效果。 以上文献均是在直流侧对直流纹波使用DC-APF 进行抑制， 且研究方向逐步在控制层面进行深入研究。 而对于在交流侧抑制直流纹波的研究并不多，大部分研究均是以功率平稳，或者以并网电流质量为控制目标，对换流器进行控制。文献[8]在不平衡电压下，以功率及电流质量为控制目标，提出了一种静止坐标系控制策略，并验证了其可行性。 文献[9]在电网电压不平衡条件下，以系统输出恒定有功功率为控制目标， 并对并网电压正负序进行估计，计算出并网电流参考指令，实现了有功功率和并网电流在不平衡电压下的恒定控制。 以上文献均是以功率及并网电流质量为控制目标，而未考虑电压不平衡对直流电压的影响。文献[10]在电网电压不平衡情形下，将交流电网电压、电流正、负序分离，并将其与采用正序分量相同的控制叠加到正序控制环中， 可以有效抑制直流2 倍频纹波。 文献[11]提出虚拟联合谐波控制器， 其核心思路是在交流侧使用换流器对谐波进行补偿，在直流侧使用DC-APF 对直流纹波进行协同控制。

本文在换流器抑制功率波动的基础上， 将其扩展到直流侧，通过直流电压外环PI 控制生成有功、无功功率参考值，并对交流子网电压及并入交流子网电流进行正、负序分解，计算出功率2 倍频分量为0 时的换流器正负序电流参考值， 并将负序分量按照正序分量相同的控制方式， 补偿到正序控制中，实现了负序分量补偿的控制策略。在换流器直流侧对传统的DC-APF 进行改进， 采用QPR 控制来对直流电压2 倍频纹波精准跟踪。 整个系统采用直流电压外环控制， 以负序分量补偿控制策略作为直流电压纹波一次抑制措施， 改进的DC-APF 对直流电压纹波进行二次抑制，在交流子网不平衡的工况下， 使交直流两侧抑制系统协同运行。 在Matlab/Simulink 平台上仿真可知，使用交、 直流协同抑制策略直流子网电压纹波含量能够得到很好的抑制， 且同时也抑制了交流与直流子网传输的有功功率波动。

1 交、直流混合微电网模型

图1 为交、直流混合微电网模型，此模型主要由直流子网、交流子网和换流器组成。 系统分布式电源经DC/DC 换流器接入直流母线（DC bus），直流母线上接有直流负载和直流有源滤波器（DC-APF），直流子网经换流器和LCL 滤波器与交流子网连接， 分布式电源经过DC/AC 变换器接入交流子网，交流子网接有分布式电源和交流负载。

图1 交、直流混合微电网模型Fig.1 AC/DC hybrid microgrid model

2 交、直流混合微电网换流器模型

图2 为换流器的系统结构， 直流子网通过三相全桥换流器，并经LCL 滤波器滤除高次谐波后接入交流子网。其中：UDC，IDC，CDC分别为直流子网电压、直流子网流入换流器电流、直流母线电容；Uk，i1k，Uck，i2k，Ugk分别为换流器输出电压、 流入滤波器电流、滤波电容电压、流出滤波器电流、交流子 网 电 压；L1k，L2k，Ck分 别 为 滤 波 器 换 流 器 侧 电感、线路侧电感、滤波电容；k=A，B，C。

图2 换流器结构图Fig.2 The structure of converter

由图2 可得dq 坐标系下，换流器控制状态方程为

式中：L1A=L1B=L1C=L1；L2A=L2B=L2C=L2；CA=CB=CC=C；i1d，i1q为换流器流入滤波器dq 轴电流；i2d，i2q为换流器流出滤波器dq 轴电流；Ud，Uq为换流器输出dq 轴电压；Ucd，Ucq为滤波器电容dq 轴电压；Ugd，Ugq为交流子网dq 轴电压；ω 为交流子网角频率。

3 交流子网不平衡时对直流子网影响分析

交流子网不平衡的情形下，交流子网正、负序电压经过clark 变换，即可以得到交流子网电压在αβ 静止坐标系下的正、负序分量：

式中：P0，Q0分别为有功直流分量和无功直流分量；P2（1），Q2（1）分 别 为 有 功、无 功 余 弦 分 量 幅 值；P2（2），Q2（2）分别为有功、无功正弦分量幅值。

由式（7）可知，在交流子网不平衡情形下，交流子网与直流子网传输功率有2 倍频脉动。 忽略换流器的功率损耗，有：

由式（6）可知，直流母线电压有2 倍频纹波。

4 负序分量补偿抑制

4.1 正负序参考电流模型

根据式（7），可求得在抑制有功功率为控制目标时，在dq 坐标系下换流器流入交流子网正负序的参考电流分别为

若不考虑换流器功率损耗， 且换流器功率因数为1，则换流器有功功率为

由式（9）可知，有功功率可以通过直流电压的控制来实现，因此引入直流电压外环，并通过PI控制构成直流电压闭环控制， 输出量为有功功率参考值P0ref。

4.2 正负序分量分离方法

本文采用全通滤波器法分离正、负序。 首先，将不平衡的电压、电流分量分解为正、负序分量，并移相90°，即：

再将不平衡分量X 乘以ρ， 再与不平衡分量加减即可得到正负序分量， 交流子网电压和并入交流子网电流在αβ坐标系下的分量为

4.3 负序分量补偿抑制策略

在换流器交流侧使用负序分量补偿法， 具体控制如图3 所示。

图3 负序分量补偿抑制策略图Fig.3 The negative sequence component compensation and suppression strategy diagram

5 改进的直流有源滤波器

直流有源滤波器的基本原理为转移或补偿直流母线功率，本文使用的直流有源滤波器的拓扑结构如图4 所示。

图4 改进的DC-APF 原理图Fig.4 The improved dc-apf schematic diagram

5.1 准比例谐振控制器

由于比例积分（PI）控制器无法对正弦量进行无静差的控制，而比例谐振（PR）控制器是基于内模原理的一种控制器， 可实现对正弦信号的无静差跟踪， 而QPR 不仅具有PR 控制器的优点，且可以拓宽PR 控制器在增益处的带宽， 本文将传统的直流纹波分量δUDC控制由传统的比例控制器，更改为QPR，其传递函数为

式中：Kp为比例系数；KR为谐振系数；ω0为谐振角频率；ωc为截止频率。

QPR 既保持了PR 在谐振频率处增益高的优点，又拓宽了高增益处的带宽，所以在直流电压纹波发生偏移时也能起到很好的跟踪效果。

本文采用的QPR 参数：Kp=1，Kr=300，wc=8，w0=200 rad/s，其伯德图如图5 所示。

图5 QPR 伯德图Fig.5 QPR Bode diagram

6 仿真分析

本文在Matlab/Simulink 仿真试验平台搭建交、直流混合微电网实验模型，模型参数如表1 所示。

表1 交、直流混合微电网系统主要参数Table 1 main parameters of AC/DC hybrid microgrid system

本文的纹波系数为

式中：Uup为直流电压波峰值；Ulow为直流电压波谷值；Uaverage为直流电压平均值；δU 为纹波系数。

6.1 仿真情形1

0.5 s，设置交流子网A，B，C 三相电压分别为0.9，0.8，0.45 p.u.， 换流器传输的有功功率为24.5 kW（以下仿真情形均设置三相不平衡电压及有功功率， 换流器工作在整流模式换流器有功功率为负值，否则为正值）。系统未采取任何抑制策略，仿真波形如图6 所示。

图6 未加抑制策略波形图Fig.6 Waveform of no suppression strategy

由图6 可知， 未加任何抑制策略时直流电压波动幅值为10 V 左右， 直流电压纹波系数δU 为1.43%， 在交流子网电压不平衡时有功功率波动幅值为3.29 kW。 直流电压2 倍频纹波通过换流器耦合到换流器交流侧， 会在交流侧产生3 次谐波， 进而使并入交流子网电流畸变影响系统电能质量。通过对并入交流子网电流进行傅里叶分析，并入交流子网电流总谐波畸变率THD=9.96%。

6.2 仿真情形2

系统采用改进的DC-APF 对直流电压2 倍频纹波进行抑制， 在0.7 s 分别启动采用了PI 控制和QPR 控制的DC-APF 对直流电压进行抑制，结果如图7 所示。

图7 传统与改进的DC-APF 直流电压、有功功率对比Fig.7 Comparison of DC voltage and active power waveform between traditional and improved DC-APF

由图7 可知，DC-APF 在采用PI 控制时，直流电压波动幅值由10 V 降到6 V 左右，纹波系数δU 降为0.86%；DC-APF 在采用QPR 控制时直流电压波动幅值由10V 降到2 V 左右，纹波系数δU降为0.29%； 在使用传统的DC-APF 和使用改进的DC-APF 均会使有功功率波动增加，有功功率波动从原来的3.29 kW，增加到4.12 kW 左右。

6.3 仿真情形3

换流器使用负序补偿抑制策略的仿真结果如图8 所示。

图8 采用负序分量补偿抑制策略直流电压、有功功率波形Fig.8 Waveform of DC voltage and active power with negative sequence component compensation and suppression strategy

由图8 可知，在0.5 s 同时采用负序分量补偿抑制策略，直流电压波动幅值从10 V 降为3 V 左右，直流纹波系数δU 降为0.43%；有功功率波动从原来的3.29 kW，降到0.36 kW 左右。

6.4 仿真情形4

在系统交流侧使用负序分量补偿抑制策略，对直流电压纹波进行一次抑制； 在系统直流侧使用改进的DC-APF 作为直流纹波的二次抑制策略，对直流纹波进行二次抑制，直流电压、有功功率仿真波形如图9 所示。

图9 采用交直流协同抑制策略直流电压波形图Fig.9 Waveform of DC voltage and active power using AC /DC cooperative suppression strategy

在0.5 s 启动负序分量补偿抑制策略作为直流电压纹波一次抑制，直流电压波动幅值从10 V降到3 V， 有功功率波动从3.29 kW 降为0.36 kW； 在0.7 s 使用改进的DC-APF 作为直流电压纹波二次抑制，直流电压波动幅值从3 V 降到0.5 V 左右，纹波系数δU 降为0.07%，直流电压与交流子网平衡时基本一致， 有功功率波动为0.38 kW 左右，有功功率波动也能得到很好的抑制。

总谐波畸变量（THD）如图10 所示。

图10 并入交流子网电流波形图Fig.10 Current waveform of merging into AC subnet

由图10 可知，THD 由9.96%降为1.27%。

7 结论

本文提出了一种改进的DC-APF 及交直流协同抑制策略，得出以下结论。①基于直流母线电压二次纹波的交、直流协同抑制策略，负序分量补偿抑制策略作为直流纹波一次抑制策略， 可以抑制直流纹波电压， 本文控制策略作为直流纹波二次抑制， 能够对直流母线电压纹波再一次进行抑制，使直流母线电压更稳定。 ②交、直流协同抑制策略使有功功率更加稳定， 直流电压纹波得到抑制，同时能够改善流入交流子网电流质量，使其谐波畸变更小。③本文控制策略优于传统控制策略，能够精确追踪直流电压纹波， 使直流电压波动幅值更小。 ④所提抑制策略仅从控制层面对原有的设备进行改进，无需增加互感器等一次设备，换流器控制只需增加直流母线电压信号， 使得直流电压二次纹波治理成本更低。