基于四桥臂逆变器的微电网不平衡负载补偿策略

2017-07-31李霄霄余向阳

电网与清洁能源 2017年5期

关键词：补偿器微网三相

李霄霄，余向阳

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

基于四桥臂逆变器的微电网不平衡负载补偿策略

李霄霄，余向阳

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

微电网中存在大量非线性及不平衡负载，因而系统电压不平衡度、总谐波畸变率不断增大对微电网电能质量产生了严重影响。文中提出了一种基于三相四桥臂逆变器的负载不平衡补偿器，采用电压电流双闭环控制策略进行不平衡电流的补偿，提高独立微电网的电能质量。在PSCAD/EMTDC中搭建了含分布式电源的试验仿真模型，验证其有效性，包括光伏发电系统、柴油机发电系统、电池蓄能系统。通过带不平衡负载，研究了带有LUC微电网模型的功率潮流和系统稳定性。仿真结果表明，所提出的LUC有助于提高微电网的稳定性。所提出的基于三相四桥臂VSI的LUC及其控制算法可以充分应用到带有严重不平衡载荷的独立微电网中。

微电网；分布式电源；电能质量；三相四桥臂逆变器；负载不平衡补偿器

近年来，电力系统面临着诸多问题，如复杂性增加和由分布式电源所引起的一些保护的变化。为了解决这些问题，微电网概念被引入，其被定义为一个分布式电源群集。分布式电源主要有光伏发电装置、柴油发电机、微型燃气轮机和风力发电机等，与储能设备（蓄电池、飞轮等）共同组成独立可控的微型电网（简称微网），向本地负荷高质量、不间断地供电[1-5]。

三相电压的平衡情况是衡量电能质量的一个很重要的指标，而用户侧的负载一般都具有随机性和不平衡性，在此种情况下，微网中电子设备很可能工作异常甚至损坏，在微网并网运行模式下还会影响配网的电能质量，而在孤岛运行模式下，由于失去了大电网支撑，微网内分布式电源容量相对较小，非线性不平衡负荷对微电网的影响将更加严重。因此，当微网中存在非线性或不平衡负载时，必须采用较优的控制策略，来消除非线性或不平衡负载对微网或配电网的影响，对此做了大量研究。采用静止同步补偿器、动态电压调节器等作为含非线性不平衡负荷在微网中的补偿设备，但都主要针对无功功率补偿并缺少对微电网特性的考虑[6-8]。文献[9-10]采用了一种直流补偿接口，该接口由一个串联逆变器和一个并联逆变器组成，能有效消除联络线上的负序电流。文献[11-13]采用了补偿电流算法，该算法基于瞬时功率理论在abc三相坐标系中进行补偿电流计算，DGs工作于补偿模式下按给定的功率值进行触发控制，但是没有考虑电压谐波对补偿性能的影响。

本文提出了一种基于三相四桥臂逆变器的新型负载不平衡补偿器（LUC），其与柴油发电机并联，应用于微网中，主要进行不平衡电流的补偿，不仅针对无功功率进行补偿，同时也考虑了有功功率，优势明显。在不平衡微电网中，由于三相三线制DGs无法注入不平衡电流，负载的不平衡电流通常由柴油发电机提供，因此，在不平衡条件下，该补偿系统直接补偿柴油发电机的不平衡电流。为了验证该系统的有效性，在PSCAD／EMTDC中搭建了微电网模型，主要包括光伏发电系统、柴油发电机、电池储能系统（BESS）、基于三相四桥臂逆变器的LUC。

1 微网系统结构

本文所研究的微电网结构如图1所示，采用主从控制，其中储能电池为主控单元。光伏阵列经过升压、逆变电路接入交流母线2上；储能电池通过逆变器配置在光伏阵列出口处，用于平抑其并网功率，并在孤岛运行时给定电压和频率参考值，吸收或供给差额功率，维持整个系统的功率平衡。柴油机发电系统的控制系统主要由转速控制系统和励磁控制系统两部分构成，两者分别用于控制柴油机发电系统的发电频率与电压。LUC并联在柴油发电机出口处，补偿所产生的不平衡电流。微电网处于并网运行状态时，所有分布式电源均采用PQ控制；转入孤岛模式后，柴油机发电系统采用恒频率恒电压的控制策略（即转速控制和励磁控制），为微电网提供电压和频率的支撑，并维持微电网的稳定性。

图1 微网结构Fig.1 Schematic of the microgrid

2 负载不平衡补偿器

基于三相四桥臂VSI的负载不平衡补偿器（LUC）的结构如图2所示，包括直流电容、四桥臂逆变器和LC滤波器，其输出端连接至微电网，主要对不平衡负载产生的不平衡电流进行补偿。LUC的运行结构主要由3部分组成，即电流参考值的的控制算法、电流控制器和PWM控制。

图2 LUC控制结构图Fig.2 Three-phase four-leg inverter for the unbalance compensator

2.1 LUC电流参考值的控制算法

采用该算法的目的是，控制直流母线电压，得到电流参考矢量值以补偿不平衡负载。如图3所示为其外环控制回路，得到了参考电流矢量id_ref、iq_ref、i0_ref。微电网各相电流img_a、img_b、img_c通过Park变换转化为dq-0旋转坐标系下的img_d、img_q、img_0。

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

根据PQ理论[14]，三相四线制的不平衡分量在dq-0坐标系下含有交流分量，如下：

因此，不平衡分量iud_d_ref、iud_q_ref通过低通滤波器（LPF）得到，如图3所示。该滤波器采用一阶传递函数，截止频率为10 Hz。直流母线电压由q轴电流iq_dc调节，并将无功功率控制为零[14]。因此，参考电流如下：

式中，dlpf_d和ilpf_q分别是img_d和img_q通过LPF后的输出量。

2.2 电流控制器

电流控制器的目的是实现对逆变器输出电流的无差跟踪，并使其暂态变化过程很短从而输出相对平滑[15]。图4所示为静止同步坐标系下的电流控制器的控制框图。其中电压相位角θ由锁相环得到，同时考虑到电网和电感电压，增加前馈回路用于改善稳态和动态性能。由图中可以看出，控制器输出dq-0旋转坐标系下的参考电压信号Vd_ref、Vq_ref、Vo_ref，并通过Park反变换转换成同步坐标系下的参考量。

图4 LUC电流控制器Fig.4 Current controller of the proposed unbalance compensator

本文通过PWM波来控制IGBT的开通和关断状态，其中以三角波为载波。各极电压和偏移电压如图5所示。

图5 四桥臂逆变器PWM调制图Fig.5 PWM scheme for the three-phase four-leg inverter

四桥臂IGBT各极电压计算如下：

式中，Vaf、Vbf和Vcf分别是各相的参考电压值；Vfn是偏移电压，计算式如下：

3 算例仿真与分析

为验证本文所提出的基于三相四桥臂VSI的LUC的可行性，在PSCAD／EMTDC中建立如图1所示的微网模型。蓄电池最大输出功率为250 kW，光伏最大输出功率为150 kW，柴油发电机最大输出功率为450 kW。大电网电压为10 kV，母线电压380 V，频率为50 Hz。

光伏微源参数：直流侧电压560 V，输出电容为5 000 μF；DC-DC电路中电感为1 mH，电容为8 000 μF；交流侧LC滤波电感为8 mH，电容为20 μF，并且设置滤波电阻为0.001 Ω，以防止发生谐振。

储能电池参数：直流侧电压800 V；DC-DC电路中电感为1 mH，电容为6 500 μF；交流侧LC滤波电感为8 mH，电容为20 μF，并且设置滤波电阻为0.001 Ω，以防止发生谐振。

LUC模型参数如下：直流侧线路电容Cdc_link=5 000 μF；DC-DC电路中电感为5 mH，电容为60 000 μF；滤波电感Lgrid=2.8 mH，电容Cgrid=6 μF。

算例仿真分析如下：

1）0～2 s，微电网与大电网相连，处于并网模式。1 s时接入不平衡负荷，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大约为240 kW，如图6所示。

图6 负荷有功功率变化Fig.6 Active power of load

2）t=2 s时，从并网切换至孤岛运行模式。孤岛模式下加入柴油发电机，与蓄电池共同对微电网中所有负荷供电。与大电网断开后，微电网中DGs输出功率均出现了变化。并网时，负荷从大电网吸收部分功率，如图7所示，因此，在断开后，DGs输出的功率相应增加，如图8所示为DGs的有功功率输出。其中补偿器三相功率如图9所示。柴油发电机提供不平衡负载电流，如图11（a）所示，三相电流不平衡，电流总谐波畸变率为5.6%，超出了“电能质量——公用电网谐波GB/T145491993”规定的电流总谐波畸变率的限值。

3）t=3 s时，负载不平衡补偿器加入，经过短暂暂态波动后，输出电流稳定并保持三相平衡，电流总谐波畸变率变为1.02%，满足电能质量要求，如图10（b）所示，实现对微网中负荷高质量的持续供电。图10（a）和图10（b）对比表明了本文建模方法和控制策略在改善微电网负载不平衡上的有效性和准确性。

图7 大电网与微网间有功功率传输Fig.7 active power between grids

图8 DGs的有功功率输出Fig.8 Active power of DGs

4 结论

本文基于电流补偿理论，通过建立基于三相四桥臂VSI的LUC对孤岛运行模式下微网的三相不平衡负载进行补偿。补偿器采用双环控制理论通过三相四桥臂VSI直接补偿负载的不平衡电流，控制算法包括直流母线电压控制器、电流控制器以及PWM调制策略。该补偿器及微网模型使用PSCAD/EMTDC搭建，进行仿真分析。仿真结果证明所提出的基于三相四桥臂VSI的LUC的有效性，提高了孤岛微网不平衡负载条件下的稳定性。

图9 LUC三相有功功率输出Fig.9 Each phase output power of the LUC

图10 输出电流Fig.10 Output current

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（编辑李沈）

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