基于智能微网PCS系统功率不平衡补偿研究

雷敏

(中国船舶重工集团第七一○研究所，湖北 宜昌 443002)

基于智能微网PCS系统功率不平衡补偿研究

雷敏

(中国船舶重工集团第七一○研究所，湖北 宜昌 443002)

三相负载不平衡对微网并网具有许多不利影响。本文选取了智能微电网作为研究平台，引入了PCS的双同步旋转系的矢量计算方法，将电流矢量分解成正序和负序的d、q四个矢量，经过4个PI控制器进行无差控制，最后在MATLAB软件仿真中，利用这种方法在三相对称或不对称电压下，载入不平衡负载的3种情况想进行仿真，实验的结果一致表明：PCS的引入的确能够对三相不平衡之后的功率控制具有优化平衡的作用。

智能微网;dq矢量;三相不平衡

1 引言

近年来传统的大电网在能源利用、环境保护等方面临了巨大的挑战，而且也不得不面对人们用电量逐年大幅度递增，因此电力系统的规模变得越来越大，带来的问题就是运行的难度越来越大，运行成本越来越昂贵。有光伏、风能、火电机组、储能电池多种能源组成分布式发电能源组成的微电网系统在能源的使用效率、改善电网稳定运行，节能减排等方面具有明显的优势。但是风能、光伏发电具有间歇性和波动性等特点，如果直接并网，会对电网的频率和电压的波形产生影响，为了解决这个问题，人们就选用在微网发电中引入蓄电池组，蓄电池组能够暂存光伏和风能产生的能量[1-2]。但是实际运行的微电网的容量受到各种因素的影响，不可能将功率做的很大，当微电网和电网并网的时候，如果出现三相功率不平衡，那么微电网系统受的影响会更加严重。因此怎样的优化三相负载不平衡具有重要意义。

2 基于PCS三相电路的拓扑结构及不平衡系统的设计

2.1 系统不平衡的概述

不平衡系统是相对平衡系统而言的，系统平衡主要是表现在三相的电压幅值相等且相序相差120度。在实际的配电系统中完全平衡几乎是不可能的。三相负载不平衡时，当某一相的负载消耗远大于其他相的时候，那么这一相的电压会降低，从而三相系统不平衡就出现了。三相负载的不平衡主要来源是一方面单个用户的负载增加的容量不可控，另一方面主要是单相负载工作时间的不确定性，对于智能微电网的原因还可能来自于光伏发电系统不平衡。系统不平衡造成的危害主要表现在：(1)降低了配电变压器的可利用率。配电变压器的单相的最大功率一般都是考虑单相最大负载功率来设计的，因此另外两相的负载功率明显会出现剩余容量，所以变压器的可利用率下降。(2)缩短变压器的正常使用寿命。对于三相四线的变压器，当出现负载不平衡的时候，零线中将有电流流过，电流产生磁通，造成电能的损耗，温度也会升高，影响内部绝缘老化。(3)造成变压器的中性点偏移。三相负载不平衡会产生零序电动势。供电电压就不平衡，因此中性点会偏移[3]。

2.2 PCS三相电路的拓扑结构

图1 PCS三相电路拓扑结构

实际上PCS实际上就是储能变流器，可以把它理解为一个能量可以在直流和交流侧双向流动的AC/DC变换器，在微电网系统中它可以实现无功功率补偿，抑制电网功率不平衡，削峰填谷的功能[4]。图1是本文研究的PCS三相电路的拓扑结构图，为电网侧三相电，为直流侧电容的电压，和分别是交流侧滤波电容和直流侧的母线电容。分别为桥臂电流，电网电流和电容电流。

2.3 PCS补偿电网功率不平衡理论分析

为了更加好的叙述PCS在不平衡系统中的作用，我们以现实生活中的电力系统中负载不平衡现象作用研究对象，然后对其进行等效简化，可以得到如图2的等效示意图。

如果没有PCS系统的存在，通过分析可得电网的电流值此时是恒等于负载侧的电流值的，所以电网容易出现不平衡现象。为了简化模型，假设电网三相等效阻抗都是相等，所以电网端口的输出电压理论幅值应该就是相同，由于在不同的路径传输，它们的电流是存在差异的，所以负载并网点的电压就很容易出现不平衡的。

图2 PCS 补偿电网不平衡等效示意图

当PCS接入系统时，其等效示意图如图2所示，相对B相和C相，A相的负载较小，能量平衡的关系可以得到PCS就会从A相电网吸收能量；说明电网C相负载较大，为了满足电网输出功率的平衡，相当于C相电网和PCS一起给负载提供能量。还有一种情况就是电网侧某相的功率和对应相负载的功率是相等的，例如图2中的B相，因此对于PCS而言，实际上就没有功率的传入和传出了，这个时候对于PCS而言得到的一个好处就是直流侧的有功损耗几乎为零，可以很好的节约直流储能器件的。

通过上面的分析，其实实现不平衡补偿的关键就是利用PCS作为一个缓冲装置，通过PCS和电网一起来对负载供电，让PCS抵消电网用功功率和无功功率，然后根据实际系统的需要，通过对正序有功电流进行给定，就可以在负载侧得到需要的有功功率。因此接下来本系统的仿真实验关键就是仿真研究PCS如何完全抵消电网的功率。

3 电网不平衡的PCS建模

3.1 三相系统不平衡PCS的数学模型

本文研究的PCS系统见图1，它表示的是一个三相三线制的系统，所以零序分量在系统中没有回路，因此系统中的电流矢量可以下式表示：

I=IP+IN

(1)

在式(1)中的P表示的电流的正序分量，N表示的电流的负序分量。如果系统中存在三相不平衡的PCS的交流侧的输入端的模型可以有公式(2)描述：

(2)

不平衡时，PCS的直流输入端建立的模型如式(3)所示：

(3)

根据上面的分析，PCS在不平衡系统中正常工作的关键就是必须要对正序和负序相关量进行分离，然后在分别的控制，然后在进行叠加。

3.2 基于交叉解耦正负序分离技术

在同步旋转坐标系下，当正序分量和负序分量同时按电网电皮的角速度进行同步旋转，那么正序分量将会变成直流分量，而此时的负序分量则会变成2次谐波分量。可以推出的表达式：

(4)

式中的和表示正序和负序的相角。可以表示为：

φN=φN-wt

(5)

所以可以得到的表达式为：

(6)

根据上面的分析可以同理得到：

(7)

(8)

根据上式的结果进行正负序交叉解耦的网络如图3所示。

其中解耦网络的公式如下所示：

(9)

通过上面的操作后，网络中还有少许的2次谐波的残余，进一步优化，选择LPF低通滤波器进行滤波。由于滤波器的接入对信号的快速性和实时性有一定影响，所以本设计的控制信号选择滤波前的信号。

图3 正负序交叉解耦的网络

4 PCS控制策略

通过上面的第3节理论分析，任意一个矢量可以在不平衡状态下可以进行正负序的解耦，因此在PCS在电网在并网运行的模式下给定的电流矢量可以分解成4个部分：有功正序电流分量；有功负序电流分量；无功正序电流分量；无功负序电流分量。同理，将反馈的电流值也做上面同样的处理，得到相应的4个分量。将二者经过4个PI调节器进行无静差控制，从而保证准确快速的跟随。为了验证当电网电压出现幅值不平衡的时候系统也能够正常工作。同样将不平衡的电压也分解成四个分量，作为电圧环的给定，该控制系统如图4所示[5]。

图4 电网不平衡PCS控制的系统图

5 PCS在功率不平衡系统的仿真分析

为了进一步验证本文叙述的方法是正确且可行的，本文选择在MATLAB的Simulink环境下对上面的系统进行了仿真验证，通过示波器观测电网侧的电压波形，电网侧的电流波形以及负载侧的电流波形加以验证说明，该仿真实验一个做了3组，分别仿真了电网电压平衡且负载平衡，电网电压平衡负载不平衡，电网电压不平衡且负载不平衡三种情况[6]。

5.1 电网电压和负载都是平衡的仿真结果

在这一组实验中，我们设置三相的负载值为相同值。根据2.3节的分析，这个时候实际上模拟的就是微电网孤岛运行的模式，此时PCS输出的功率来抵消电网的功率，使电网出的功率为零，实际上负载消耗的功率是来自储能设备。

图5 电网电压和负载都是平衡时电网三相电压波形图

图6 电网电压和负载都是平衡负载电流图

图5表示的电网侧的电压波形，图6表示的是三相负载的电流波形。此时的PCS的输出电流和负载电流基本保持一致的，以此电网侧的电流应该是几乎为零的，从图7中是仿真系统中测得的电网侧电流，有波形图可以得到实际上此时电网侧的电流几乎为零，和理论分析是一致。

图7 电网电压和负载都是平衡时电网的三相电流波形图

5.2 电网三相电压平衡负载三相不平衡仿真结果

在第二组实验中，此时设置三相负载各不相同,设置B相、A相、C相负载依次减小，此时PCS输出的功率还是抵消电网的功率，所以理论分析电网侧的功率应该也是为0的。图8和图9表示的是电网三相电压平衡负载三相不平衡时电网三相平衡电压波形图和不平衡负载电流波形图。图10电网三相电压平衡负载三相不平衡时电网三相电流波形图，从图上可以看出此时电网电流同样几乎为零。

图8 电网三相电压平衡负载三相不平衡时电网三相平衡电压波形图

图9 电网三相电压平衡负载三相不平衡时负载电流波形图

图10 电网三相电压平衡负载三相不平衡时电网三相电流波形图

5.3 电网电压不平衡且负载三相不平衡仿真结果

第三组实验设置电网电压不平衡，且负载不平衡，由于此时电网电压也是不平衡的，因此要将电网采样电压矢量在双同步旋转坐标系进行交叉解耦的结果作为电压环的给定，如此同时，电流也进行解耦和无静差调节控制，保证电流输出的精确性。如图11和图12分别表示的电网电压不平衡且负载三相不平衡时电网三相不平衡电压波形图和三相负载电流波形图，图13表示的电网电压不平衡且负载三相不平衡时电网三相电流波形图。从图上可以看出，此时电网电流仍然几乎为零，再次证明了PCS在不平衡系统中的控制是精确的、可实施的。

图11 电网电压不平衡且负载三相不平衡时电网三相不平衡电压波形图

图12 电网电压不平衡且负载三相不平衡时三相负载电流波形图

图13 电网电压不平衡且负载三相不平衡时电网三相电流波形图

6 总结

智能微网越来越成为一个新的研究热点，容量小的特点使它在并网的时候，电网三相功率不平衡对其影响比较严重。本文选取智能电网中PCS作为研究的切入点，总结了微网系统中出现系统三相不平衡的主要原因，描述了三相负载不平衡带来的危害。然后提出了PCS在基于双向同步旋转坐标系的矢量计算方法。将一个电流或电压矢量分解成正负序的dq四个分量，进而对负序的不平衡分量单独进行无差控制。仿真结果表明了这种矢量分解的正确性以及实用性，其次PCS系统的接入可以使三相电压平衡或不平衡的电网，在加入不平衡负载之后功率变得平衡了，显现出了PCS在不平衡系统中的作用。

[1] 苏玲，张建华，王利.微网相关问题及技术研究[J].电力系统保护与控制，2010,38(19):235-239.

[2] 鲁宗相，王彩霞，巧勇.微电网研究综述[J].电为系统自动化，2007,31(19):100-107.

[3] 陈志强，刘宏伟，胡桂霞，杨森.浅谈三相负载不平衡的危害及对策[J].内蒙古石油化工,2012,(4):70-71.

[4] 孙栩,孔力.新型高压直流输电系统接入三相不平衡电网分析[J].电力自动化设备，2008,(5):47-51.

[5] 田崇翼,李珂,张承慧，等.基于切换模型的双向AC-DC变换器控制策略[J].电工技术学报，2015,(16)：70-76.

[6] 朱信捷.基于PCS智能微电网系统关键技术研究与应用[D].安徽大学,2015.

Research on Unbalance Compensatin of PCS System Power Based on Smart Microgrid

LEI Min

(China Shipbuilding Industry Corporation 710 Research Institute,Yichang 443002,China)

Unbalanced three-phase load has many adverse effects on micro grid connected to grid.This paper selects the smart micro grid as a research platform,the introduction of the PCs double synchronous rotating reference frame vector calculation method and the current vector is decomposed into positive sequence and negative sequence D and Q four vector,after four PI controller without difference control.Finally,in the MATLAB software simulation using this method in three-phase symmetric or asymmetric voltage and load unbalanced load of the three kinds of situations to simulation and experimental results consistently show that:PCS introduced can indeed power control of three-phase imbalance is the balance optimization.

smart microgrid;vector DQ;three phase unbalance

1004-289X(2017)01-0031-05

TM71

B

2016-08-05

雷敏(1981-)，男，湖北天门人，研究生，研究方向为船舶与海洋结构物设计制造。