基于改進型P/Q控制的多源微電網功率脈動抑制*

董鶴楠，苑 舜，李 闖，韓子嬌，丁惜瀛

(1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院 電網技術中心，沈陽 110006；2.沈陽工業大學 電氣工程學院，沈陽 110870；3.國網遼寧省電力有限公司 調度控制中心，沈陽 110004；4.國家能源局 東北監管局，沈陽 110006)

微電網結構配置靈活，可由單一種類微源DG(distributed generation)構成，亦可由多種不同類型的DG構建而成[1].風電、光伏、儲能等多種類型的DG組成多源微電網，利用控制中心協調多種不同類型分布式能源，可有效降低清潔能源不確定性對電能質量的影響.

多源微電網多種不同種類的DG能量互補性好，但由于各DG動、靜態性能差距大，加之負荷種類繁多，有相當比例是單相負荷和非線性負荷，因此微網系統中存在三相電流、電壓不對稱現象[2-3].并網運行時，微電網三相電壓、電流不對稱，使得并網點傳輸的有功功率和無功功率脈動嚴重，有功功率脈動會污染大電網的電能質量，而無功功率脈動則產生嚴重的功率損耗；孤網運行時三相不平衡帶來的危害更為嚴重，甚至會造成微網系統失穩[4-6].

在微電網中，DG常用的控制策略包括P/Q控制、V/F控制和下垂控制.P/Q控制跟隨并網點電壓，通過控制并網電流使DG輸出功率跟隨給定值.采用P/Q控制的DG以電流形式并網，并、離網切換沖擊較小，但P/Q控制算法基于三相對稱提出，控制中難以解決三相不對稱問題[7-12].

文獻[13]分析了在電網發生故障情況下功率脈動的現象.文章指出為了得到有功脈動幅值和無功脈動幅值的變化關系，可以通過給定補償參數連續調節電流值.但該文章只是對功率脈動進行了定性而不是定量分析，沒能給出功率脈動的準確表達式，難以對功率脈動進行針對性抑制.

本文提出一種改進型P/Q控制策略，抑制功率脈動，通過陷波器對三相不平衡電壓和電流進行正序、負序分解，定量給出有功、無功脈動幅值與正、負序電流之間的解析關系；在此基礎上通過正、負序電流解耦控制實現有功功率和無功功率調節，有效抑制功率脈動.

1 多源微電網模型

圖1的多源微電網由風機、光伏、儲能三種微源構成，有交流與直流兩種母線，微網通過交流母線的并網開關，實現微電網與主網之間的并、離切換.

圖1 多源微電網結構

圖1的多源微電網采用主從控制，以儲能裝置作為主微源，風電及光伏等微源作為從屬微源.孤網運行時，主微源通過V/F控制提供微電網的電壓及頻率基準，其他從微源均采用P/Q控制，實現功率的最大輸出.

2 DG運行機理與功率脈動

DG并網逆變器通過濾波電抗L直接與電網相連，PCC處的三相電壓和電流及瞬時輸出功率可表示為

(1)

(2)

(3)

式中：ea、eb、ec和ia、ib、ic為PCC點處的三相瞬時電壓和電流；Ea、Eb、Ec和Ia、Ib、Ic為PCC點三相電壓和電流的有效值；α為瞬時電壓的初始相位；φ為瞬時電壓和電流的相角差.

當a、b、c三相對稱時，三相合成總功率可表示為

S0=Sa+Sb+Sc=3E0I0cosφ

(4)

式中：E0=Ea=Eb=Ec；I0=Ia=Ib=Ic.

由式(3)、(4)可知，三相對稱交流系統中，單相功率存在二倍頻脈振分量，而三相總功率中二倍頻分量的和恒定為零，輸出總功率穩定.

當發生不對稱故障或單相負荷過重時，三相電壓、電流呈現出不對稱現象.理論上不對稱向量可以唯一地分解為正序、負序、零序三組對稱分量.因為采用的逆變器沒有零序通路，因此可利用不對稱分解理論將三相不對稱電壓電流分解為與同步轉速ω0正向旋轉的正序分量和反向旋轉的負序分量.

為了簡化分析，將PCC點的三相電壓和電流進行d/q旋轉變換，三相不對稱時合成電壓、電流向量可表示為

(5)

(6)

PCC點三相瞬時有功與無功功率可表示為

P+jQ

(7)

(8)

式中：P0、Q0分別為有功、無功瞬時平均分量；Py2、Ps2為二倍頻有功瞬時脈動分量；Qy2、Qs2為二倍頻無功瞬時脈動分量，各分量幅值可表示為

(9)

(10)

(11)

由式(7)可知，系統存在不對稱電壓與電流時，系統輸出功率中二倍頻分量不為零，此時用電設備會產生振動，影響整個系統穩定性.

3 功率脈動抑制方法

3.1 改進型P/Q控制策略

基于P/Q控制機理，結合三相不平衡時有功與無功功率和正、負序電壓電流的關系，本文提出一種改進型的P/Q控制結構，抑制由不對稱產生的二倍頻脈動.

根據式(9)～(11)可推導出

(12)

由式(12)可知，策略可以通過控制電流實現功率脈動的抑制，在P/Q控制系統中計算出功率脈動Py2=0，Ps2=0時，正、負序電流的給定值，再利用疊加原理將正、負序電流分別作為P/Q控制的電流給定，實現功率脈動抑制.

圖2為改進型P/Q控制結構框圖，根據獲得的電流給定值，利用前饋-反饋復合控制算法來實現電壓值的給定，實現并網逆變器的輸出可跟隨給定值的目標.Pref、Qref為有功與無功功率給定值，其值與DG并網逆變器的瞬時功率平均分量相等，即Pref=P0，Qref=Q0.

圖2 改進型P/Q控制算法結構圖

逆變器輸出表達式為

(13)

3.2 正負序分量的分解

圖2的改進型P/Q控制需要檢測PCC點正、負序電壓和電流值，根據式(5)將合成電流及負序電流轉換到正序電流坐標系，電流測量值可表示為

I=I++e-j2ωtI-

(14)

由式(14)可知，在負序坐標系下，正序電流為直流分量，而負序電流變為交流分量，因此設計一個二倍頻陷波器則可以濾除負序分量，獲得電流正序分量的測量值.

4 仿真分析及驗證

在MATLAB平臺上建立如圖1所示的多源微電網仿真模型，加入不對稱負載，PCC點處的電流、有功功率、無功功率波形如圖3所示.

圖3a為負荷不對稱引起的PCC點處電流不對稱曲線，圖3b中位于正半軸的曲線為有功功率波形，位于負半軸的曲線為無功功率波形，可見三相不對稱電流造成了有功功率和無功功率的脈動.傳統P/Q控制可顯見有功與無功功率呈二倍頻脈動.

圖3 傳統P/Q控制動態性能曲線

改進型P/Q控制正負序電流曲線如圖4所示，位于正半軸的曲線為正序電流波形，位于負半軸的曲線為負序電流波形.在20 s內負序電流隨著控制時間的增加顯著下降，電流負序量的減少必然使三相電流平衡度大幅提高，同時降低了功率脈動.

改進型P/Q控制動態性能曲線如圖5所示.圖5b中位于正半軸的曲線為有功功率波形，位于負半軸的曲線為無功功率波形.經過改進型P/Q控制后，電流恢復為三相對稱電流，有功和無功功率脈動降低了50%，得到了明顯的抑制.

圖4 改進型P/Q控制正負序電流曲線

圖5 改進型P/Q控制動態性能曲線

5 結 論

本文提出了一種改進型P/Q控制策略，用來抑制三相不平衡引起的功率二倍頻脈動.仿真結果表明：當三相電流不對稱產生功率脈動時，改進型P/Q控制方法通過對并網點電壓電流進行正負序分解，可以實現正負序電流解耦控制，限制了負序電流，進而有效抑制了功率脈動.