基于V/f控制模式的独立微电网变流器研究

张 闯,赵志刚

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

基于V/f控制模式的独立微电网变流器研究

张 闯,赵志刚

(沈阳工程学院 电力学院，辽宁 沈阳 110136)

针对变流器控制参数的设计问题，基于V/f控制模式提出了基于极点配置的独立微电网变流器控制参数设计方法。首先，介绍了微电网的典型结构，分析并比较了微电网变流器三种控制模式的优缺点；其次，提出和建立了基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制框图及数学模型，并基于极点配置法给出了基于V/f控制模式PI参数设计过程；最后，采用Matlab/Simulink仿真平台进行了基于V/f控制模式的独立微电网变流器的仿真验证，仿真结果表明，基于极点配置法在独立微电网变流器控制参数设计过程中的有效性，该研究为微电网变流器控制参数的设计提供参考。

独立微电网；V/f控制模式；极点配电；仿真验证

随着我国经济体制改革的不断深入及工业化进程的不断加快，我国工业用电及居民用电量剧增[1]。传统的石油、煤炭等化石能源受自身储存量限制及燃烧发电过程中所带来的污染等问题成为制约建设环境友好型社会的因素。因此，大力开发清洁环保可再生的新能源成为解决能源短缺及环境问题的有效途径[2]。风能、太阳能等可再生能源具有环保、友好等特点，因此大力开发风能、太阳能等可再生能源微电网发电技术是未来我国电力能源发展的一大主流趋势。在风能、太阳能等微电网并/离网发电技术中，变流器控制技术是影响分布式电源并/离网稳定运行的关键，因此开展分布式电源变流器控制技术的研究对促进风能、太阳能等可再生能源发电的进一步发展具有重要意义。

近年来，有关分布式电源变流器控制的研究已经逐步展开。文献[3-4]对微电网的运行控制方式进行了研究，分别介绍了PQ控制、V/f控制以及下垂控制原理，并对由PQ控制和V/f控制组成的微电网主从控制进行建模和仿真；文献[5-7]对微电网下垂控制进行研究，提出了基于虚拟阻抗的微电网下垂控制策略，并通过仿真验证了所提出策略的有效性；文献[8-10]对风光储微网系统孤岛运行控制策略进行研究，其中储能逆变器采用V/f控制策略，风力发电系统和光伏发电系统采用最大功率跟踪输出的PQ控制策略，通过对不同运行工况进行仿真实验，验证了所提出的控制策略的有效性。上述文献都是以变流器的几种控制模式为基础，进行可再生能源的仿真，但是有关几种控制模式内部的双环参数设计等问题并未详细介绍。该研究以V/f控制模式的独立微电网变流器为研究对象，详细介绍基于V/f控制模式的变流器的参数设计过程，可为变流器的参数设计提供算法指导。

1 微电网典型结构

与传统大电网结构相比，微电网具有灵活、结构简单、清洁可靠等优点。世界上建成的首个微电网典型结构如图1所示。

图1 微电网典型结构

微电网典型结构中有三条馈线A、B、C，微电网中的分布式电源和负荷都连接在A、B、C三条馈线上。微电网通过公共连接点(PCC)及隔离开关实现与外部电网连接的通断。在微电网典型结构中，微电网负荷可以分为4类，即：敏感负荷、可调节负荷、非敏感负荷以及热负荷。其中，敏感负荷和热负荷连接在馈线A上，可调节负荷连接在馈线B上，非敏感负荷连接在馈线C上。外部电网发生故障时，微电网通过隔离开关实现与外部电网的断开从而实现孤岛运行，通过采用合适的变流器控制模式及切除非敏感负荷可实现微电网的孤立稳定运行。因此，在独立微电网的运行过程中，进行变流器控制模式的研究对于维持微电网的孤岛运行具有重要意义。

2 独立微电网变流器控制模式

独立微电网变流器控制模式选择的合理性是决定独立微电网系统能否实现孤岛稳定运行的关键。逆变器作为可再生能源发电并向负载或大电网传输能量的关键装置，其变流器控制模式的选择将严重影响分布式电源发电的电能质量。在微电网控制中，普遍用的微电网变流器控制模式包括恒功率控制(PQ控制)、恒压恒频V/f控制和下垂控制三种模式。根据应用场合及三种模式自身的不同特性可知，三种控制模式各有自己的优缺点和适应范围。不同控制模式的比较结果如表1所示。

表1 不同控制模式比较

PQ控制模式表现为电流源特性，可应用于微电网并网模式或者与V/f或下垂控制模式相结合应用于孤岛模式；V/f控制模式表现为电压源特性，可维持独立微电网电压和频率的稳定，可应用于微电网孤岛运行模式；下垂控制表现为电压源特性，适用于微电网并网或者孤岛运行模式。针对独立微电网的研究，以V/f控制模式为研究对象，进行独立微电网变流器的参数设计过程的介绍。

3 V/f控制模式的独立微电网变流器参数设计

基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制框图如图2所示。为后续研究方便，分布式电源等效为恒压源。基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制过程如下：通过采集变流器输出的经过LC滤波装置得到的三相电压和三相电流，将采集的三相电压和三相电流经过Park变换得到相对应的dq直流分量；考虑补偿环节，将dq直流参考分量与相应的直流分量做差比较并进行电压外环PI及电流内环PI控制得到调制信号，最后将得到的调制信号经过Park反变换及PWM脉冲调制模块得到控制三相全桥变流器导通和关断的六脉波信号，实现微电网变流器导通和关断的控制[11]。

图2 基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制框图

3.1 基于V/f控制策略数学模型

如图2，交流侧LC滤波电路数学模型表达式如下所示：

(1)

(2)

交流侧LC滤波电路在dq轴下的数学模型为

(3)

(4)

式中，Vabc、Iabc分别表示经过LC滤波装置采集得到的三相电压和三相电流；I0abc表示经过LC滤波后流过负载的三相电流；Vd、Vq、id、iq、i0d、i0q分别表示三相电压和三相电流经过Park变换后得到的dq轴分量；Cf、Lf分别表示滤波电容和滤波电感。

经过Park变换得到的三相电压和三相电流的dq轴直流分量之后，需要将得到的电压和电流dq轴直流分量进行电压外环和电流内环控制过程，基于V/f控制模式的电压外环和电流内环控制的数学模型为

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

3.2 V/f控制模式PI参数设计过程

将图2中的电压外环和电流内环控制经过拉普拉斯变换，经化简可得到基于V/f控制模式的电压外环和电流内环控制框图如图3所示。

图3 基于V/f控制模式的电压外环和电流内环控制框图

电压外环采用比例-积分控制，电流内环采用比例环节，则经过电压外环得到的电流内环的输入量参考值为In-ref，则输出量iCn的表达式为

(13)

外环输入量为Vn-ref，输出量为Un，则外环的表达式为

(14)

将式(14)带入式(13)并进行化简可得到输出变量Un与输入变量之间的函数表达式为

(15)

令：

则公式(15)可化简为

Un=Gn(S)Vn-ref-Z(S)ion

(16)

由于采用比例-积分环节，电压外环和电流内环控制属于非线性控制，为实现电压外环和电流内环比例-积分环节参数的设置，通常可采用现代控制理论中的极点配置法进行电压外环和电流内环比例-积分环节参数的设置。由式(13)可知，电压外环和电流内环进行极点配置时的传递函数表达式为

(17)

由理论及计算可知，三阶系统的极点分布表达式为

(18)

式中，S1,2作为系统的主导极点，对系统的稳定性影响很大；S3作为系统的非主导极点，对系统的影响较小。

电压外环和电流内环三阶系统的表达式为

(19)

令D(S)=Dr(S)可得：

(20)

经化简可得到：

(21)

4 仿真分析

按照图2的基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制框图及V/f控制模式PI参数设计过程，在Matlab/Simulink仿真平台中搭建基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制模型。通过V/f控制模式PI参数设计过程计算出电压外环和电流内环比例-积分环节的控制参数。基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制参数如表2所示。仿真时间取2.0 s，独立微电网系统有功功率为70 kW，无功功率为0 kVar，基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制系统仿真结果如图4所示。

表2 基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制参数

图4 基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制系统仿真结果

如图4所示，独立微电网变流器控制系统负载侧有功功率为70 kW，无功功率为0 kVar，负载侧频率稳定在49.8～50.2 Hz之间，三相电压波形及幅值满足负载需求。从仿真图4可以分析出，V/f控制模式能够实现独立微电网的电压和频率的稳定，从侧面证明了所提出的基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制框图及V/f控制模式PI参数设计过程在变流器控制参数设计过程中的有效性。

5 结 论

基于V/f控制模式提出了基于极点配置的独立微电网变流器控制参数设计方法。首先，介绍了微电网的典型结构，分析并比较了微电网变流器三种控制模式的优缺点；其次，提出和建立了基于V/f控制模式的独立微电网变流器控制框图及数学模型，并基于极点配置法给出了基于V/f控制模式PI参数设计过程；最后，运用Matlab/Simulink仿真平台进行了基于V/f控制模式的独立微电网变流器的仿真验证，仿真结果表明，基于极点配置法在独立微电网变流器控制参数设计过程中的有效性，为微电网变流器控制参数的设计提供参考。

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IndependentMicrogridConverterResearchBasedonV/fControlMode

ZHANGChuang,ZHAOZhi-gang

(SchoolofElectricPowerEngineering,ShenyangInstituteofEngineering,Shenyang110136,LiaoningProvince)

For the design of converter control parameters,the control parameters design of independent microgrid converter based on pole assignment is proposed on the basis of V/f control model. First of all,the typical structure of microgrid is introduced,and the advantages and disadvantages of three control modes of microgrid are analyzed and compared. Secondly,the control block diagram and mathematical model of the independent microgrid converter based on V/f control mode are proposed and established. Based on the pole assignment method,the design process of the PI parameter based on the V/f control mode is given. Finally,based on the Matlab/Simulink simulation platform,the simulation of the independent microgrid converter based on V/f control mode is carried out. The simulation results show that the proposed method is effective in the design of control parameters of an independent microgrid converter,which is provided a reference for the design of control parameters of micro grid converter.

Independent microgrid;V/f control model;pole distribution;simulation verification

TM743

A

1673-1603(2017)04-0347-06

(责任编辑魏静敏校对张凯)

2017-06-29

张 闯(1991-)，男，辽宁铁岭人，硕士研究生。

赵志刚(1961-)，男，吉林长春人，高级工程师，硕士生导师，主要从事电力系统自动化、微电网及新能源发电方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.04.010