基于有功功率修正的MMC 串聯結構微電網相間功率平衡控制策略?

宋凱平 王興貴 薛 晟

（蘭州理工大學電氣工程與信息工程學院 蘭州 730050）

1 引言

近年來，能源需求增長帶來的環境污染、能源短缺等問題尤為嚴重，為使微源最大化接入，迫使微電網從單一結構模式向模塊化轉變［1～3］。但不同結構類型的微電網均存在一些需解決的問題。為此，學者提出了基于H橋微源逆變器串聯連接微電網（Series Micro Power Grids，SMPGs）［4］。文獻［5］將SMPGs與MMC結合，提出了一種MMC串聯結構（Modular Multilevel Converter Microgrids，MMC-MG）的微電網。目前，基于該結構的微電網系統已有輸出特性分析、微源協調控制等研究。而微源出力波動會引起MMC-MG 相間功率不平衡，使孤島系統無法穩定運行。因此，對相間功率進行平衡控制是非常有必要的。

在傳統微電網中，相間功率流動需功率平衡裝置，增加了其設備投資。文獻［6］為解決由于分布式電源出力波動和負載不一致引起的相間功率不平衡問題，提出能量協調控制策略使三相功率趨于平衡。文獻［7］為解決分布式電源輸出功率波動引起的相間功率不平衡問題，提出對三相獨立下垂控制的策略。通過變流器為相間潮流平衡控制提供了可能，使三相功率得到動態自適應調整。文獻［8］針對三相不平衡的微電網，提出了基于分段下垂的自治分布式儲能系統與區域能量均衡策略的協調控制方法。抑制了三相功率不平衡，并提高了能源利用率。在MMC儲能系統中，文獻［9］研究了注入直流環流的控制策略。由每相功率與平均功率之間的差值及直流側電流，計算出環流注入值，通過控制使相間功率得到均衡。

本文在負載不平衡條件下，首先對系統輸出電壓進行穩定控制。在此前提下，提出基于有功功率修正的相間功率控制策略，通過不平衡功率計算出修正調制信號，利用對直流環流的控制，將其疊加至上、下橋臂的原調制信號中，借助環流使相間功率能夠自適應的動態調節。在提高微源利用率的同時，提高了系統穩定性。

2 MMC-MG孤島拓撲結構

孤島模式下MMC-MG 拓撲如圖1 所示。GM是發電單元，由MMC 半橋模塊、微源、交直流變換器、儲能裝置ES 組成的。每相包括上、下兩個橋臂，各橋臂是由N 個GM 和1 個L 串聯而成，結合MMC 拓撲組成三相逆變環節，經LC 濾波器與三相負載相連。

圖1 MMC-MG孤島拓撲結構

3 孤島模式下輸出功率數學建模

在孤島模式下MMC串聯結構微電網系統等效電路圖如圖2 所示。其中L、R 分別為橋臂電感及等效電阻；im（m=A，B，C）為輸出電流；iPm、inm分別為m 相上、下橋臂電流；uPmi、unmi分別為m 相上、下橋臂第i（i=1，…2N）個子模塊電壓；Rm為三相星型阻性負載；Lf、Cf分別為濾波電感和電容；um為電容電壓；icirm為三相環流。

圖2 MMC-MG孤島等效電路

若設某相調制波為uref=Msin(ωt+φ)，GM 的直流鏈電壓在儲能裝置作用下穩定，忽略其電壓偏差，則某相GM輸出電壓可表示為

式中，ud為GM的直流鏈電壓；ω為角頻率；M為調制比；φm為初始相位。

由KCL得橋臂電流、環流及逆變側電流滿足：

而各相輸出功率為上、下橋臂功率之和，結合式（3）、式（4）可表示為

從（7）式中可看出，m 相輸出功率由兩部分構成。因此，分別定義為環流功率和負載功率。

在MMC 串聯結構微電網系統中，三相環流當中存在直流、基頻、二倍頻成分［10］。經過對相間環流產生機理的分析可知，當每相的橋臂電壓偏差相等且發電單元GM 直流鏈電壓穩定時，環流中只存在直流環流。

式中PMMC為MMC逆變器輸出功率。由式（14）知，相間環流產生的功率相互抵消。所以，MMC 逆變器輸出功率由負載功率決定。因此，選擇合適的控制策略使環流功率在三相之間流動，而不影響輸出功率。

4 控制策略

當三相之間功率不平衡時，在滿足本相負載所需功率的條件下，將剩余的功率利用對環流直流分量控制，傳遞到功率不足的相。由于MMC-MG 系統中負載的大小不相等，導致逆變側輸出電壓不對稱［11～12］。所以，研究不平衡負載條件下MMC-MG相間功率平衡問題，前提要保證輸出電壓對稱。

綜合以上分析，MMC-MG 系統總體控制策略示意圖如圖3所示。

圖3 總體控制策略示意圖

4.1 基于DSC的輸出電壓控制策略

針對負載不平衡導致MMC-MG 輸出電壓不對稱問題，需采用相應控制策略來進行控制。由圖2知，MMC 逆變器三相三線制連接，所以可忽略零序分量，而正、負序量用信號延遲對消技術（DSC）進行分離［13］。因此，通過對其正、負序分量獨立調節和控制，以此來代替傳統電壓外環控制，而電流內環控制依舊用傳統控制方法。

系統運行時，MMC-MG 系統輸出電壓um經DSC 算法后的到αβ坐標系下正序分量uαβ+和負序分量uαβ-。之后經派克變換得到dq 坐標系下正、負序量為udq+、udq-，對其進行獨立控制，將控制輸出量相加得電流內環參考值。電流內環控制輸出值經坐標反變換得MMC-MG 的調制波。其控制框圖如圖4所示。

圖4 基于DSC的輸出電壓控制框圖

4.2 基于APC的相間功率平衡控制策略

對于圖1 所示的孤島微電網系統，微電網系統內的功率平衡表達式為

當每相微源出力不平衡時，為描述相間功率協調思路，圖5給出了功率模式分析圖。

圖5 功率模式分析圖

圖6 基于APC的功率平衡控制原理

圖7 環流控制器

若微源功率與負載功率之差在T1～T2時間段內，屬于功率不足模式，則需將過剩相的盈余功率傳輸至該相，滿足：

若微源功率與負載功率之差在T2～T3時間段內，屬于功率平衡模式，不參與功率協調，滿足：

若微源功率與負載功率之差在T3～T4時間段內，屬于功率過剩模式，需要將該相盈余功率傳輸至功率不足相，其它相平衡時可借助儲能系統進行存儲，滿足：

對于三相之間的功率協調情形，可根據三相微源輸出功率和負載功率之間的差值有33=27 種。

以微源輸出功率與負載功率之差為依據，確定每相儲能裝置所補償或吸收的功率?。

由式（20）得A、B、C 三相儲能總調節功率?PABC滿足：

由于負載不相等，導致負載功率不相等，因此每相需要儲能補償或者吸收的功率相差較大。因此，通過對各相負載功率所占總負載功率的比例來進行分配。定義A、B、C 三相的分配比例系數為αm。

根據式（21）與式（22）得每相儲能占總調節功率的功率量?滿足：

4.3 相間環流控制策略

MMC-MG 系統沒有公共的直流母線，經分析，相間環流是由每相端口電壓差產生。要對相間環流進行控制，則需要在調制信號中增添合適的補償量，控制環流的直流分量達到相間功率平衡的目的。

5 仿真驗證

為驗證相間功率平衡控制策略，搭建孤島模式下MMC-MG 系統仿真模型。橋臂微源數為N=4；C=4400 μF；fc=4kHz；L=0.03H；GM 的直流鏈電壓ud為160V；三 相 星 型 阻 性 負 載RA=RC=8Ω ，RB=16Ω。并采用CPS-SPWM（載波移相調制）來確保GM投入的數目為4。

圖8與圖9分別給出了采用輸出電壓控制策略后的系統線電壓及相電流波形。由圖可知，系統孤島模式下接不平衡負載時該策略能使三相輸出電壓對稱，為相間功率平衡控制打下基礎。

圖8 系統線電壓波形

圖9 系統相電流波形

首先，驗證環流控制策略的有效性，未加入控制策略時，時間范圍（t/s）和環流參考值（/A）如下。

表1 環流參考值

從圖10 中可以看出，相間環流跟隨其給定的參考值變化，證明了控制器的有效性。

圖10 相間環流波形

其次，驗證相間功率平衡控制策略的有效性。改變影響微源出力的因素來模擬微源相間功率不平衡，加入相間功率平衡控制策略對其進行控制。

圖11～14分別給出了系統三相負載功率、A、B、C 三相的GM 輸出功率、微源輸出功率的驗證波形。從圖11 可看出，系統三相負載功率分別為PLA=PLC=8.4kW、PLB=4.2kW。從圖12～圖14可看出，各相的GM 輸出總功率隨微源總出力變化而變化。分析可知：在0s～1.0s時間段內，A、B、C 三相GM 總出力分別為9.2kW、3.6kW、8.2kW，通過相間功率交換，A 相總出力上升，B 相與C 相總出力下降，功率由A 相傳輸至B 和C 兩相；在1.0s～2.0s 時間段內，C 相總出力上升，A 相與B 相總出力下降，通過控制策略使功率由C 相傳輸至A 和B 兩相；在2.0s～3.0s時間段內，B 相總出力上升，A 相與C 相總出力下降，功率由B 相傳輸至A 和C 兩相。因此，實現了相與相之間的功率交換，達到了相間功率平衡控制的目的。

圖11 三相負載功率波形

圖12 A相GM及微源輸出功率波形

圖13 B相GM及微源輸出功率波形

圖14 C相GM及微源輸出功率波形

6 結語

針對孤島模式下MMC-MG 系統，由于微源出力具有間歇性和隨機性，并且微源根據MMC 結構串聯而成這一特點，使系統相間功率不平衡問題嚴重。為此，文中在負載不平衡條件下，首先研究了基于DSC算法的輸出電壓控制策略，保證了系統孤島模式下輸出三相對稱電壓。在此基礎上，提出了一種基于有功功率修正的相間功率平衡控制策略。以微源功率與負載功率之差作為根據，計算出每相需要修正的功率，進而得到直流環流參考值。最后利用對直流環流的控制來促使相間功率流動。仿真驗證了其控制策略能夠很好地控制相間功率互濟，使相間功率得到動態自適應調節，提高了微源利用率和運行穩定性。