单/三相混合微电网中虚拟组合式三相变流器功率协调控制

于明总, 唐　芬,2, 吴学智,2, 熊维富

(1. 北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心, 北京市 100044; 2. 北京电动车辆协同创新中心, 北京市 100044)

0　引言

近年来,包含储能设备的微电网系统在分布式发电接入方面显现出较大优势,其既可作为可控的发/用电单元并网运行,又可在电网故障或异常等情况下与外部配电网断开,孤岛自治运行,被视为利用分布式能源的最佳途径。实际的微电网系统通常为三相和单相混合存在的系统[1-2],既有单相分布式电源如小功率单相光伏电源、户用单相光储电源和单相负载,又有集中的三相发电源和三相负载。当单/三相混合微电网孤岛运行时,大量单相电源和负载的分配不均,易引起三相电压的不平衡[3-6]。为解决电压不平衡问题,通常采用三相四线制变流器拓扑为不平衡电流提供通路,如带△/Yn变压器的三桥臂拓扑,但工频变压器增加了重量与体积;分裂电容式拓扑省去了变压器,但直流电压利用率低,且需要电容均压;三相四桥臂拓扑需增加一个桥臂为零序电流提供通路[7]。

单相光储和单相储能单元接入微电网系统时,常需通过单相变流器进行功率变换和控制。因此,可以从整个微电网系统角度出发,将分别接入三相的独立单相变流器组合控制形成虚拟组合式三相变流器,实现整个系统同相并联单元间以及三相间功率的合理分配和控制,从而改善供电质量。有别于传统的组合式变流器,虚拟组合式三相变流器主要利用现有单相光储和单相储能单元接入微电网系统时的单相变流器,通过其控制策略调整,使分别接入三相交流母线的单相变流器组合控制,与电网进行能量交换或供给单/三相交流负载。其硬件组成成分根据现有单相变流器是否参与组合控制而自动进行重组或解列,因此在结构灵活、系统扩容、提高供电质量以及增强系统的安全可靠性方面具有较大优势。

与组合式三相变流器控制类似,虚拟组合式三相变流器控制难点在于相间同步控制。文献[8]通过在三相变流器之间采用传输相位触发信号和时钟信号的通信线来保证相位的对称,但由于通信线较长,信号干扰严重,致使相位相差较大。文献[9]提出通过附加模拟锁相环芯片及分频电路解调出同步方波信号和时钟信号来实现相位同步,但过零鉴相精度较低且易受频率变化影响,相差精度也依赖于时钟信号。文献[10]提出了一种正弦脉宽相位调制(SPWPM)控制方案,通过分别对各相参考正弦波的脉宽和相位进行调制来解决对称性问题,但仍依赖于时钟信号的通信线来保证相位对称,控制也相对复杂。

以上相间同步控制均需借助于通信线或附加模拟芯片来传输同步信号,存在信号干扰和可靠性低等问题。微电网孤岛运行时,微电网变流器通常需采用电压控制模式,担当系统组网角色,提供微电网电压支撑和内部供需平衡。当多台变流器并联时,还需能够实现多台间功率的合理分担[11]。为了解决相位同步和多台间功率合理分配问题,提出虚拟组合式三相变流器的功率协调控制策略。该控制策略通过基于虚拟三相瞬时功率的下垂和虚拟阻抗控制实现同相并联单元按照设定比例进行功率分配;通过新型120°鉴相器和基于锁相环原理的相位跟踪技术实现相间同步控制。最后,通过仿真及实验结果验证了该方案的正确性。

1　单/三相混合微电网系统及虚拟组合式三相变流器

典型的单/三相混合微电网系统如图1所示,是由单/三相分布式资源和单/三相本地负荷组成的电气上互联、控制上协调运行,具有自我控制、保护和管理功能的小型发配电系统。作为分布式资源与微电网母线接口的变流器的控制技术对整个系统的控制性能至关重要[12-13]。为提高单/三相混合微电网系统孤岛运行的供电质量,实现整个系统功率协调控制,提出了虚拟组合式三相变流器及其功率协调控制策略。通过现有单相变流器控制策略调整,将分别接入微电网三相交流母线的3台独立的单相变流器组合控制,与电网进行能量交换或供给单/三相交流负载。其功率协调控制关键在于:同相并联单元间功率的合理分配和控制;不同相间的同步控制和功率分配。

图1　单/三相混合微电网系统Fig.1　Single-phase/three-phase hybrid microgrid

2　基于虚拟三相瞬时功率的同相功率协调控制

根据戴维南等效原理,并联于x和N间的两台单相变流器可等效为单相电压源与输出阻抗串联的形式,如图2所示。图中:uxN和uxk分别为微电网x相母线电压及第k台变流器等效电压源空载电压;zs,xk为第k台变流器等效输出阻抗和线路阻抗之和;ixk为第k台变流器输出电流;zxN和ixN分别为x相负载阻抗及电流;k=1,2;x=A,B,C。

图2　并联于同一相的两台单相变流器戴维南等效电路图Fig.2　Thevenin equivalent circuit of two single-phase converters paralleled in the same phase

由图2可得,单相变流器输出功率为:

(1)

式中:δxk为uxk的功角;φxk为zs,xk的总阻抗角。

假设线路阻抗为感性(目前变流器常采用LCL滤波器,因网侧电感的存在,假设一般成立或者可通过虚拟阻抗的设计来保证),即φxk为90°时,式(1)可以简化为:

(2)

可见,有功功率主要与功角相关,无功功率主要与电压幅值差相关。借鉴传统三相系统下垂控制,采用P-ω和Q-U下垂控制来实现同相并联单元按照下垂曲线进行功率分配。单相系统相对于三相系统而言,瞬时功率存在二次脉动。基于三相系统的下垂控制思路,采用基于二阶广义积分器的正交信号发生器(second-order generalized integrator based quadrature signal generator,SOGI-QSG)[14]得到电压和电流的虚拟正交信号,计算虚拟三相瞬时功率,其为直流量较易处理,通过低通滤波器可直接送入下垂控制环,下垂控制方程为:

(3)

(4)

式中:下标数字表示并入x相的变流器编号。

可见,合理设置下垂系数,即可实现有功功率与无功功率的按需分配。稳态时,系统工作于同一角频率,故有功功率分配精度较高。然而由于线路压降,电压幅值略有差异,无功功率分配精度有待进一步提高。

变流器通过内环控制器实现对下垂控制器输出电压指令的跟踪,其内环控制器参数与戴维南电路等效电压源和等效输出阻抗zc,xk的关系为:

(5)

由图2可知,微电网母线电压为:

(6)

内环控制器的设计常使GV和zV在基波角频率点的值分别约为1和0。因此,式(6)可简化为:

(7)

式中:zL,xk为线路阻抗,不同变流器线路阻抗会有差异。

3　相间同步控制和电压补偿控制策略

孤岛运行时,采用电压控制模式的虚拟组合式三相变流器需能提供平衡的三相电压,即分别接入微电网三相母线的单相变流器需保持电压幅值相等,相位互差120°。与传统同步锁相不同,相间同步控制需实现非参考相对参考相超前或滞后120°信号的锁相,进而实现非参考相与参考相相位互差120°。为实现该目标,提出基于锁相环原理的相间同步控制,其由新型120°鉴相器、环路滤波器、压控振荡器等组成。同时,采用幅值同步控制进一步提高三相电压的平衡度。

3.1　新型120°鉴相器

新型120°鉴相器主要由120°信号发生器和矢量叉积两部分组成。120°信号发生器通过SOGI-QSG、坐标变换和相序调整来实现。分为+120°信号发生器和-120°信号发生器。单相变流器可以同时采集三相电压,以A相变流器为参考相,非参考相B相变流器将同时检测A相电压和B相电压,通过SOGI-QSG虚拟A相和B相的正交信号,形成uAα,uAβ和uBα,uBβ,由uAα,uAβ通过反Clarke坐标变换得到uAA,uAB,uAC,将三相相序调整为uAB,uAC,uAA,作为新的三相信号,经过Clarke坐标变换即可得到A相电压对应的+120°正交信号对,即B相电压的参考正交信号对uBrα和uBrβ,与uBα和uBβ进行矢量叉积得到相位偏差,形成B相变流器锁相环中的120°鉴相器。同样的,C相变流器120°鉴相器可以类似推导,区别是相序调整部分产生-120°正交信号对,如图3所示。

uBrα,uBrβ与uBα,uBβ电压矢量叉积按照右手定则方向上的投影如式(8)所示:

UB×UBr=UBrUBsin((ωBr-ωB)t+θBr-θB)=

UAUBsin((ωA-ωB)t+θA-120°-θB)=

-uBrαuBβ+uBrβuBα

(8)

图3　相间同步控制策略Fig.3　Interphase synchronous control strategy

3.2　环路滤波器和压控振荡器

3.3　幅值同步控制策略

3.4　电压补偿控制策略

为进一步提高电压质量,补偿因下垂和虚拟阻抗引起的电压幅值和频率跌落,对参考相(A相)采用电压补偿控制,其原理类似于相间同步控制,区别为同步参考值为给定值。如需并网运行时,参考值则为并网电压值,实现与电网电压的准同期同步控制[16]。电压补偿控制框图如附录B图B2所示,可使三相电压迅速跟踪指令值。

4　仿真及实验

4.1　仿真验证

为了验证所提控制策略的有效性,在MATLAB/Simulink中搭建了虚拟组合式变流器并联模型。主要参数为:直流侧电压为400 V,交流侧额定电压为220 V,频率下垂系数m=0.000 5 Hz/W,电压下垂系数n=0.031 1 V/Var,相间同步控制比例和积分参数分别为4.6和10.5,幅值同步控制比例和积分参数分别为5和48。单相变流器采用单相全桥拓扑。

附录C图C1给出了接入A相的两台单相变流器并联运行突加、突减负载时两台变流器的输出电流波形和电流差值波形,其中附录C图C1(a)中A相负载由400 W突加为800 W,附录C图C1(b)中A相负载由800 W负载突减为400 W。由图可见同相并联单元功率协调控制在稳态和动态情况下均能够很好地抑制环流,电流均分良好。

为验证所提的新型120°鉴相器的有效性,附录C图C2分别给出了新型120°鉴相器在两个输入信号X和Y发生相角突变和频率突变时的仿真波形。其中附录C图C2(a)给出了两个输入信号频率相等、相角差在0.5 s由120°突变为140°时的波形,可见,输入信号相角差为120°时,鉴相器输出约为0,表明输入信号相角差刚好为理论120°相角差值。当0.5 s突变为140°时,鉴相器输出在3 ms左右迅速变为0.35 rad/s,对应20°的相角差,表明X和Y间实际相角差与理论120°相角差之间的偏差为20°,与式(8)理论分析相符,可见,新型鉴相器能较好地反映输入信号间相角差与理论120°相角差之间的偏差,且具有较好的动稳态性能。附录C图C2(b)给出了两个输入信号相角差为120°、频率差在1 s由1 Hz突变为0时的波形,可见,鉴相器输出与式(8)相符,因为有归一化处理,鉴相器输出在±1之间呈1 Hz正弦变化,能较好地反映输入信号与理论120°相角差之间的偏差,且具有较好的动稳态效果。由式(8)可知,当偏差较小时,由sinθ≈θ,鉴相器的输出随输入信号实际相角差与理论120°相角差间的偏差线性变化,其与环路滤波器及压控振荡器共同作用,可实现非参考相对参考相滞后或超前120°信号的锁相,从而实现相间同步控制。

为进一步验证所提的新型鉴相器及相间同步控制、电压补偿控制的有效性,图4给出了50%负载不平衡时,开启相间同步控制前后的波形。仿真系统中,工况1为参考相空载(即A相空载);工况2为非参考相空载(即B相空载),负载工况和控制使能过程为:初始时刻,工况1和2均为平衡负载,即PA=PB=PC=806.7 W;t0=0.1 s时,工况1负载突变为参考相A相空载,即PA=0 W,PB=PC=806.7 W,工况2突变为非参考相B相空载,即PB=0 W,PA=PC=806.7 W;t1=0.4 s时,工况1和2均开启相间同步控制;t2=0.6 s时,开启电压补偿控制。

图4　相间同步控制和电压补偿控制仿真波形Fig.4　Simulation waveforms of interphase synchronous control and voltage compensation control

从非参考相B相和C相变流器新型120°鉴相器输出波形(见图4(a)和(b))与实际输出电压相角差(见图4(c)和(d))可见,鉴相器输出能时刻较好地反映实际相角差与理论120°相角差间的偏差,t1时刻开启相间同步控制后,鉴相器输出迅速变为0,表明参考相与非参考相间角度差达到理论值,图4(c)至(f)也显示实际三相电压相角差迅速稳定于120°,三相幅值迅速达到一致,t2时刻参考相开启电压补偿控制,可见,三相电压迅速恢复至指令值,表明了相间同步控制和电压补偿控制策略的有效性。

4.2　实验验证

为进一步验证所提控制策略的有效性,搭建小功率实验平台,实验采用的系统参数与仿真参数保持一致。

附录D图D1为接入A相的两台并联单相变流器分别由供给800 W负载突变为400 W负载和由供给400 W负载突变为800 W负载时的电流实验波形。由图可见,突变前后电流均分度较好,可以抑制同一相上的环流。

图5给出了50%不平衡负载时(非参考相B相空载),开启相间同步控制和电压补偿控制前后电压和电流的实验波形,其中图5(c)为采用日本KYORITSU公司KEW6315电能质量分析仪测得的实验波形,1 s更新一个点。实验中负载工况和控制使能过程为:初始时刻为50%不平衡负载,B相空载,即PB=0,PA=PC=806.7 W;T0时刻开启相间同步控制;T1时刻开启电压补偿控制。可见,相间同步控制使能后,三相电压相角差迅速稳定于120°,三相电压频率和幅值迅速达到一致,表明新型120°鉴相器和相间同步控制策略的有效性。在50%负载不平衡时,三相电压波形平衡度较好,参考相开启电压补偿控制后,三相电压迅速恢复至额定值,进一步验证了电压补偿控制策略的有效性。

附录D图D2给出了在开启相间同步控制和电压补偿控制下由三相平衡负载转为100%不平衡负载(B,C两相空载)再转为50%不平衡负载(B相空载)最后回到三相平衡负载下的动态实验波形图,实验中负载工况和控制使能过程为:初始时刻为平衡负载,即PA=PB=PC=806.7 W,且开启了相间同步控制和电压补偿控制;T0时刻负载突变为100%不平衡负载,B,C两相空载,即PA=806.7 W,PB=PC=0;T1时刻突变为50%不平衡负载,B相空载,即PA=PC=806.7 W,PB=0;T2时刻突变回平衡负载,即PA=PB=PC=806.7 W。可见,相间同步控制和电压补偿控制使能后,在各种不平衡工况下过渡依然良好,由附录D图D2(d)可见，50%和100%不平衡负载下不平衡度均为0.1%。

5　结语

单相电源和负载的存在容易引起单/三相混合微电网系统电压不平衡问题。针对该问题,本文提出利用单相光储、单相储能单元接入微电网系统时的单相变流器,将其组合控制形成虚拟组合式三相变流器来实现整个系统同相及相间功率的合理分配和控制,从而提高三相电压平衡度。针对组合式变流器功率协调控制,采用了基于虚拟三相瞬时功率的下垂和虚拟阻抗控制来实现同相并联单元间的功率分配;提出了一种新型的相间同步控制方法来实现不同相间的相位和幅值同步控制,并针对由于下垂和虚拟阻抗引起的电压跌落和频率跌落,采用电压补偿控制策略进一步改善供电质量。最后,仿真和实验表明,所提功率协调控制方案可实现微电网100%不平衡负载下较高的电压平衡度,供电质量较高,并联单元间功率能按需分配,动稳态性能较好。同相及相间功率协调控制方法无需附加任何同步芯片或通信线,具有原理简单、控制灵活、可靠性高、易于实施的特点。

图5　相间同步控制和电压补偿控制实验波形Fig.5　Experimental waveforms of interphase synchronous control and voltage compensation control

本文着重对平衡及不平衡负载工况下虚拟组合式三相变流器同相及相间的功率协调控制及其并联进行研究与实验验证。在此基础上,将虚拟组合式三相变流器与传统三相变流器并联,研究两者的协调控制以及上层能量管理系统如何通过相间功率重新分配从而进一步优化系统是后续研究方向之一。

附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

[1] 许志荣,杨苹,彭嘉俊,等.单三相混合供电制式多微网联网路径搜索及源荷储恢复策略[J].电力系统自动化,2017,41(16):80-87.DOI:10.7500/AEPS20161130023.

XU Zhirong, YANG Ping, PENG Jiajun, et al. Reconnected path search and restoration strategy of sources-loads-storage system for multi-microgrids with single-phase/three-phase architecture[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(16): 80-87. DOI: 10.7500/AEPS20161130023.

[2] 李鹏,张雪松,赵波,等.多微网多并网点结构微网设计和模式切换控制策略[J].电力系统自动化,2015,39(9):172-178.DOI:10.7500/AEPS20140713004.

LI Peng, ZHANG Xuesong, ZHAO Bo, et al. Structural design and mode switching control strategies of multi-microgrid with several PCCs[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(9): 172-178. DOI: 10.7500/AEPS20140713004.

[3] 孙驰,马伟明,鲁军勇.三相逆变器输出电压不平衡的产生机理分析及其矫正[J].中国电机工程学报,2006,26(21):57-64.

SUN Chi, MA Weiming, LU Junyong. Analysis of the unsymmetrical output voltages distortion mechanism of three-phase inverter and its corrections[J]. Proceedings of the CSEE, 2006, 26(21): 57-64.

[4] PEI Xuejun, ZHOU Wu, KANG Yong. Analysis and calculation of DC-link current and voltage ripples for three-phase inverter with unbalanced load[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(10): 5401-5412.

[5] 王恒利,付立军,肖飞,等.三相逆变器不平衡负载条件下双环控制策略[J].电网技术,2013,37(2):398-404.

WANG Hengli, FU Lijun, XIAO Fei, et al. A double-loop control strategy for three-phase inverter with unbalanced load[J]. Power System Technology, 2013, 37(2): 398-404.

[6] ZIADI Z, YONA A, SENJYU T, et al. Optimal scheduling of voltage control resources in unbalanced three-phase distribution systems[C]// IEEE International Conference on Power and Energy, December 2-5, 2012, Kota Kinabalu, Malaysia: 227-232.

[7] ZHOU Xiao, TANG Fen, LOH P C, et al. Four-leg converters with improved common current sharing and selective voltage-quality enhancement for islanded microgrids[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(2): 522-531.

[8] 陈敏.9 kVA组合式三相逆变器的研制[D].南京:南京航空航天大学,2002.

[9] 王建华,刘磊,张方华,等.组合式三相逆变器锁相控制策略[J].电工技术学报,2010,25(8):79-84.

WANG Jianhua, LIU Lei, ZHANG Fanghua, et al. Phase-locked control method for three-phase combined inverters[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(8): 79-84.

[10] 权建洲,尹周平,熊有伦,等.大功率组合式三相逆变器对称输出控制[J].电工技术学报,2008,23(8):80-85.

QUAN Jianzhou, YIN Zhouping, XIONG Youlun, et al. Symmetrical output control for three-phase high power combined inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(8): 80-85.

[11] 张庆海,彭楚武,陈燕东,等.一种微电网多逆变器并联运行控制策略[J].中国电机工程学报,2012,32(25):126-132.

ZHANG Qinghai, PENG Chuwu, CHEN Yandong, et al. A control strategy for parallel operation of multi-inverters in microgrid[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(25): 126-132.

[12] 曾正,李辉,冉立.交流微电网逆变器控制策略述评[J].电力系统自动化,2016,40(9):142-151.DOI:10.7500/AEPS20150226006.

ZENG Zheng, LI Hui, RAN Li. Comparison on control strategies of inverters in AC microgrids[J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(9): 142-151. DOI: 10.7500/AEPS20150226006.

[13] 栗向鑫,韩俊飞,梁倍华,等.面向单相微电网的双模式并联逆变器协调控制方法[J].电力系统自动化,2017,41(16):130-136.DOI:10.7500/AEPS20161212004.

LI Xiangxin, HAN Junfei, LIANG Beihua, et al. Coordinated control method for dual-mode parallel converters in single-phase microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2017, 41(16): 130-136. DOI: 10.7500/AEPS20161212004.

[14] XIN Z, WANG X, QIN Z, et al. An improved second-order generalized integrator based quadrature signal generator[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(12): 8068-8073.

[15] 徐海亮,廖自力,贺益康.比例-谐振控制器在PWM变换器应用中的几个要点[J].电力系统自动化,2015,39(18):151-159.DOI:10.7500/AEPS20140101003.

XU Hailiang, LIAO Zili, HE Yikang. Key points of proportional-resonant controller applied for PWM converters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(18): 151-159. DOI: 10.7500/AEPS20140101003.

[16] 唐芬,GUERRERO J M,周啸,等.一种可实现微网系统快速平滑并网的主动同步控制策略[J].电力系统自动化,2014,25(8):15-22.DOI:10.7500/AEPS20130816010.

TANG Fen, GUERRERO J M, ZHOU Xiao, et al. An active synchronization control strategy for fast and smooth integration of microgrid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 25(8): 15-22. DOI: 10.7500/AEPS20130816010.

于明总(1993—),男,硕士研究生,主要研究方向:新能源发电技术、微网系统控制。E-mail： 16126066@bjtu.edu.cn

唐芬(1984—),女,通信作者,博士,讲师,主要研究方向:电力电子与电力传动、风力发电、微网系统控制等。E-mail: fent@bjtu.edu.cn

吴学智(1975—),男,副教授,博士生导师,主要研究方向:新能源并网技术、微网系统控制等。E-mail: xzhwu@bjtu.edu.cn