基于四橋臂逆變器的微電網不平衡負載補償策略

李霄霄，余向陽

（西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

基于四橋臂逆變器的微電網不平衡負載補償策略

李霄霄，余向陽

（西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

微電網中存在大量非線性及不平衡負載，因而系統電壓不平衡度、總諧波畸變率不斷增大對微電網電能質量產生了嚴重影響。文中提出了一種基于三相四橋臂逆變器的負載不平衡補償器，采用電壓電流雙閉環控制策略進行不平衡電流的補償，提高獨立微電網的電能質量。在PSCAD/EMTDC中搭建了含分布式電源的試驗仿真模型，驗證其有效性，包括光伏發電系統、柴油機發電系統、電池蓄能系統。通過帶不平衡負載，研究了帶有LUC微電網模型的功率潮流和系統穩定性。仿真結果表明，所提出的LUC有助于提高微電網的穩定性。所提出的基于三相四橋臂VSI的LUC及其控制算法可以充分應用到帶有嚴重不平衡載荷的獨立微電網中。

微電網；分布式電源；電能質量；三相四橋臂逆變器；負載不平衡補償器

近年來，電力系統面臨著諸多問題，如復雜性增加和由分布式電源所引起的一些保護的變化。為了解決這些問題，微電網概念被引入，其被定義為一個分布式電源群集。分布式電源主要有光伏發電裝置、柴油發電機、微型燃氣輪機和風力發電機等，與儲能設備（蓄電池、飛輪等）共同組成獨立可控的微型電網（簡稱微網），向本地負荷高質量、不間斷地供電[1-5]。

三相電壓的平衡情況是衡量電能質量的一個很重要的指標，而用戶側的負載一般都具有隨機性和不平衡性，在此種情況下，微網中電子設備很可能工作異常甚至損壞，在微網并網運行模式下還會影響配網的電能質量，而在孤島運行模式下，由于失去了大電網支撐，微網內分布式電源容量相對較小，非線性不平衡負荷對微電網的影響將更加嚴重。因此，當微網中存在非線性或不平衡負載時，必須采用較優的控制策略，來消除非線性或不平衡負載對微網或配電網的影響，對此做了大量研究。采用靜止同步補償器、動態電壓調節器等作為含非線性不平衡負荷在微網中的補償設備，但都主要針對無功功率補償并缺少對微電網特性的考慮[6-8]。文獻[9-10]采用了一種直流補償接口，該接口由一個串聯逆變器和一個并聯逆變器組成，能有效消除聯絡線上的負序電流。文獻[11-13]采用了補償電流算法，該算法基于瞬時功率理論在abc三相坐標系中進行補償電流計算，DGs工作于補償模式下按給定的功率值進行觸發控制，但是沒有考慮電壓諧波對補償性能的影響。

本文提出了一種基于三相四橋臂逆變器的新型負載不平衡補償器（LUC），其與柴油發電機并聯，應用于微網中，主要進行不平衡電流的補償，不僅針對無功功率進行補償，同時也考慮了有功功率，優勢明顯。在不平衡微電網中，由于三相三線制DGs無法注入不平衡電流，負載的不平衡電流通常由柴油發電機提供，因此，在不平衡條件下，該補償系統直接補償柴油發電機的不平衡電流。為了驗證該系統的有效性，在PSCAD／EMTDC中搭建了微電網模型，主要包括光伏發電系統、柴油發電機、電池儲能系統（BESS）、基于三相四橋臂逆變器的LUC。

1 微網系統結構

本文所研究的微電網結構如圖1所示，采用主從控制，其中儲能電池為主控單元。光伏陣列經過升壓、逆變電路接入交流母線2上；儲能電池通過逆變器配置在光伏陣列出口處，用于平抑其并網功率，并在孤島運行時給定電壓和頻率參考值，吸收或供給差額功率，維持整個系統的功率平衡。柴油機發電系統的控制系統主要由轉速控制系統和勵磁控制系統兩部分構成，兩者分別用于控制柴油機發電系統的發電頻率與電壓。LUC并聯在柴油發電機出口處，補償所產生的不平衡電流。微電網處于并網運行狀態時，所有分布式電源均采用PQ控制；轉入孤島模式后，柴油機發電系統采用恒頻率恒電壓的控制策略（即轉速控制和勵磁控制），為微電網提供電壓和頻率的支撐，并維持微電網的穩定性。

圖1 微網結構Fig.1 Schematic of the microgrid

2 負載不平衡補償器

基于三相四橋臂VSI的負載不平衡補償器（LUC）的結構如圖2所示，包括直流電容、四橋臂逆變器和LC濾波器，其輸出端連接至微電網，主要對不平衡負載產生的不平衡電流進行補償。LUC的運行結構主要由3部分組成，即電流參考值的的控制算法、電流控制器和PWM控制。

圖2 LUC控制結構圖Fig.2 Three-phase four-leg inverter for the unbalance compensator

2.1 LUC電流參考值的控制算法

采用該算法的目的是，控制直流母線電壓，得到電流參考矢量值以補償不平衡負載。如圖3所示為其外環控制回路，得到了參考電流矢量id_ref、iq_ref、i0_ref。微電網各相電流img_a、img_b、img_c通過Park變換轉化為dq-0旋轉坐標系下的img_d、img_q、img_0。

圖3 LUC控制算法Fig.3 Control algorithm of the proposed unbalance compensator

根據PQ理論[14]，三相四線制的不平衡分量在dq-0坐標系下含有交流分量，如下：

因此，不平衡分量iud_d_ref、iud_q_ref通過低通濾波器（LPF）得到，如圖3所示。該濾波器采用一階傳遞函數，截止頻率為10 Hz。直流母線電壓由q軸電流iq_dc調節，并將無功功率控制為零[14]。因此，參考電流如下：

式中，dlpf_d和ilpf_q分別是img_d和img_q通過LPF后的輸出量。

2.2 電流控制器

電流控制器的目的是實現對逆變器輸出電流的無差跟蹤，并使其暫態變化過程很短從而輸出相對平滑[15]。圖4所示為靜止同步坐標系下的電流控制器的控制框圖。其中電壓相位角θ由鎖相環得到，同時考慮到電網和電感電壓，增加前饋回路用于改善穩態和動態性能。由圖中可以看出，控制器輸出dq-0旋轉坐標系下的參考電壓信號Vd_ref、Vq_ref、Vo_ref，并通過Park反變換轉換成同步坐標系下的參考量。

圖4 LUC電流控制器Fig.4 Current controller of the proposed unbalance compensator

本文通過PWM波來控制IGBT的開通和關斷狀態，其中以三角波為載波。各極電壓和偏移電壓如圖5所示。

圖5 四橋臂逆變器PWM調制圖Fig.5 PWM scheme for the three-phase four-leg inverter

四橋臂IGBT各極電壓計算如下：

式中，Vaf、Vbf和Vcf分別是各相的參考電壓值；Vfn是偏移電壓，計算式如下：

3 算例仿真與分析

為驗證本文所提出的基于三相四橋臂VSI的LUC的可行性，在PSCAD／EMTDC中建立如圖1所示的微網模型。蓄電池最大輸出功率為250 kW，光伏最大輸出功率為150 kW，柴油發電機最大輸出功率為450 kW。大電網電壓為10 kV，母線電壓380 V，頻率為50 Hz。

光伏微源參數：直流側電壓560 V，輸出電容為5 000 μF；DC-DC電路中電感為1 mH，電容為8 000 μF；交流側LC濾波電感為8 mH，電容為20 μF，并且設置濾波電阻為0.001 Ω，以防止發生諧振。

儲能電池參數：直流側電壓800 V；DC-DC電路中電感為1 mH，電容為6 500 μF；交流側LC濾波電感為8 mH，電容為20 μF，并且設置濾波電阻為0.001 Ω，以防止發生諧振。

LUC模型參數如下：直流側線路電容Cdc_link=5 000 μF；DC-DC電路中電感為5 mH，電容為60 000 μF；濾波電感Lgrid=2.8 mH，電容Cgrid=6 μF。

算例仿真分析如下：

1）0～2 s，微電網與大電網相連，處于并網模式。1 s時接入不平衡負荷，A相10 kW，B相15 kW，C相25 kW。0-1 s，PLoad=100 kW；1-2 s，PLoad=110 kW；2～4 s，PLoad大約為240 kW，如圖6所示。

圖6 負荷有功功率變化Fig.6 Active power of load

2）t=2 s時，從并網切換至孤島運行模式。孤島模式下加入柴油發電機，與蓄電池共同對微電網中所有負荷供電。與大電網斷開后，微電網中DGs輸出功率均出現了變化。并網時，負荷從大電網吸收部分功率，如圖7所示，因此，在斷開后，DGs輸出的功率相應增加，如圖8所示為DGs的有功功率輸出。其中補償器三相功率如圖9所示。柴油發電機提供不平衡負載電流，如圖11（a）所示，三相電流不平衡，電流總諧波畸變率為5.6%，超出了“電能質量——公用電網諧波GB/T145491993”規定的電流總諧波畸變率的限值。

3）t=3 s時，負載不平衡補償器加入，經過短暫暫態波動后，輸出電流穩定并保持三相平衡，電流總諧波畸變率變為1.02%，滿足電能質量要求，如圖10（b）所示，實現對微網中負荷高質量的持續供電。圖10（a）和圖10（b）對比表明了本文建模方法和控制策略在改善微電網負載不平衡上的有效性和準確性。

圖7 大電網與微網間有功功率傳輸Fig.7 active power between grids

圖8 DGs的有功功率輸出Fig.8 Active power of DGs

4 結論

本文基于電流補償理論，通過建立基于三相四橋臂VSI的LUC對孤島運行模式下微網的三相不平衡負載進行補償。補償器采用雙環控制理論通過三相四橋臂VSI直接補償負載的不平衡電流，控制算法包括直流母線電壓控制器、電流控制器以及PWM調制策略。該補償器及微網模型使用PSCAD/EMTDC搭建，進行仿真分析。仿真結果證明所提出的基于三相四橋臂VSI的LUC的有效性，提高了孤島微網不平衡負載條件下的穩定性。

圖9 LUC三相有功功率輸出Fig.9 Each phase output power of the LUC

圖10 輸出電流Fig.10 Output current

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（編輯 李沈）

Characteristic Analysis of Three-Phase Four-Leg Inverter Based Load Unbalance Compensator for Microgrid

LI Xiaoxiao，YU Xiangyang
（Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

Presence of a large number of micro-grid nonlinear and unbalanced loads gives rise to system voltage unbalance，and increasing of the system voltage unbalance and THD seriously affects the quality of micro-grid.This paper presents a three-phase four-leg voltage sourced inverter（VSI）based load unbalance compensator（LUC），which is a component of a micro-grid.The purpose of the proposed three-phase four-leg VSI based LUC is to improve power quality of the standalone micro-grid.In the paper，the simulation consisting of a photovoltaic power generation system，a diesel generator，a battery energy storage system，and a power management system is modeled in PSCAD/EMTDC.Power flow and stability of the modeled microgrid with the LUC are analyzed under variable irradiance and unbalance loads.The simulation results show that the proposed LUC helps to improve stability of the stand-alone microgrid.The proposed three-phase four-leg VSI based LUC and its control algorithm can be effectively utilized to the stand alone microgrid which has large unbalance loads.

Micoro-grid； distributed generator； power quality；three-phase four-leg inverter；load unbalance compensator

2016-07-13。

李霄霄（1989—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統的測量、保護與控制；

余向陽（1975—），男，博士，副教授，研究方向為先進控制理論及其在電力系統的應用。

1674-3814（2017）05-0013-05

TM743

A

陜西省協同創新計劃（2014XT-21）。

Projest Supported by the Collaborative Innovation Program of Shaanxi Province under Grant（No.2014XT-21）.