微电网中电力电子变压器的电压质量控制措施探折

佘海智

（西安西电变压器有限责任公司，陕西 西安 710077）

0 引 言

PET具有体积小、重量轻、可控性好的特点，运用于微电网能够有效改善电能质量。此外，它便于各类负荷和分布式电源的接入，不仅具备电气隔离和电压变换功能，还具备无功补偿能力、抑制谐波能力和瞬时关断能力[1]。

1 PET电压质量调节本质分析

微电网非线性谐波负荷通常来说划分为电压源型和电流源型两种类型。将谐波电压源VSh和等效并联组抗ZVh进行串联，能够得到一个简化的理想模型。其中，谐波成分用ISh表示，谐波等效输出阻抗用ZPET表示，线性负载用ZL表示[2]。

由图1可得：

图1 含非线性谐波负荷的系统等效图

于是，可以得出：

PET输出级参考电压Uref主要包含正弦电压，而由 于YΣ=YPET+YVh+YCh+YL、YVh=1/ZVh、YCh=1/ZCh所 带来的影响，会造成PCC点电压出现不同程度的畸变。基于该原理，PCC点电压畸变的实际情况由VSh与ISh前面的系数大小来决定。如果出现负载阻抗ZL不变的状态，可以借助提高YPET的有效措施，实现减弱谐波源对VPCC点电压产生的消极影响。另外，因为电压质量调整在实际进行中往往会有容量上的制约，所以可以运用PET输出级。在实际操作过程中，只要能够满足Yoh＞YL+YVh这一条件，就能够显著降低VPCC点电压畸变率[3]。

2 PET输出级电压质量控制策略

控制策略的提出充分考虑以下3个问题。

问题1：由于电压涵盖了幅值和相位，电压指令参考在很大程度上对实际调节效率以及可用容量利用效率带来了影响，所以如何选择电压指令基准？

问题2：目前，在微电网的设计和使用中，PI控制器较多，虽然其具有通用性强的特点，但是对交流信号的响应特性差、参数设计敏感，且占用数字信号处理器大量的计算时间，所以如何选择电压控制器？

问题3：PET顺利运行的基础是基波功率供给，所以必须要考虑PET容量限制，那么如何解决补偿容量受限？

2.1 电压控制环节分析

针对提出的问题1和问题2，PET电压指令借助PC点采样电压，运用直接电压不但在很大程度上减弱了控制系统负载阻抗变化的敏感度，也会对动态响应系统具有正面积极的影响。为了能够有效控制交流信号，可以采用PR谐振控制器，还可以直接使用PCC点电压作为控制系统的输入，全方位实现基本链路和每个谐波链路的解耦，从而大大减少谐波对基波控制的影响。

其中，Uout_h(k-1)表示为k-1 PET输出电压存在的谐波分量；Mh为谐波电压幅值的调节系数。

采用PR控制器的PET输出电压表达式为：

其中，电压外环多谐振控制器的传递函数为GU(s)；电流内环比例增益函数为GI(s)，PET控制器调制增益为KPWM。由此能够得出GU(s)表达式为：

KPV为比例增益系数，Krh为谐振控制器增益系数，ωch为截止频率，ω0为基波频率。

2.2 考虑容量限制的虚拟阻抗控制环节分析

若单纯选择电压外部环路，能够实现更好地管控PCC供电电压。然而，具体操作过程中还需要进一步考虑补偿容量方面的问题。关于问题3，可以采取依靠虚拟阻抗链路动态引入PET的剩余容量，进而实现对电源电压质量的新方式。

能够了解到调整PET等效阻抗就可以改变iout的正向增益。如图2所示，可以直接选择虚拟阻抗链路动态对PET等效输出阻抗予以调整。PET输出电流iout正向增益GIR为：

充分考虑到为了降低已有电压控制环节带来参数匹配和交互耦合等影响，可以采用作为电流反馈信号的增益函数，得出：

PET输出电压调整为：

图2 PET输出级直接电压控制框图

k指补偿系数，代入后可以更好地控制供电电压质量。如果k=1，谐波阻抗为0，此状态下属于全补偿；如果k=0，此时属于无补偿状态。同时，伴随着k值的增加，能够有效改善PCC点的电压质量；反之，PCC点电压质量必然开始降低。

借助k=k*-m(S0-S)可以得到补偿系数k的正确取值方法，而S0代表PET可用补偿容量，S即是PET的谐波输出容量。S0和S可阐释为：

SN为PET输出级的额定容量，Sout为PET输出级运行的视在功率，Uout_rms为输出电压有效值，Iout_rms为输出电流有效值。k*为当S0=S时的补偿系数，取值范围为[0，1]。m为谐波电压改善率，表达式为：

当S=0时，kmax=1。可见，当PET输出级的基本功率较低时，对应的k可以取较大的值，在该状态下的PCC点电压调节能力更强。

2.3 响应特性分析

通过控制器传递函数能够了解PET电压响应传递函数和阻抗传递函数如下：

为了进一步提升电压控制的有效性，基于式（24）和式（25）对电压环选择PI以及PR控制的不同相应特性展开研究，对比PET输出的阻抗特性。

选择PR控制器可以达到基波和每个谐波频率处的增益接近0 dB与0°的目的，充分表明PR控制器能够对基波的指令和特定谐波频率处指令实施准确的动态跟踪。如果将PR控制器换成PI控制器，那么每个频次处的幅频响应特性远远达不到PR控制器的控制效果，如图3所示。

如图4所示，采用PR控制下的等效谐波阻抗相对于PI控制来说更小，且特定谐波处存在较大的差距，可见PR在等效阻抗值上具有更强的谐波控制能力。

图3 电压指令信号响应图

图4 PET输出级等效阻抗

3 结 论

综上所述，科学开展好PET电压控制，能够更加高效全面地管控PCC点的电压质量，因此列举的策略不仅考虑了补偿容量限制，还具有灵活简便操作的特点，能够较好地运用于PET运转过程中，且适用于其他电压源型变流器或电流源型变流器。