孤島微電網逆變器電壓不平衡控制策略

金 鵬，張 春，李 智，呂文齊

(1.高端裝備先進感知與智能控制教育部重點實驗室，安徽蕪湖 241000；2.安徽工程大學電氣工程學院，安徽蕪湖 241000)

0 引言

從發(fā)達國家到發(fā)展中國家，能源過度使用加速了全球不可再生能源陷入枯竭的尷尬境地.近幾年來全球能源消耗保持高速增長，其中一次能源的過度燃燒會產生大量以二氧化碳為主的溫室氣體，對地球環(huán)境的破壞不容忽視.在節(jié)省能源和保護環(huán)境的雙重挑戰(zhàn)下，新能源發(fā)電技術得到了廣泛的關注[1-2].

以新能源為主體的分布式發(fā)電方式正在逐漸興起，為了更加有效地發(fā)揮各種分布式電源的優(yōu)勢和減小分布式電源對大電網的不利影響.美國首先提出微電網的概念[3-4].但是微電網系統(tǒng)的控制和保護面臨很多問題，孤島微電網電壓不平衡問題就是其中需要解決的問題之一.目前有通過電能質量調節(jié)器將負序電壓注入到線路[5-6]，或者通過電能質量調節(jié)器進行電流補償，但是這種方法會使調節(jié)器過流.微電網還可以調節(jié)逆變器輸出電壓的幅值和相位，調整分布式電源(Distributed Generator,DG)將有功功率和無功功率注入到微電網中，以支撐微電網電壓.文獻[7]提出一種加入負序電流的補償方法，這種方法通過使線路電流變得穩(wěn)定來補償微電網電壓不平衡.文獻[8]提出在輸出的電壓控制器中加入補償所需要的參考量來進行控制，補償所需的參考量則需要用負序無功產生一個參考的負序電導.這種加入補償所需的參考量來補償DG端電壓不平衡能一定程度上使微電網電壓穩(wěn)定.文獻[9]指出電壓控制器將補償所需的參考量認為是一種擾動，加入補償所需的參考量的方法是不可取的.文獻[9]提出將補償參考量在電壓控制器前注入，從而達到補償效果.文獻[10]提出可以跟蹤參考電壓的不平衡系數，常用的是用一個比例積分控制器進行跟蹤，但該方法建立在dq坐標系上，計算量大.本文基于αβ靜止坐標系上提出孤島微電網單逆變器電壓不平衡問題的解決辦法[11]，采用改進的下垂控制，能有效地對下垂控制進行調節(jié)減少系統(tǒng)誤差，同時加入基于正序電流的虛擬阻抗環(huán)，采用負阻抗能更加有效地控制微電源的輸出阻抗特性，而電壓電流環(huán)控制器設計采用PI調節(jié)器和PR調節(jié)器結合的方法來實現(xiàn)正負序電壓和電流的控制.

1 系統(tǒng)結構及工作原理

1.1 系統(tǒng)結構

圖1為微電網逆變器并聯(lián)控制框圖，其中Udc為逆變器直流母線電壓，Ua、Ub和Uc分別為逆變器3相橋臂電壓，ia、ib和ic為交流側電感電流，Cf、Lf分別為濾波電容、濾波電感，Rf、Rc分別為濾波電阻和逆變器不平衡負載，Lline和Rline分別為線路阻抗.

圖1 微電網逆變器并聯(lián)控制框圖Fig.1 Parallel control block diagram of microgrid inverter

1.2 工作原理

圖2為控制結構原理圖，首先對輸出電壓電流進行正序分離.求出所需要的正序功率，通過基于模糊PI算法改進的下垂控制獲得電壓信號，再經過電壓電流環(huán)得到輸出電壓，繼而控制逆變器.

圖2 控制結構原理圖Fig.2 Control structure schematic diagram

2 電壓不平衡補償方法

該方法建立在αβ兩相靜止坐標系上將大大減少計算量，采用基于模糊PI算法改進的下垂控制能有效地對下垂控制進行調節(jié)，加快動態(tài)響應速度，減少系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差.同時加入虛擬負阻抗環(huán)和電壓電流環(huán)控制器對電壓電流信號進行控制.

2.1 下垂控制的改進

傳統(tǒng)的P-f、Q-V下垂控制公式為：

f=fn-m(p-pn)

(1)

V=Vn-n(Q-Qn)

(2)

式中，fn、f為微電源輸出電壓頻率的額定值與實際值，Vn、V為輸出電壓幅值的額定值與實際值，Qn、Q為微電源輸出無功功率的額定值與實際值，n、m為電壓幅值和輸出頻率的下垂系數.

PI控制積分調節(jié)作用可以有效地使系統(tǒng)誤差減小，但是精度要求高.模糊控制雖然消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差能力比較差，但是不需要精確地知道被控對象的數值.將PI控制和模糊控制相結合形成模糊PI控制，不但可以使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差小，而且有模糊控制的靈活度高和適應性強等優(yōu)點.模糊PI控制可以更加有效地對下垂控制進行調節(jié)，進而使動態(tài)響應速度加快，減少系統(tǒng)電壓幅值和頻率偏差，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時誤差也將減少.

將方程式(1)、式(2)調整為

(3)

(4)

式中，kmp、kmI、knp和knI為修正因子.kmp、knp主要用于穩(wěn)態(tài)負荷分配，kmI和knI用于消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差.

頻率模糊PI下垂控制模塊如圖3所示.其中模糊推理模塊為兩輸入兩輸出模塊.由模糊推理得到兩輸入量分別為額定頻率偏差ef=fn-f，以及頻率偏差變化率ecf=def/dt，兩輸入量需先通過A/D模數轉換為數字量，再由量化因子并依據模糊控制規(guī)則表，對輸入量進行模糊推理，得到頻率下垂系數kmp和kml的清晰量，代入式(3)，得出電壓合成環(huán)節(jié)的參考頻率f.

同理可得，電壓模糊PI下垂控制模塊如圖4所示.

圖3 頻率模糊PI下垂控制Fig.3 Frequency fuzzy PI sag control圖4 電壓模糊PI下垂控制Fig.4 Voltage fuzzy PI sag control

將得到的參考頻率f、參考電壓幅值V，通過電壓合成環(huán)節(jié)處理可以得到電壓電流雙環(huán)控制的輸入量，從而調整微電源輸出的電壓幅值和頻率[12].

本文所設計的模糊集合相同，所以下文用kP代替kmp、knp，用kI代替kmI、knI.考慮到結構簡單、應用廣泛的等特點，選用三角形隸屬函數.制定好一個良好的模糊控制規(guī)則表尤為重要，是系統(tǒng)更加穩(wěn)定的前提.通過對實驗數據的分析制定了如表1所示的下垂系數kP和kI的模糊控制規(guī)則.模糊控制規(guī)則設計的原則是：偏差較大時，通過減小下垂系數kI的值和增大下垂系數kP，分別達到預防出現(xiàn)飽和現(xiàn)象和提高響應速度的效果；等到快平穩(wěn)時，通過增大下垂系數kI，來減少到達穩(wěn)定時的誤差.以此來實現(xiàn)輸出電壓和頻率穩(wěn)定.

表1 模糊控制規(guī)則表Tab.1 Table of fuzzy control rules

本文采用基于Mamdani原則的算法.運用“If e and ec thenkPand if e and ec thenki”的模糊控制規(guī)則.含義為：如果偏差e取PB(正大)，同時偏差變化率ec取PB(正大)，那么下垂系數kP取NB(負大)，kI取PB(正大).其他情況以此類推.再將得到的輸出變量的模糊值通過解模糊處理得到精確的輸出數字量.

2.2 虛擬阻抗環(huán)

圖5 虛擬阻抗環(huán)原理框圖Fig.5 Schematic diagram of virtual impedance ring

在低壓配電網中，如果采用P-f下垂控制策略就必須要求配電網絡為阻感性網絡并且同時要求有功功率和無功功率解耦.此時需要通過虛擬阻抗方法將逆變器線路阻抗和輸出阻抗之和調整為以感性為主.又因為下垂控制的無功功率均分需要逆變器線路阻抗和輸出阻抗?jié)M足下垂系數的比例，然而下垂系數為硬件參數，不便于修改調整.所以從系統(tǒng)的靈活性、適應性等方面考慮，調節(jié)總阻感比只能將逆變器輸出阻抗調整為感性為主.

在傳統(tǒng)P-f、Q-V下垂控制中加入虛擬阻抗以適應于阻性線路，本文運用負阻抗，最終的電壓是原電壓減去輸出電流在虛擬負電阻上的壓降，用算法模擬出虛擬負阻抗作用；這樣就可以用算法去模擬虛擬負阻抗，接著減小虛擬阻抗的取值以及用虛擬阻抗消除一部分線路電阻來提高電壓質量.虛擬負阻抗環(huán)原理圖如圖5所示.

因為虛擬負阻抗沒有功率消耗，所以會使得下垂控制更加穩(wěn)定.圖5方程表示為：

vVα=RViOα-LVωiOβ

(5)

vVβ=RViOβ+LVωiOα

(6)

式中RV、LV為虛擬電阻、電感.

2.3 正負序分離及功率計算

將逆變器電流信號、輸出電壓變換到αβ坐標下.記Tαβ為abc坐標到αβ坐標系下的變換矩陣，T+、T-分別為αβ坐標系下正負序的變換矩陣；變換公式為：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

通過正負序分離獲得兩相正交電壓信號，可以實現(xiàn)對輸入電壓信號進行正負序分離.

2.4 電壓電流環(huán)控制器設計

微電網受不平衡負載影響時，系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性受負荷電流分配以及各逆變器的端口電壓不平衡度影響.因本文基于αβ靜止坐標系下，所以采用PI調節(jié)器和PR調節(jié)器結合的方法來實現(xiàn)正負序電壓和電流的控制，實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差.控制框圖如圖6所示.

圖6 電壓電流雙環(huán)控制框圖Fig.6 Voltage current double loop control block diagram

PR電壓、電流控制器傳遞函數為[13]

(12)

其中：kcp、kcr分別是電流環(huán)調節(jié)器的比例系數和諧振系數；ωc是電流環(huán)諧振控制器剪切頻率、ω0是電流環(huán)基波頻率.

3 仿真驗證

利用matlab/simulink仿真平臺構建逆變器的仿真模型，驗證本文控制方法有效性.如圖1所示不平衡負載Rc取值為30 Ω，跨接在BC兩相之間，3相平衡負載R作為逆變器的公共負載，R=50+j16 Ω.

3.1 加入不平衡負載時逆變器輸出電壓和電流

在仿真實驗開始不加入不平衡負載，在t=0.2 s時加入不平衡負載.可以看出在仿真模型未加入不平衡負載時電壓和電流波形和在0.2 s后加入不平衡負載后的電壓和電流波形.如圖7所示，加入不平衡負載后的電壓電流波形不平衡度達到了8.9% ，超出了電壓不平衡度的限制范圍.

(a)電流波形(b)電壓波形圖7 加入不平衡負載時逆變器輸出電流和電壓波形Fig.7 The inverter output current and voltage waveform when unbalanced load is added

3.2 增加電壓不平衡控制

圖8為增加電壓不平衡控制情況下逆變器輸出電流和電壓波形.由圖8可知加入本文提出的不平衡控制方法后，雖然在0.2 s加入了不平衡負載，但是逆變器輸出電壓波動很小，保持在2%以內.不平衡負載的加入并沒有影響系統(tǒng)的穩(wěn)定.

(a)改進后的電流波形(b)改進后的電壓波形圖8 增加電壓不平衡控制情況下逆變器輸出電流和電壓波形Fig.8 Increase the output current and voltage waveform of inverter under unbalanced voltage control

在t=0.2加入有不平衡負載的情況下，由圖7可知不加入電壓不平衡控制時電壓電流出現(xiàn)了一定的波動，逆變器輸出電壓處在不平衡狀態(tài).加入電壓不平衡控制后如圖8所示電壓電流波動極其微小，系統(tǒng)保持穩(wěn)定.可以看出本文提出的電壓不平衡控制策略的有效性.

4 結論

本文針對微電網孤島運行時因不平衡負載而導致的電壓不平衡問題，采用了一種微電網逆變器不平衡補償方法對DG端的電壓進行補償.通過仿真實驗可以看出該方法對不平衡負載引起的電壓不平衡有很好的控制作用.但是，該方法僅僅針對帶線性負載造成的電壓不平衡進行了討論，對帶非線性負載還需要進一步探討.