分布式电源变流器控制策略

2019-04-30翁志鹏宋晓通

分布式能源 2019年2期

翁志鹏，宋晓通

(北方工业大学电气与控制工程学院，北京石景山 100144)

0 引言

变流器是使电源系统中电压、频率、相数或其他特性变化的电器设备，包含整流 (AC/DC)、逆变(DC/AC)、交流变流(AC/AC)和直流变流(DC chopper)等。除主电路拓扑外，变流器还需触发电路实现功率开关元件通断和控制电路实现电能调节。其中触发电路又包括脉冲发生器和脉冲输出器。脉冲发生器的作用是：根据控制信号的要求产生一定频率、宽度或相位的脉冲; 脉冲输出器的作用是：将产生脉冲的电平放大为适合变流器中功率开关元件驱动信号。变流器的触发电路按控制方式可分为相控、斩控和频控电路。采用正弦波的频控电路实现控制逆变器输出电压，改善输出电压质量。变流器的控制电路按控制方式分为开环和闭环控制电路。前者常用于要求不高的专用设备；后者具有自动调节功能，广泛应用于各种工作机械。

本文分别综述了分布式电源变流器的底层调制策略、电网非平衡工况下的控制策略、DC/DC策略、DC/AC策略以及电能质量的附加控制策略；研究了各控制策略算法的技术特点、有效性及适用范围。基于文献研究，论述了当前的热点研究方向：结合现代控制理论，改善DC/DC变换的控制精度和响应速度；利用优化的恒功率控制策略、下垂控制策略等，提升微网稳定性与经济性；在变流器控制策略中抑制三相不平衡和谐波的策略，优化电能质量。最后展望了变流器控制策略在降低能耗、提升系统稳定水平、提高电能转换效率等方面的发展方向和前景。

1 变流器PWM技术

脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)根据相应载荷变化调制晶体管基极或金属氧化物半导体效应管(metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET)栅极的偏置，改变其导通时间，实现开关稳压。实现微处理器的数字信号控制模拟信号。PWM技术以其控制简单和动态响应好，广泛应用于测量、通信和功率控制与变换等领域，也是人们研究的热点。

针对三相三电平PWM整流器的中点平衡问题，文献[1]提出一种改进的下垂控制策略，dq解耦后的反馈电压通过下垂系数修正，提升了电压的跟踪精度和系统的迅速响应。考虑到三相PWM变换器并联易产生环流，文献[2]提出双环控制下的双载波正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)方法，改变零序开关状态减少系统环流，实现响应迅速，环流抑制明显的效果。

同步旋转坐标系下的电流电压双环控制，常用于三相电压型PWM整流器。由于交流侧电感差异，电感值会在电流很大、电感饱和时变化，实际控制往往忽略耦合项；此外系统性能也受电压外环非线性限制。文献[3]提出电压电流双环控制策略，电流内环结合矢量控制和无电感参数的解耦控制；电压外环将电压平方作为控制量，实现外环电压控制。

空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation，SVPWM)算法在降低电压谐波含量，减少电机损耗方面效果明显；具有简单易控，电压利用率高等优点。但在三电平结构中，每个特定电压矢量α，β坐标值并非整数，运算复杂，采样周期长。文献[4]针对三电平电压矢量的分布特点，在同步旋转坐标系下分析SVPWM与SPWM算法的联系，得到基于SVPWM算法的三相调制波和占空比公式，简化了三电平SVPWM算法。

2 变流器在非平衡工况下的控制策略

在负载不平衡工况下，文献[5]提出基于同步旋转坐标系下三相四桥臂变流器的优化控制策略。输出电压由准比例谐振(proportional resonant，PR)调节，参考电压采取前馈控制方式；针对准PR调节环节引起的静差问题，设计控制器参数并调试。实现负载不平衡工况下，变流器输出电压平衡及动态性良好。

在三相电压不平衡工况下，文献[6]提出基于Park变换的三相电压基波频率、正负序电压分量锁相方法。正序d-q坐标下q轴电压分量由负序d-q坐标下d-q轴的电压分量补偿，并锁定正序电压相位；负序电压初相角由负序d-q坐标中d轴和q轴的直流电压分量检测，并锁定负序电压相位。实现三相电压不平衡工况下，基波频率、正负序电压相位的快速锁定。

文献[7]提出电网电压不平衡下并网变流器在αβ坐标系的模型，采用无差拍控制(deadbeat control，DBC)跟踪给定电流，运用两步预测法应对DBC补偿延时。实际系统中，为减少采样误差对电流控制的影响，提出带电流校正的DBC方法，提高系统的精度。文献[8]通过扩张状态观测器估计d-q轴电流耦合引起的误差，采取自抗扰控制器前馈解耦的方式减少误差，增强了可再生能源并入电网的适应性。

3 变流器DC/DC策略

DC/DC变换控制方式根据能量流动方向可分为PWM和脉冲频率调制(pulse frequency modulation，PFM)[9]。现代控制理论的发展，涌现出如滑模变结构控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等[10]方法，在降低误差和增强系统性能方面效果明显。文献[11]为解决传统比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制引起的超调现象，采取安排过渡过程的PID控制器减少了系统超调量。

滑模变结构控制是当前研究热点。滑模运动具有较小的超调量，能维持系统良好的动态性，适用于离散和非线性系统。但滑模变结构控制中抖振现象易引起电压纹波。目前消除抖振的方法有:

(1) 采取连续控制方式消除抖振。

(2) 更改趋近率到适当值削弱抖振。

(3) 结合智能控制理论方法削弱抖振。

鲁棒控制是处理外加扰动和不确定性的有力工具，但在小信号建模方面精度不高, 且控制器结构不可变[12]。

自适应控制通过调整响应系统与目标系统对应变量及控制参数的偏差，达到系统同步。但需辨识参数或在线估计，实时性不佳。

智能控制包括模糊控制，神经网络控制等先进控制策略，是现代控制理论发展成果之一。其中模糊控制精度较差，无自适应与自学习能力。常将模糊控制与其它控制理论结合，获得更理想效果。目前，模糊控制与遗传算法相结合是研究的热点。

目前DC/DC变换器控制的研究方向主要集中在：

(1) 更具精度和实用的建模研究。

(2) 与现代智能控制方法融合研究。

(3) 控制器的集成化及控制方法的数字化研究。

4 变流器DC/AC策略

4.1 恒功率控制

恒功率控制(PQ control)是对分布式电源的输出有功和无功进行控制，维持分布式电源期望PQ出力。为了使并网逆变器的有功保持在参考值附近，根据频率特性曲线调整控制有功的控制器；为了使无功的输出也维持在参考值附近，根据电压特性曲线调整控制无功的控制器。

恒功率控制策略在并网电压不平衡工况下的适应性问题引起不少学者的关注。文献[13]在原有PQ控制中叠加了一个前馈电压负序控制环，通过改进开关函数抑制3次谐波输出，增强了微网在电网电压不平衡下的适应性。微网中分布式电源在并网模式下常采用PQ控制，而影响系统输出效果的重要因素是滤波参数和比例积分(proportional integral，PI)参数。文献[14]在整定PI参数时，考虑比例系数的变化对系统影响更大，先调节PI系数，再调节积分常数。实现在参数正确选取下的PQ控制，改善输出波形质量。

基于平衡假设的前馈解耦PQ控制是典型微网控制策略。通过功率分析，利用开关函数分析逆变器输出性能，得出电网电压不平衡下逆变器的3次谐波和负序分量。文献[15]在原有PQ控制上叠加前馈负序电压控制环抵消电网电压负序分量，有效降低了3次谐波分量输出。

4.2 V/f控制

V/f控制是将输入电压信号转换成相应频率信号，使输出频率与输入电压成比例。文献[16]针对早期逆变型DG组成的微网在孤岛运行时短路计算研究的空白，提出含DG的微网故障V/f控制方法。考虑控制策略的影响和DG故障时的暂态特性，通过DG故障等值模型，建立故障方程组，优化微网故障稳态分析。文献[17]以实现配电网孤岛运行，提高电网可靠性为目的。在传统下垂控制的基础上增加虚拟电感，实现有功和无功的解耦控制，并给出虚拟电感求取方法。通过荷电状态(state of charge，SOC)调节下垂控制有功参数，合理分配有功功率在不同储能系统间的取值。

文献[18]针对V/f控制下独立微网变流器参数设计问题，利用极点配置给出基于V/f控制的PI参数设计并建立微网变流器控制框图及模型。结果表明了该设计的有效性，并为控制参数设计提供了依据。

4.3 下垂控制

下垂控制是指选择与传统发电机相似的频率一次下垂特性曲线(droop character)控制微源，通过P/f下垂控制和Q/v下垂控制获取稳定的频率和电压，实现对微源输出有功和无功控制，即插即用和对等控制的功能，保证孤岛下微网电力平衡和频率统一。

为保证微网与电网的同步，文献[19]在传统下垂控制上加入功率给定环节，实现微网有功与无功、电压与频率间的独立解耦，通过三相锁相环和PI控制，提升了微网可靠性。文献[20]基于下垂控制优化逆变器输出电压：当负荷变化时，逆变器输出电压粗调和微调相结合，保证逆变器负荷功率均分。并对不同线路的2台同容量逆变器仿真。实现并联逆变器负荷功率均分及电能质量的优化，增强系统稳定性和动态性。而文献[21]采取电压分解与双环控制相结合的方法，改善了储能系统在电网波动与负载不平衡下电压响应不及时和不平衡的问题。

影响微源输出无功不均分的因素有：

(1) 输出电压幅值不等。

(2) 线路阻抗差异。

(3) 微电网本身复杂结构。

文献[22]提出一种优化的下垂控制策略。在传统无功下垂控制中加入线路压降和接入点电压反馈，稳定输出电压幅值，提高无功功率均分度，增强微网系统稳定。

图1 谐波治理分类图Fig.1 Classification chart of harmonic control

影响并网模式下的功率控制因素有电网电压波动和电网频率，且传统的下垂控制中无功控制本身存在一定误差。因此文献[23]提出对电网电压幅值和电网频率作前馈控制削弱电网波动，公共连接点(point of common coupling，PCC)电压幅值控制实现无功的无静差跟踪。文献[24]基于储能电池的充放电功率和工作状态，明确了光伏发电和风电机组的出力策略。采用自适应下垂控制调整组网电源的功率裕度和微源下垂系数，增强微源的自身调节和功率支撑潜力。

鉴于下垂三环控制的微网变流器并网运行时电网电压谐波污染问题，文献[25]在不增加下垂三环控制的基础上，改进传统电压控制，提出抑制输出谐波的方法。在相同谐波环境下能将输出谐波电流约降至传统方法的15%。

文献[26]分析了微网用分布式电源变流器的原理和基于基波电压的等效模型，提出微网用分布式电源变流器控制策略。其中，基于电压源输出特性的内环电压矢量控制，实现变流器并/离网切换；基于下垂特性的外环功率控制，保证微网多变流器并联使用；基于平移下垂特性曲线的电网二次同步控制，实现变流器离/并网切换。并利用多台容量为25 kVA变流器组成微网系统实验电路，验证了该策略的可行性。

4.4 分布式电源变流器的电能质量附加控制策略

电能质量是指供电设备在正常情况下不干扰或中断用户使用电力的物理特性[27]，分稳态和非稳态两类。稳态电能质量包括频率和电压偏差、谐波、三相不平衡等；非稳态电能质量包括短时电压中断、电压暂升/降、电压波动与闪变等。谐波和三相不平衡是影响电能质量的重要指标，对电力系统安全运行影响很大。

4.4.1 变流器谐波抑制策略

电网谐波的治理可分为主动式和被动式治理。主动式治理是指设计不产生谐波的变流器，维持负载自身不产生电压或电流谐波；被动式治理是各负载产生的谐波由谐波吸收装置吸收，保证注入电网的谐波不高于有关标准[28]。谐波治理分类如图1所示。目前工业用电等级较高，常采用被动式治理。按被动式治理采用的电路结构可划分为无源和有源滤波器(active power filter，APF)2类。无源滤波器设计成本低且技术相对成熟，但也有以下4个缺点：

(1) 电网参数影响滤波特性。

(2) 元件参数影响谐振频率。

(3) 电网阻抗易与LC谐振。

(4) 谐波注入遵循临近原则，导致本地滤波器过载。

而APF按拓扑方式可分为3类：并联型APF、串联型APF和混合型APF。并联型和串联型APF对装置容量要求高；而混合型APF可实现电流与电压净化，但使用成本高。

根据三相电压型PWM变流器工作特性，文献[29]提出含谐波补偿的并网变流器控制策略。补偿因非线性负载导致的畸变网侧电流，保证并网变流器的4象限运行，实现有功与无功电流的分别控制。在自然坐标下：指令电流由网侧指令电流与检测所得非线性负载电流作差得到，并受所测网侧电压信号控制。

针对敏感负载总线(sensitive load bus，SLB)的电压谐波补偿问题，文献[30]提出分层控制策略，考虑到分布式电源逆变器容量限制，第一层控制提出在SLB上电压谐波补偿和基于非基波视在功率补偿方法，第二层控制将参考信号发送至第一层控制，降低SLB处电压谐波，并给出了控制系统的参数，降低了对分布式电源输出电压质量的影响。

4.4.2 三相不平衡补偿

根据国标定义，三相不平衡度是三相负序电压有效值与正序电压的有效值之比，即

(1)

静止同步补偿器(static synchronous compensator，STATCOM)补偿无功电流的流程是：参考电流电路从检测到的负载侧电流和系统电压计算出负载电流中需补偿的有害电流，将有害电流取反后得参考电流信号，根据参考电流信号和补偿器输出电流信号产生PWM信号，对驱动电路放大，实现控制逆变器中功率器件的通断，使得向电网注入的补偿电流符合需求，此时系统电流中只含基波有功电流。从系统侧来看，源只需向负荷提供三相对称平衡的基波正序电流，但实际效果与控制策略、装置容量、信号同步等密切相关。同时这种方式造价高昂，补偿容量不大。

文献[31]将STATCOM并入电网补偿无功和配电网三相不平衡。根据对称分量法和叠加原理，分析配电网三相不平衡正负序电路，正序控制环采用δ-θ控制，实现配电网无功补偿和稳定STATCOM直流侧电压；负序控制环采用φ-θ控制，使得三相不平衡产生的负序电流由STATCOM补偿，维持电网侧三相平衡。

文献[32]针对三相不平衡电网电压问题，采用双同步坐标系结构解耦正负序分量，实现对三相不平衡电压锁相目的。准确提取正负序电压幅值和频率。但低通滤波器截止频率限制了锁相精度和速度。随着二阶广义积分[33](second-order generalized integrator，SOGI)选频功能的发现，选频器也能应用于锁相环中[34]，通过二阶广义积分器的自适应滤波检测计算电压的正、负序分量。具有较好适应电网能力。