PDF《微网系统不平衡电压补偿控制策略》

微网系统不平衡电压补偿控制策略 施永1,

2 ,杨向真1,

2 ,苏建徽1,

2 ,赖纪东1,

2 ,茆美琴1,

2 ( 1.

合肥工业大学电气与自动化工程学院,安徽省合肥市

2 3

0 0

0 9;

2. 合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心,安徽省合肥市

2 3

0 0

0 9 ) 摘要:微网系统中负荷不平衡会造成系统中电压的不平衡, 影响微网系统的供电质量.针对这一 问题, 文中首先介绍了微网系统逆变器的控制方法, 然后基于下垂控制, 分析了微网系统电压不平 衡的原因.为保证微网逆变器端口和公共耦合点电压能同时满足供电质量标准的要求, 提出一种 采用微网中储能逆变器对逆变器端口和微网公共耦合点不平衡电压进行同时补偿的控制策略, 对 所提补偿策略进行了详细的阐述, 最后通过仿真和实验分析验证了所提方法的有效性. 关键词:微网( 微电网) ;

电压不平衡;

下垂控制;

电压补偿控制;

储能逆变器 收稿日期:

2 0

1 7 G

0 6 G

1 7;

修回日期:

2 0

1 7 G

0 7 G

1 7. 上网日期:

2 0

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0 8 G

2 9. 国家自然科学基金资助项目(

5 1

5 7

7 0

4 7 ) .

0 引言 低压微网中的负载主要以单相为主, 不平衡负 载的接入会产生三相不平衡电流, 造成微网系统中 逆变器端口 和公共耦合点( P C C) 电压的 不平衡跌 落, 影响微网中逆变器的控制, 损坏家用电器寿命, 影响系统的继电保护等[

1 G 4] .对此, I E E E 的标准规 定, 电力系统三相供电不平衡度要小于2% [

5 ] , 中国 国标也规定配电网供电电压不平衡度要小于2%, 短时不可以超过4% [

6 ] .为了让微网在带不对称负 载时还能够确保高供电质量, 需要对不平衡电压进 行补偿.目前, 配电网中常采用有源电力滤波器来 实现不平衡电压补偿[

7 G

1 0] , 但是在实际的微网系统 中, 负荷可能会分散地连接在不同的节点, 因此有源 电力滤波器的容量以及安装位置的选取是个难题, 另外此方法也势必会增加微网系统的建造成本.因此, 通过对微网中现有的逆变器进行控制, 来实现不 平衡电压补偿, 在降低系统建造成本的同时, 可有效 提高补偿的灵活性, 目前国内外有多位学者对此进 行了研究.文献[

1 1 G

1 2] 采用与有源电力滤波器补 偿类似的方法, 通过在不平衡负荷附近安装专用的 微网不平衡电压补偿器, 针对性地进行补偿, 但该方 法也需要额外的补偿装置.文献[

1 3 ] 以消除负序无 功功率为控制目标, 通过调节电压参考值, 实现对逆 变器端口的不平衡电压进行补偿, 采用类似方法的 还有文献[

1 4 G

1 5 ] ;

文献[

1 6 ] 采用模型预测控制来改 善负载不平衡情况下逆变器输出功率的过载问题以 及电压不平衡问题;

文献[

1 7] 采用负序输出阻抗控 制法来补偿负序电流造成的压降.上述方法可以有 效地减小逆变器端口的电压不平衡度, 但是均未考 虑对 P C C不平衡电压进行补偿.微网系统中, 多数 负载是连接在 P C C 上的, 因此对 P C C 的不平衡电 压进行补偿也是提高微网供电质 量的关键.针对 P C C的不平衡电压补偿, 有学者提出基于微网系统 二次调整的补偿方法, 根据 P C C的电压不平衡度计 算出补偿系数, 下发给逆变器进行负序电压控制, 以 实现对 P C C不平衡电压的补偿[

1 8 G

2 0] , 此方法能够有 效地对 P C C不平衡电压进行补偿, 但是却忽略了逆 变器端口电压的不平衡问题. 目前, 文献中所提的补偿方法都具有很好的效 果, 但是均为单独对逆变器端口或者 P C C不平衡电 压进行补偿, 无法实现兼顾.本文在上述学者研究 的基础上, 给出一种兼顾逆变器端口和 P C C电压不 平衡度的补偿方法, 参与不平衡电压补偿控制的各 台逆变器优先补偿本机的端口电压, 在本机端口电 压不平衡度达到供电标准要求, 并且有剩余补偿能 力的情况下, 再根据本机端口电压的不平衡度和微 网中央控制器( MG C C) 下发的 P C C 电压不平衡度, 综合计算出新的负序电压参考值, 控制逆变器端口 负序电压, 实现同时对逆变器端口和 P C C电压进行 补偿.

1 微网系统分层控制结构 分层控 制是微网常用的控制结构, 通常包含3层: 微源控制层、 微网控制层和能量管理层[

2 1 G

2 4] .

6 9 第4 1卷第2 3期2017年1 2月1 0日Vol.41N o .

2 3D e c .

1 0,

2 0

1 7 D O I :

1 0.

7 5

0 0 / A E P S

2 0

1 7

0 6

1 7

0 0

3 h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m 本文所研究的不平衡电压补偿控制算法涉及其中的 微源控制层和微网控制层, 本文所用的微网系统拓 扑结构见 附录A图A1.该微网系统由储能逆变器、 MG C C、 智能断路器和三相不平衡负载等主要设 备组成.储能逆变器采用下垂控制来建立系统内的 电压频率;

MG C C 具有微网系统数据采集处理、 运 行状态监控以及微网系统的二次调频调压、 系统预 同步控制等功能.智能断路器安装在微网和大电网 之间的 P C C处, 能够对微网和大电网的电压、 电流 进行采样, 计算微网和大电网的频率、 相位、 功率以 及电压不平衡度.

2 微网逆变器控制 微网中包含光伏、 风电、 储能等多种微源, 本文 使用微网中的储能逆变器进行不平衡电压补偿, 本 节首先针对储能逆变器的结构和控制策略进行简要 介绍.系统中的储能逆变器为三相半桥结构, 交流 侧连接三角形/星形升压隔离变压器, 输出侧滤波器 采用 L C 滤波器结构.逆变器的控制采用下垂控制, 以实现多机并联支撑微网系统电压频率, 内环采 用d q 坐标下解耦控制的电压电流双环结构, 控制 框图如附录 A 图A2所示, 图中逆变器的瞬时功率 计算如式(

1 ) 所示, 有功功率和无功功率均在d q 坐 标系下进行计算, 并通过一阶低通滤波器滤波后反 馈到下垂环节. PL P F=1.

5 ωP s+ ωP ( v+ o d i+ o d + v+ o q i+ o q) QL P F=1.

5 ωP s+ ωP ( v+ o d i+ o q - v+ o q i+ o d ) ì ? í ? ? ? ? ? (

1 ) 式中: v+ o d , v+ o q 和i+ o d , i+ o q 分别为输出电压和电流的d q 轴分量;

ωP 为一阶低通滤波器的截止频率. 本文所用储能逆变器在微网并离网情况下统一 采用下垂控制.在微网离网运行模式下, 储能逆变 器按照下垂控制实现对系统内负荷的按比例分配, 同时实现对微网系统交流母线电压频率进行支撑;

在并网运行模式下, 储能逆变器要实现并网有功功 率和无功功率的无差控制, 所以在并网运行时, 逆变 器无功下垂环节增加了积分控制, 以兼顾微网不同 运行模式对储能逆变器控 制的不同要求.附录 A 图A3给出了本文所用下垂控制的详细结构, 图中 下垂控制表达式如式(

2 ) 所示. ω= ω0+m( P0-PL P F) E=E0+ n+ SMKQ I s ? è ? ? ? ÷ ( Q0-QL P F) ì ? í ? ? ? ? (

2 ) 式中: P0 和Q0 分别为下垂控制有功功率和无功功 率的参考值, 其值可以通过逆变器的人机交互系统 设置, 也可以根据 MG C C 中二次调频、 预同步和能 量管理等算法的计算结果, 通过通信系统下发给各 台逆变器, 离网运行时一般将其设置为 0;

ω0 为逆 变器下垂控制的频率参考值;

E0 为电压参考值, 一 般按照供电电能质量标准中的规定设置;

ω 和E 分 别为逆变器的运行频率和内电势;

SM 为用于控制 无功下垂环节中积分项投切的微网运行模式标志 位;

m 和n 分别为有功频率下垂系数和无功电压下 垂系数[

2 3 G

2 4] . 根据下垂环节输出的内电势 E 和频率ω 可计 算电压内环的参考值.首先, 对频率ω 进行积分可 计算出输出电压的相位参考值;

由于采用电压矢量 定向, 因此电压内环q 轴参考值为0, d 轴参考值就 等于内电势E.内环参考电压生成表达式如式( 3) 所示. θ= ∫ ω d t Vd r o o p , d =E Vd r o o p , q =0 ì ? í ? ? ? ? (

3 )

3 微网系统不平衡电压补偿控制策略 3.

1 微网电压不平衡机理分析 为进行不平衡电压的补偿, 首先要分析不平衡 电压的产生原因, 本文以两台逆变器并联带不平衡 负荷的结构为例, 来阐述不平衡电压产生机理.根 据对称分量法, 可把三相不平衡电压和电流分解成 正序、 负序和零序分量的叠加, 因此三相电路也可以 根据线性电路叠加定理, 分解为正、 负、 零序3个电 路的叠加[

1 4 G

1 5 ] .本文所用储能逆变器输出侧使用了 三角形/星形变压器进行了隔离, 逆变器和 P C C 之 间无零序电流, 因此本文只需对正序和负序两个等 值电路进行分析.图1是本文分析使用的两台逆变 器并联带载的正负序等值电路结构. 根据图1 ( b) 的负序等值电路计算得到的逆变 器端口以及 P C C的负序电压的表达式为: v-

1 =-Zo

1 i- o

1 v-

2 =-Zo

2 i- o

2 v- P C C= v-

1 -ZL

1 i- o 1= v-

2 -ZL

2 i- o

2 ì ? í ? ? ? ? (

4 ) 在逆变器中没有使用不平衡电压控制时, 其内 电势完全控制为正序, 此时逆变器的负序输出阻抗 和流过逆变器端口的负序电流决定了逆变器端口的 负序电压.利用逆变器端口电压减去线路压降, 即 可计算出 P C C负序电压.分析式(

4 ) 的负序电压表 达式可以得出以下结论: 负序输出阻抗( 包含线路阻 抗) 以及负序电流是形成不平衡电压的因素.因此, 消 除上述两个因素中的任何一个, 都可以解决逆变

7 9 施永, 等 微网系统不平衡电压补偿控制策略 图1 两台逆变器并联带载正负序等值电路 F i g .

1 P o s i t i v ea n dn e g a t i v e s e q u e n c e e q u i v a l e n t c i r c u i t so f t w op a r a l l e l i n v e r t e r sw i t h l o a d s 器端口和 P C C 的电压不平衡问题.但是只要系统 有不平衡负载, 就会产生负序电流, 虽然可以通过控 制使其中一台逆变器输出负序电流为零, 但是系统 中其他逆变器就需要负担更多的负序负载电流, 承 担负序电流多的逆变器的端口电压质量就会变差, 而且也不能解决 P C C的电压不平衡问题;

输出阻抗 中的线路阻抗部分是由硬件决定的, 虽然也有学者 提出采用虚拟负序负阻抗的控制方法, 对负序线路 阻抗进行抵消, 但这种控制方法需要精确测量出线 路阻抗值, 工程上实现困难[

2 5 ] .综上所述, 无法采 用消除造成电压不平衡的这两个直接因素入手来解 决电压不平衡问题.但是如果针对性地控制逆变器 内电势, 产生负序电压来补偿输出阻抗和线路阻抗 上的负序 压降, 同样可以实现对逆变器端口以及PCC的不平衡电压进行补偿, 如式(

5 ) 所示. v-

1 =E-

1 -Zo

1 i- o

1 v-

2 =E-

2 -Zo

2 i- o

2 v- P C C= v-

1 -ZL

1 i- o 1= v-

2 -ZL

2 i- o

2 ì ? í ? ? ? ? (

5 ) 从式(

5 ) 可以看出: 只要将逆变器内电势负序电 压控制为E-

1 =Zo

1 i- o 1, 即可将逆变器端口电压补偿 到平衡.在只对逆变器端口不平衡电压进 行补偿 时, P C C电压的不平衡问题也会得到一定程度的改 善, 此时 P C C 负序电压完全由线路阻抗ZL 1和流过 线路的负序电流决定, 无法保障 P C C 的电压质量. 如果将补偿负序内电 势控制为E-

1 =Zo

1 i- o

1 +ZL

1 i- o 1, 就可以实现将 P C C 电压补偿到平衡, 但是这种 方式会造成对逆变器端口电压的过补偿, 可能造成 逆变器端口电压的不平衡度超出供电标准规定的范 围.综上所述, 本文给出一种综合补偿控制策略, 同 时考虑逆变器端口和 P C C 电压不平衡度来计算补 偿电压参考值, 利用系统内的储能逆变器负序电压 控制来实现对逆变器端口和 P C C 不平衡电压进行 综合补偿. 3.

2 微网电压不平衡补偿控制 如果将逆变器端口负序电压参考值设置为零, 则逆变器端口电压补偿项的表达式为: v- c d =- v- d Ku c P+ Ku c I s ? è ? ? ? ÷ v- c q =- v- q Ku c P+ Ku c I s ? è ? ? ? ÷ ì ? í ? ? ? ? (

6 ) 式中: v- d 和v- q 分别为逆变器端口负序电压的d 轴和q 轴分量;

Ku c P和Ku c I分别为负序电压比例―积分 ( P I ) 调节器的比例系数和积分系数. 在逆变器的输出参考电压上叠加式( 6) 计算出 的补偿项v- c d 和v- c q , 即可对逆变器端口负序电压实 现完全补偿. 为对 P C C电压进行补偿, 需要将 P C C 电压不 平衡度引入, 再根据逆变器端口和 P C C电压的不平 衡度, 计算出可兼顾到逆变器端口和 P C C不平衡补 偿的新负序电压参考值.其中 P C C 电压的不平衡 度可以由图3中PCC处的智能断路器计算出, 利用 系统内的通信系统发送给 MG C C, 由MG C C 分配 发送给参与补偿控制的储能逆变器.根据国标中的 规定, 电压不平衡度的定义如式(

7 ) 所示[

6 ] . ε= v-2 d + v-2 q v+2 d + v+2 q *1

0 0% (

7 ) 逆变器端口电压的不平衡度和 P C C 电压的不 平衡度为: ε i= v-2 i d + v-2 i q / v+2 i d + v+2 i q ( ) *1

0 0%, ε P C C= v-2 P C C d + v-2 P C C q/ v+2 P C C d + v+2 P C C q ( ) *1

0 0%. 在进行不平衡电压补偿时, 对PCC进行补偿的 前提是保证逆变器端口电压不平衡度在电网供电标 准的允许范围内, 所以首先要为逆变器端口电压的 平衡度设置一个限幅, 首先将逆变器端口电压不平 衡度补偿到设置的限幅以内, 才能允许对 P C C电压 进行补偿.本文设置逆变器端口电压的不平衡度范 围为ε i≤1. 5%.启动逆变器端口和 P C C 不平衡电 压综合补偿控制后, 根据逆变器端口电压不平衡度 来计算本台逆变器对 P C C 电压进行补偿的不平衡 度参考 值系数KVU F, 参考值系数计算表达式如式(

8 ) 所示.

8 9

2 0

1 7,

4 1 (

2 3 ) ?研制与开发? h t t p : / / ww w. a e p s G i n f o . c o m KVU F=

1 ε i , m a x ε i ε i≤ ε i , m a x KVU F=1 ε i>

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