混合微電網(wǎng)中三相變換器的控制策略

李慧蓬，韓肖清，楊 宇，王 鵬

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省電力公司，山西 太原 030001）

混合微電網(wǎng)中三相變換器的控制策略

李慧蓬1，韓肖清1，楊 宇2，王 鵬1

（1.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省電力公司，山西 太原 030001）

混合微電網(wǎng)中一般通過三相變換器連接交流子網(wǎng)和直流子網(wǎng)，其控制策略對整個微電網(wǎng)運行特性有顯著影響。混合微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，由大電網(wǎng)保證功率平衡，變換器控制策略用于維持直流母線電壓恒定；孤島運行時，設(shè)計的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)保證微電網(wǎng)內(nèi)部功率平衡，變換器控制策略用于保持交流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部分布式電源功率以及負(fù)荷功率發(fā)生變化時，該變換器可以在整流、逆變和停機(jī)3種狀態(tài)間平滑切換。最后，通過算例仿真驗證了控制策略的可行性和有效性。

混合微電網(wǎng)；交／直流子網(wǎng)；雙向變換器；協(xié)調(diào)控制

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，能源與環(huán)境問題日益突出，在尋找化石能源的替代品中，可再生能源受到了人們越來越多的關(guān)注。微電網(wǎng)作為一種可以有效整合一定范圍內(nèi)可再生能源的電網(wǎng)組織形式［1－3］，受到普遍關(guān)注。交流微電網(wǎng)、直流微電網(wǎng)和混合微電網(wǎng)是微電網(wǎng)的3種常見類別。由于大電網(wǎng)是交流系統(tǒng)，交流微電網(wǎng)得到了較快的發(fā)展，應(yīng)用于多種分布式電源接口逆變器的控制策略，保證交流微電網(wǎng)可以并網(wǎng)或孤島穩(wěn)定運行并平切滑換。隨著發(fā)光二極管（LED）、電動汽車等直流負(fù)荷的發(fā)展，一些學(xué)者開始研究直流微電網(wǎng)，由太陽能電池和蓄電池組成的直流微電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行，且常用的便攜式電子設(shè)備的交流適配器在輸入直流電時仍能正常工作［4］，通過合理選擇變換器的控制參數(shù)也能很好地保證直流微電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性［5］。由于分布式電源和負(fù)荷形式多種多樣，所以交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)都需要對電能進(jìn)行多級變換，這樣不僅增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，也降低了效率，而混合微電網(wǎng)可以彌補(bǔ)這樣的不足［6－8］，并通過控制電力電子變換器整合區(qū)域性分布式電源，實現(xiàn)即插即用功能［9－10］，因此逐漸成為學(xué)者們研究的方向之一。

混合微電網(wǎng)交直流子網(wǎng)之間一般通過三相變換器連接，該變換器根據(jù)需要可以雙向運行。目前，雙向變換器主要應(yīng)用在能量回饋系統(tǒng)［11］，對其在混合微電網(wǎng)中的應(yīng)用研究的很少。該變換器的控制策略影響著交直流母線的電壓質(zhì)量，因此對微電網(wǎng)穩(wěn)定運行起著重要的作用。文獻(xiàn)［12－13］重點研究了將下垂控制應(yīng)用到混合微電網(wǎng)中多個并聯(lián)變換器，通過檢測直流電壓和交流頻率的變化，得出每個變換器流過的功率方向與大小，實現(xiàn)了功率的自動分配。文獻(xiàn)［14］重點研究了混合微電網(wǎng)集中能量控制策略，通過處理器計算出連接混合微電網(wǎng)的多個變換器的功率需求。本文針對混合微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島兩種運行模式不同的特點，提出在并網(wǎng)模式時，采用前饋解耦的雙閉環(huán)控制策略；在孤島模式時，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)保證微電網(wǎng)內(nèi)部功率平衡，采用交流電壓電流雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)對電能的平滑變換，確保微電網(wǎng)電能質(zhì)量滿足要求。本文的研究使混合微電網(wǎng)中三相變換器的控制策略更加全面。

1 混合微電網(wǎng)

圖1為本文研究的混合微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。左邊為交流子網(wǎng)，右邊為直流子網(wǎng)。30 kW的光伏發(fā)電單元通過DC／DC變換器、25 Ah的鋰電池組通過雙向DC／DC變換器連接到直流母線上，40 kW的雙饋風(fēng)機(jī)連接到交流母線上，10～30 kW可變的直流負(fù)荷（充電樁和LED）和20～30 kW可變的交流負(fù)荷分別連接到直流母線和交流母線。直流母線電壓為600 V，三相交流母線線電壓為380 V。

混合微電網(wǎng)有兩種運行狀態(tài)。當(dāng)圖1中靜態(tài)開關(guān)閉合后，混合微電網(wǎng)運行在并網(wǎng)模式；當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障或需要停運時，斷開靜態(tài)開關(guān)，混合微電網(wǎng)運行在孤島模式。交、直流子網(wǎng)之間通過三相變換器連接起來。其電路拓?fù)淙鐖D2所示。

圖1 混合微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

三相變換器采用電壓型三相半橋六開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡單、功率器件少、工作效率高等優(yōu)點。其中，L為升壓電感；C為交流側(cè)濾波電容；Cdc為交流側(cè)濾波電容；Vdc為直流母線電壓。

圖2 三相變換器電路拓?fù)?/p>

2 并網(wǎng)模式

2.1 控制策略

根據(jù)文獻(xiàn)［15］的原則提出控制策略為：（Ⅰ）交流母線的電壓和頻率與大電網(wǎng)保持一致，直流母線的電壓由三相變換器保持恒定。（Ⅱ）分布式電源運行在最大功率跟蹤模式，其發(fā)出功率的盈余和不足可由大電網(wǎng)解決。（Ⅲ）盡量減少電能因多級變換產(chǎn)生的損耗，當(dāng)直流子網(wǎng)內(nèi)部功率平衡時，三相變換器運行在停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)直流子網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)出功率大于負(fù)荷和儲能裝置的總需求時，運行在逆變狀態(tài)；否則運行在整流狀態(tài)。

圖3為并網(wǎng)模式三相變換器控制流程，圖3中，PNET_dc為混合微電網(wǎng)直流子網(wǎng)內(nèi)功率盈余：

式中，Ppv為光伏發(fā)電單元發(fā)出的功率；PLdc為直流子網(wǎng)總負(fù)荷功率。鋰電池組荷電狀態(tài)（SOC）為：

式中，ib為鋰電池的放電電流；Q為電池容量。三相變換器控制流程如圖3所示。其中，Pcon為主變換器從交流側(cè)流向直流側(cè)的功率；SOCmax為鋰電池組最高荷電狀態(tài)；SOCmin為鋰電池組最低荷電狀態(tài)。

2.2 控制器設(shè)計

根據(jù)控制策略需求，設(shè)計直流電壓外環(huán)交流電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制器。其中，直流電壓外環(huán)保持直流母線電壓恒定，交流電流內(nèi)環(huán)分別控制功率流動和功率因數(shù)。由于交流電流隨時間變化，不利于控制器設(shè)計，所以將其變換到同步旋轉(zhuǎn)（d-q）坐標(biāo)系下。設(shè)d軸定向在A相電壓分量上，圖2中三相變換器在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型表示為：

式中，vd、vq分別為交流側(cè)相電壓矢量的d軸和q軸分量；id、iq分別為三相電流矢量的d軸和q軸分量；dd、dq分別為開關(guān)函數(shù)的d軸和q軸分量；idc為流入直流母線的電流。

圖3 并網(wǎng)模式三相變換器控制流程

由式（3）可知：d軸和q軸的電壓和電流都是直流量，方便了控制器設(shè)計，但電流方程中對dd的控制不僅會改變id也會影響iq；因為兩個電流環(huán)路之間存在相互耦合，對dq的控制不僅會改變iq也會影響id。為簡化電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計，引入電流解耦控制，當(dāng)電流調(diào)節(jié)器采用PI調(diào)節(jié)器時，則的控制方程為：

將式（4）代入式（3），并化簡得

式（5）表明：基于前饋的控制算法，即式（4）使電流方程實現(xiàn)了解耦［16］。并網(wǎng)模式下變換器控制原理圖如圖4所示。在圖4中，直流母線電壓在PI調(diào)節(jié)器作用下保持恒定，電壓環(huán)的輸出作為I*d進(jìn)入電流環(huán)，系統(tǒng)的無功需求可通過設(shè)定i*q來實現(xiàn)，因此要實現(xiàn)變換器交流側(cè)單位功率因數(shù)，只需設(shè)定i*q＝0。當(dāng)直流母線電壓低于600 V時，產(chǎn)生的I*d為正值，控制變換器工作在整流狀態(tài)；當(dāng)直流母線電壓高于600 V時，產(chǎn)生的I*d為負(fù)值，控制變換器工作在逆變狀態(tài)。

3 孤島模式

3.1 控制策略

根據(jù)文獻(xiàn)［17］的原則提出控制策略為：（Ⅰ）由于缺少了大電網(wǎng)的支持，鋰電池組在保持微電網(wǎng)內(nèi)部功率平衡中起著非常重要的作用。基于系統(tǒng)功率平衡，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制分布式電源運行在最大功率跟蹤模式或者限制發(fā)出功率模式，儲能裝置運行在充電或者放電狀態(tài)，并會出現(xiàn)切負(fù)荷情況。（Ⅱ）直流母線電壓通過光伏發(fā)電單元、鋰電池組的DC／DC控制器相互配合保持電壓穩(wěn)定，交流母線電壓由三相變換器保持穩(wěn)定。（Ⅲ）盡量減少電能因多級變換產(chǎn)生的損耗，當(dāng)交流子網(wǎng)內(nèi)部功率平衡時，三相變換器運行在停機(jī)狀態(tài)；當(dāng)交流子網(wǎng)內(nèi)分布式電源發(fā)出功率大于負(fù)荷需求時，運行在整流狀態(tài)；否則運行在逆變狀態(tài)。協(xié)調(diào)控制流程如圖5所示。

圖5中PNET為混合微電網(wǎng)內(nèi)功率盈余：

式中，Pw為風(fēng)機(jī)發(fā)出功率；PLac為交流子網(wǎng)總負(fù)荷功率。

圖4 并網(wǎng)模式下變換器控制原理圖

圖5 孤島模式協(xié)調(diào)控制流程

3.2 控制器設(shè)計

根據(jù)控制策略需求，設(shè)計交流電壓、電流雙閉環(huán)控制器。其中，交流電壓外環(huán)保持交流母線電壓穩(wěn)定，交流電流內(nèi)環(huán)分別控制功率流動和功率因數(shù)。同理將其變換到d-q坐標(biāo)系下，三相變換器數(shù)學(xué)模型為：

式中，vcd、vcq分別為交流側(cè)三相電容電壓矢量的d軸和q軸分量；ied、ieq分別為三相濾波器出口電流矢量的d軸和q軸分量。孤島模式下變換器控制原理圖如圖6所示。

圖6 孤島模式下變換器控制原理圖

在圖6中，交流母線電壓在PI調(diào)節(jié)器作用下保持穩(wěn)定，電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)的給定值。當(dāng)交流母線線電壓低于380 V時，產(chǎn)生的I*d為正值，控制變換器工作在逆變狀態(tài)；當(dāng)直流母線線電壓高于380 V時，產(chǎn)生的I*d為負(fù)值，控制變換器工作在整流狀態(tài)。要實現(xiàn)變換器交流側(cè)單位功率因數(shù)，只需設(shè)定V*q＝0。

4 仿真分析

利用Matlab可以方便快捷地對所研究的電力電子電路進(jìn)行各種暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)仿真［18］。為了驗證前面所提出的三相變換器的控制策略，在Matlab／Simulink環(huán)境中，建立如圖1所示的混合微電網(wǎng)模型和圖2所示的三相變換器模型。根據(jù)混合微電網(wǎng)的運行模式不同，分別在并網(wǎng)和孤島模式下進(jìn)行了仿真分析。

4.1 并網(wǎng)模式

混合微電網(wǎng)運行在并網(wǎng)模式時，變換器模型參數(shù)如表1所示，算例1參數(shù)如表2所示。

表1 并網(wǎng)模式變換器模型參數(shù)

表2 并網(wǎng)模式算例1參數(shù)

算例1的仿真結(jié)果如圖7所示。圖7中Pb為鋰電池組放電功率。當(dāng)t＝0～0.4 s時，直流子網(wǎng)內(nèi)部功率在鋰電池充放電作用下保持平衡，圖7b直流母線電壓保持恒定。三相變換器工作在停機(jī)狀態(tài)，圖7a顯示變換器中流過的功率為零，圖7c變換器交流側(cè)A相電流基本為零。

當(dāng)t＝0.4～0.6 s時，負(fù)荷突然增加導(dǎo)致直流子網(wǎng)功率短缺。圖7a顯示變換器整流運行時流過的功率為5 kW，圖7c變換器交流側(cè)A相電流相位跟隨電壓相位，功率因數(shù)接近1。圖7b直流母線電壓超調(diào)量為4.2%，恢復(fù)時間為0.04 s。

當(dāng)t＝0.6～0.8 s時，負(fù)荷突然減小導(dǎo)致直流側(cè)功率盈余。圖7a顯示變換器逆變運行時流過的功率為－5 kW，圖7c變換器交流側(cè)A相電流相位與電壓相位相反，功率因數(shù)接近－1。圖7b直流母線電壓超調(diào)量為7.9%，恢復(fù)時間為0.05 s。

4.2 孤島模式

混合微電網(wǎng)運行在孤島模式時，變換器模型參數(shù)如表3所示，算例2參數(shù)如表4所示。

算例2的仿真結(jié)果如圖8所示。圖8b和圖8c可看出直流和交流母線電壓保持穩(wěn)定。當(dāng)t＝0～0.2 s時交流子網(wǎng)內(nèi)部功率平衡，三相變換器工作在停機(jī)狀態(tài)，圖8a顯示變換器中流過的功率為零，圖8d變換器交流側(cè)A相電流基本為零。

表3 孤島模式變換器模型參數(shù)

表4 孤島模式算例2參數(shù)

圖7 混合微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下系統(tǒng)響應(yīng)圖

圖8 混合微電網(wǎng)孤島模式下系統(tǒng)響應(yīng)圖

當(dāng)t＝0.2～0.4 s時，負(fù)荷突然減小導(dǎo)致交流子網(wǎng)功率盈余。圖8a顯示變換器整流運行時流過的功率為10 kW，圖8d變換器交流側(cè)A相電流相位跟隨電壓相位，功率因數(shù)接近1。

當(dāng)t＝0.4～0.6 s時，負(fù)荷突然增加導(dǎo)致交流側(cè)功率短缺。圖8a顯示變換器逆變運行時流過的功率為5 kW，圖8d變換器交流側(cè)A相電流相位與電壓相位相反，功率因數(shù)接近－1。

4.3 對比分析

由上述仿真結(jié)果可知：本文提出的控制策略維持了交流和直流母線電壓的穩(wěn)定，實現(xiàn)了變換器在整流、逆變和停機(jī)3種運行方式下的平滑切換，并且交流母線電流相位可以實時跟蹤其電壓相位，運行在單位功率因數(shù)。

當(dāng)微電網(wǎng)運行在并網(wǎng)模式時，文獻(xiàn)［14］的集中能量控制策略需要實時監(jiān)控微電網(wǎng)中各個單元的功率流動，用中央處理器計算出變換器需要流過的功率大小和方向，這樣增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，從而降低了可靠性。而文中的控制策略實現(xiàn)了變換器根據(jù)直流電壓變化自動調(diào)整其功率流向和大小，無需中央處理器和通訊線路，更為簡便靈活。由于正常情況下微電網(wǎng)都運行在此模式下，所以文中的控制策略有效降低了運行成本，提高了運行可靠性。

當(dāng)微電網(wǎng)運行在孤島模式時，文獻(xiàn)［12－13］的下垂控制策略在微電網(wǎng)內(nèi)部功率波動后調(diào)整交流頻率和直流電壓，進(jìn)而實現(xiàn)功率再平衡，但這個平衡點處微電網(wǎng)頻率和電壓會有一定的偏離，如果偏差超出允許范圍，會影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。而文中的協(xié)調(diào)控制可根據(jù)微電網(wǎng)內(nèi)部功率變化計算出鋰電池充放電功率、限制分布式電源發(fā)出的功率或者切負(fù)荷功率，有效維持功率平衡，保證直流電壓和交流頻率穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文基于混合微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式的運行特點，設(shè)計了三相變換器的控制策略。孤島模式時協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)有效保證了微電網(wǎng)的功率平衡，并網(wǎng)和孤島模式時三相變換器分別根據(jù)直流和交流母線電壓變化自動調(diào)整其功率流動，實現(xiàn)了能量在變換器中平滑的雙向流動。仿真結(jié)果表明：變換器的控制策略穩(wěn)定了直流母線電壓、交流母線電壓和頻率，保證了混合微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

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TM727；TM46

A

1672－6871（2014）02－0055－07

國家國際科技交流與合作專項基金項目（2010DFB63200）；山西省青年科技研究基金項目（2011021015－2）；山西省自然科學(xué)基金項目（2009021021）；山西省高等學(xué)校中青年拔尖創(chuàng)新人才支持計劃基金項目

李慧蓬（1985－），男，山西晉城人，碩士生；韓肖清（1964－），女，山西武鄉(xiāng)人，教授，研究方向為微電網(wǎng)運行與控制、電力系統(tǒng)運行與控制、新能源發(fā)電等.

2013－01－04