抑制电压不平衡交直流混合微电网互联变换器的控制策略

Control strategy for suppressing voltage imbalance in AC-DC hybrid microgrid interconnected converters

摘要

针对特定的交直流混合微电网，给出了抑制电压不平衡的互联变换器控制策略。该控制策略采用双同步坐标系的正负序分离方法，经过坐标变换，解耦和低通滤波器，提取电压的正负序分量；基于瞬时功率的理论，推导出含有正负序分量的有功和无功功率表达式，给出了抑制直流电压波动和实现单位功率因数控制的正负序电流给定；进而基于矢量控制结构实现互联变换器控制。根据Matlab/Simulink环境下的仿真结果，证明了所提抑制电压不平衡控制策略的正确性和有效性。

Abstract

This paper presents an interconnected converter control strategy for suppressing voltage imbalance in a specific hybrid AC-DC microgrid. This control strategy adopts the positive and negative sequence separation method using a dual synchronous coordinate system. After coordinate transformation, decoupling and low pass filter, the positive and negative sequence components of voltage are extracted; Based on the theory of instantaneous power, the expressions of active and reactive power with positive and negative sequence components are derived, and the positive and negative sequence current references are given to suppress the DC voltage fluctuation and achieve the unit power factor control; then the control of interconnected converter is realized based on the vector control structure. The simulation results in Matlab/Simulink demonstrate the correctness and effectiveness of the proposed control strategy for suppressing voltage imbalance.

Graphical abstract

关键词

交直流混合微电网 / 电压不平衡 / 并网运行 / 互联变换器

Key words

AC and DC hybrid microgrid / voltage imbalance / grid-connected operation / interconnected converters

随着经济的发展，能源消耗迅速增加。化石燃料价格的飙升和环境危机变得越来越严重，这引起了人们对可再生能源的关注^[1]。可再生能源(RES)的渗透率显著提高，而微电网通过分布式发电机(DG)满足当地的负荷需求，已经引起了人们的极大关注^[2]。可再生能源由于具有环保和可持续的特点，已经占据世界第二大能源，其规模在不断扩大。光伏发电和风力发电在可再生能源发电中占重要地位，能使大规模分布式电源有效接入电网的交直流混合微电网可以同时兼备直流微网和交流微网的特点，直流微网可以很大程度上削弱交流扰动，削减成本，降低电能损耗，在与各等级输电线连接方面也比较方便^[3]。互联变换器是与直流子网和交流子网之间进行能量交换的桥梁，其控制策略和控制性能至关重要。

电网电压不平衡是一种常见的电力系统故障，它可能由接入了大功率单相负载、输电线路阻抗差异、三相参数不对称等而导致。在电网电压不平衡情况下，互联变换器输出电流谐波含量增加，输出功率发生二倍频波动，可能会导致关键用户设备的故障甚至失效^[4]。文献[5]提出一种基于正序旋转参考系的积分与矢量比例积分器的控制策略，补偿了由非对称负荷导致的电压不平衡，进而保证设备的供电质量。文献[6]提出一种同步旋转坐标系控制策略，通过独立谐振补偿二倍频电压，有效削减系统输出功率波动。文献[7]指出一种改良的三相电流二阶广义积分器正、负序提取算法，使三相电压电流平衡。文献[8]分析了SOGI的带通特性、参数选择方式，提取出直流分量，并且削弱其他高次谐波成分，使得在电网电压不平衡情况下，相位检测误差为零。综上所述，相关文献并没有考虑特定的交直流混合微电网在电网电压不平衡情况下的互联变换器控制问题，而这一问题在应用中确实存在。

针对以上问题，根据交直流混合微电网电压不平衡时的情况，研究互联变换器的控制策略，并进行仿真分析，有效地实现抑制直流母线电压波动的控制目标，验证了本文所提出控制策略的正确性和有效性。

1 交直流混合微电网拓扑结构

特定交直流混合微电网由直流子微网、交流子微网和互联变换器等组成，其拓扑结构如图1所示。直流子网内，太阳能发电单元由DC/DC变换电路连接至直流母线，实现最大功率控制(Maximum power point tracking, MPPT)或负载功率跟踪控制(Load power tracking control, LPTC)；储能单元由双向DC/DC变换电路与直流母线相连，达到恒流充放电控制的目的；直流负荷直接与直流母线相连。交流子网中，风力发电机组(Wind turbine, WT)通过背靠背式功率变换器与交流母线相连，前级变换器实现MPPT控制或LPTC控制，后级变换器实现有功、无功控制；交流负荷直接与交流母线相连。互联变换器作为连接直流子网和交流子网的纽带，主要的功能是实现功率的双向传输和维持交直流两侧的功率平衡。本文研究并网模式下电压不平衡情况下交直流混合微电网互联变换器的控制策略，在正常工况下，互联变换器通常会采取双闭环控制方式，即直流母线电压外环结合电流内环的控制方式，实现并网自由模式和并网调度模式运行。系统工作在并网自由模式情况下，互联变换器的作用为稳定直流母线电压和保证交流侧运行处于单位功率因数状态；系统工作在并网调度模式情况下，互联变换器的作用为确保稳定的直流电压和保证系统内功率的正常调度。

2 混合微电网控制原理

2.1 分层控制结构

根据能量流动关系，交直流混合微电网采用分层控制结构，如图2所示，本文仅考虑并网模式下的控制问题。并网自由模式下，由于没有系统调度指令，光伏发电单元和风力发电机组都处于MPPT模式，蓄电池采用恒流或涓流充电。在并网调度模式下，根据系统调度及协调控制指令，光伏发电单元和风力发电机组运行在MPPT或LPTC模式，蓄电池由SOC状态决定处于充电或放电状态。

2.2 子网各部件控制策略

2.2.1 光伏发电单元控制策略

光伏发电单元通过单向Boost斩波电路接到直流母线上，如图3所示。微电网根据系统是否有调度功率决定采用MPPT控制或LPTC控制，采用电压闭环的控制策略。在并网自由模式下，光伏发电单元采用基于梯度的可变步长电导增量法，在光照强度发生变化时，可以快速进行MPPT控制。在并网调度模式下，光伏发电单元将调度功率数值送入LPTV算法，经计算得出光伏输出电压的参考值，通过与光伏实际输出电压相比，经过PI调节后，通过PWM生成信号驱动开关管来实现光伏发电单元的最大功率控制或负载功率控制，其中U_{PV}为光伏组件输出电压，I_{pv}为光伏组件输出电流，P_{PV}为光伏调度功率。

2.2.2 风力发电单元控制策略

风力发电机组通过双PWM全功率变换器接到交流母线上，如图4所示。风力发电机组前级变流器为了实现MPPT控制或LPTC控制采用永磁同步发电机转速外环、电流内环或功率外环、电流内环的控制方式。后级变流器为了实现有功功率控制采用直流母线电压外环、电流内环的控制方法，通过将无功功率给定值设置为0，可控制风力发电机组工作在单位功率因数状态。

2.2.3 储能单元控制策略

蓄电池经由双向DC/DC电路连接在直流母线上，如图5所示。设蓄电池的荷电状态(State of charge, SOC)变换范围为0.3~0.9，当蓄电池SOC大于0.9的时候，停止充电；当蓄电池SOC小于0.3的时候，停止放电，防止蓄电池有过充或过放行为。并网模式下，蓄电池SOC低于上限0.9的情况下，通过蓄电池恒定充电电流进行充电；SOC高于上限0.9的情况下，采用涓流充电的控制策略，通过控制蓄电池充电参考电流，来实现蓄电池充电控制。

3 混合微电网互联变换器控制策略

3.1 互联变换器拓扑结构

本文采用三相三线制T型三电平互联变换器，与两电平拓扑相比，该拓扑结构有直流母线电压脉动小、输出波形畸变低、功率因数高、波形质量好等优点，其拓扑结构如图6所示。其中：U_{dc}为直流母线电压，C_{dc}为直流侧滤波电容，e_a、e_b、e_c为三相电网电压，L_{IC}、C_{IC}分别为交流侧滤波电感、电容。

3.2 电压不平衡正负序电压分解

电网电压不平衡会对互联变换器造成不同程度的危害，对于三相三线制变换器来说，当电网电压不平衡时，可以忽略零序分量带来的影响。

在出现电网电压不平衡时，交流侧基波电压出现负序分量，交流母线电流会出现严重畸变，影响交流子网内各单元的正常运行，恶劣情况下可能会造成互联变换器的过载现象，甚至导致系统发生故障无法运行。在此情况下，交流侧基波电压和电流可以用正、负序分量之和来表示。为了检测交流侧电压正、负序分量，采用解耦双同步参考系(Decoupled double synchronous reference frame, DDSRF)的正负序分离方法来检测正、负序分量，其结构如图7所示。然后经由电压负序分量构成锁相环。

双同步参考坐标中存在两个旋转的参考坐标，正序d{q}^{+}坐标系进行逆时针旋转是按角速度\omega来进行的，其角度为{\theta }^{+}，负序d{q}^{-}坐标系进行逆时针旋转是按角速度-\omega来进行的，其角度为{\theta }^{-}。因此电压矢量在d{q}^{+}和d{q}^{-}坐标系中可分别表示为

\begin{array}{c}\left[\begin{array}{l}{e}_d^{+}\\ e_q^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}{V}^{+}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{+}\\ V^{+}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{+}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right.\left.\begin{array}{l}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\\ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{V}^{-}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{-}\\ V^{-}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{-}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{l}{V}^{+}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{+}\\ V^{+}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{+}\end{array}\right]+V^{-}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{-}\left[\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\\ -\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right]+V^{-}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{-}\left[\begin{array}{l}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\\ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right]\end{array}(1)

\begin{array}{c}\left[\begin{array}{l}{e}_d^{-}\\ e_q^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right.\left.\begin{array}{l}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\\ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right]\left[\begin{array}{l}{V}^{+}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{+}\\ V^{+}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{+}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{l}{V}^{-}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{-}\\ V^{-}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{-}\end{array}\right]\\ =\left[\begin{array}{l}{V}^{-}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{-}\\ V^{-}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{-}\end{array}\right]+V^{+}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}{\theta }^{+}\left[\begin{array}{l}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\\ \mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right]+V^{+}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }^{+}\left[\begin{array}{l}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{2}\omega t\\ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\mathrm{2}\omega t\end{array}\right]\end{array}(2)

由式(1)和式(2)可以看出，正序d{q}^{+}坐标系中二次谐波的幅值是负序d{q}^{-}坐标系中的平均值决定的，负序d{q}^{-}坐标系二次谐波的幅值是正序d{q}^{+}坐标系中的平均值决定的。为了抑制d{q}^{+}坐标系的二次谐波，引入解耦环节，如图8所示。同样为了抑制d{q}^{-}坐标系的二次谐波，也可以采用相同的结构，只需要在\omega t前加负号。图8所示为d{q}^{+}坐标系解耦环节，u_{dB}^{-}和u_{qB}^{-}为d{q}^{-}轴上的平均值，u_d^{+}和u_q^{+}为交流母线电流在d{q}^{+}坐标系下的正序分量，u_d^{-}和u_q^{-}为交流母线电流在d{q}^{-}坐标系下的负序分量。V^{+}为交流母线电流在d{q}^{+}坐标系下的正序分量幅值，V^{-}为交流母线电流在d{q}^{-}坐标系下的负序分量幅值。

3.3 电压不平衡时互联变换器控制策略

对互联变换器网侧瞬时功率进行分析，可以得到互联变换器网侧视在功率表达式为：

\begin{array}{c}S=p+jq\\ =\left[e^{j\omega t}\left(e_d^{+}+j{e}_q^{+}\right)+e^{-j\omega t}\left(e_d^{-}+j{e}_q^{-}\right)\right]\overline{\left[e^{j\omega t}\left(i_d^{+}+i_q^{+}\right)+e^{-j\omega t}\left(i_d^{-}+j{i}_q^{-}\right)\right]}\end{array}(3)

式中：p是互联变换器有功功率，q是互联变换器无功功率。

互联变换器网侧瞬时有功功率和无功功率的表达式可由上式化简得到：

\left\{\begin{array}{l}p\left(t\right)=p_{\mathrm{0}}+p_{c\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\mathrm{2}\omega t\right)+p_{s\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{2}\omega t\right)\\ q\left(t\right)=q_{\mathrm{0}}+q_{c\mathrm{2}}\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\left(\mathrm{2}\omega t\right)+q_{s\mathrm{2}}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\mathrm{2}\omega t\right)\end{array}\right.(4)

由式(4)可得，当电网电压不平衡时，互联变换器网侧有功和无功功率不仅含有基波分量，还存在二次谐波分量，将式(4)展开可得到各功率分量的表达式为：

\left\{\begin{array}{l}{p}_{\mathrm{0}}=\mathrm{1.5}\left(e_d^{+}{i}_d^{+}+e_q^{+}{i}_q^{+}+e_d^{-}{i}_d^{-}+e_q^{-}{i}_q^{-}\right)\\ p_{c\mathrm{2}}=\mathrm{1.5}\left(e_d^{+}{i}_d^{-}+e_q^{+}{i}_q^{-}+e_d^{-}{i}_d^{+}+e_q^{-}{i}_q^{+}\right)\\ p_{s\mathrm{2}}=\mathrm{1.5}\left(e_q^{-}{i}_d^{+}-e_d^{-}{i}_q^{+}-e_q^{+}{i}_d^{-}+e_d^{+}{i}_q^{-}\right)\\ q_{\mathrm{0}}=\mathrm{1.5}\left(e_q^{+}{i}_d^{+}-e_d^{+}{i}_q^{+}+e_q^{-}{i}_d^{-}-e_d^{-}{i}_q^{-}\right)\\ q_{c\mathrm{2}}=\mathrm{1.5}\left(e_q^{+}{i}_d^{-}-e_d^{+}{i}_q^{-}+e_q^{-}{i}_d^{+}-e_d^{-}{i}_q^{+}\right)\\ q_{s\mathrm{2}}=\mathrm{1.5}\left(e_d^{+}{i}_d^{-}+e_q^{+}{i}_q^{-}-e_d^{-}{i}_d^{+}-e_q^{-}{i}_q^{+}\right)\end{array}\right.(5)

式中：p_{\mathrm{0}}、q_{\mathrm{0}}分别是互联变换器网侧有功、无功功率平均值；p_{c\mathrm{2}}、q_{c\mathrm{2}}分别是互联变换器网侧有功、无功功率的二次余弦项谐波最大值；p_{s\mathrm{2}}、q_{s\mathrm{2}}分别是互联变换器网侧有功、无功功率二次正弦项谐波最大值。

为抑制互联变换器直流侧电压波动和实现单位功率因数控制，可令p_{c\mathrm{2}}=p_{s\mathrm{2}}=q_{\mathrm{0}}=0，代入式(5)可求得电流指令表达式为：

\left[\begin{array}{l}{i}_{d\_ref}^{+}\\ i_{q\_ref}^{+}\\ i_{d\_ref}^{-}\\ i_{q\_ref}^{-}\end{array}\right]=\frac{\mathrm{2}{p}_{\mathrm{0}}^{\mathrm{*}}}{\mathrm{3}\left[{\left(e_d^{+}\right)}^{\mathrm{2}}+{\left(e_q^{+}\right)}^{\mathrm{2}}-{\left(e_d^{-}\right)}^{\mathrm{2}}-{\left(e_q^{-}\right)}^{\mathrm{2}}\right]}\left[\begin{array}{l}{e}_d^{+}\\ e_q^{+}\\ -e_d^{-}\\ -e_q^{-}\end{array}\right](6)

根据上述分析，可得基于两相旋转dq坐标系下互联变换器抑制直流侧波动的控制策略结构框图，如图9所示。通过对并网电压和电流分别采用基于双同步坐标系解耦的正负序分离控制得到相应的正负序电压和电流，采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略实现功率控制。

4 仿真分析

4.1 仿真模型及参数

将图1中的交直流混合微电网仿真模型在Matlab/Simulink中搭建出来，模型参数见表1。

4.2 抑制电压不平衡的仿真结果

假定在0.3~0.6 s间电网发生单相跌落，跌落幅度为20%，抑制电网电压不平衡仿真结果如图10所示。

从图10可以看出，微电网工作在并网模式，在0~0.3 s时，光伏发电单元工作在MPPT模式下峰值功率为50 kW，风力发电机组工作在MPPT模式下输出功率为30 kW，交直流总负载功率为40 kW，蓄电池以23 kW的功率进行恒功率充电。在0.3 s时，电网发生单相跌落，跌落幅度为20%，互联变换器通过基于双同步坐标系解耦的正负序分离锁相环简单快速锁住相位，采用抑制直流母线电压波动的控制策略，由图10(b)和图10(c)可以看出，当采取抑制直流母线电压波动的控制策略时，直流母线波动较小，直流母线电压波动为±0.1 V左右，波动在0.02%左右，符合直流母线电压波动在±10%的要求。直流子网中光伏发电单元功率波动在0.5 kW左右，储能单元功率波动在0.2 kW左右，交流子网母线电压由于变压器和线路损耗单相跌落13.33%，风力发电机组的有功功率波动在5 kW左右。在0.6 s时，电网电压恢复正常，直流母线电压、子网各部件输出功率恢复正常。

5 结论

本文针对电网电压不平衡情况下的交直流混合微电网，给出了微电网分层控制结构，论述了子网各组成部分的控制原理，详细描述了电压不平衡时三电平互联变换器的控制策略，在并网模式下，互联变换器采用抑制电网电压不平衡的控制策略，直流母线电压波动较小，互联变换器输出电压、电流波动较小，可以有效抑制有功功率波动及实现单位功率因数控制。从仿真结果可以看到，电网电压单相发生跌落时，有效抑制了直流母线电压、互联变换器和风机输出电流波动，保证了微电网的正常运行，验证了本文所提控制策略的正确性和有效性。

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