非线性负载接入孤网的电压与谐波协同控制_高俊.pdf

第卷第期年月电力电子技术，非线性负载接入孤网的 电压与谐波协同控制高俊，顾天琪，李嘉，刘燕燕（国 网四川省电力公司绵阳供电公司，四川绵阳；北京智芯微电子科技有限公司，北京）摘要：此处首先建立了并 联逆变器系统的分层控制模型，提出了增强型虚拟阻抗 与 谐 波补偿器实现了对 非线性负载电流和功率的均 分且同时抑制了谐波电压，并通过二次控制将微电网电压和频率恢复 到 额 定值。最后通过系统仿 真与原理样机实验充分验证了所提控制技 术对于并联逆变器系统在非线性负载条件下稳定运行的可行性。关键词：微电网；并联 逆变器；分 层控制模型；増强型虚拟阻抗中图分类号：文献标识 码：文章 编号：（），（，）：，？，：；引言随 着太阳能和风力发电等可再生能 源发电技术的迅速发展，分布式发电（）得到了越来越广泛的应用由于能量存储设备的引入，可以直接为本地负载提供电能，进一步形成了微电网。微电网能运行在并网模式 或孤岛模式，在 并网模式中，系统通常工作 在电流源模式。而在电网故障或电压暂 降时，单元需远离 主电网，运行在孤岛模 式，并 继 续 提供局部荷载。在孤岛模 式中，单元必须匹配电力负荷需求，调节电压等级和频率，均分单元的有功、无功功率，并减少环流。近几年，无互联的下垂控制 广泛地投入使用，既拥有传统的集中控制、主从控制、平 均负载分配法等良好的均流 效 果，又无需把互联线引入分布式电源中，增加了系 统的冗余性。但由于非线性负载的使用不断增 加（低到高功率应用），仅用下垂控制已经不能有效地均分电流和功率，甚定稿日期：作 者 简介：高俊（），男，高级工程师，研究方向 为功率电子变换及自动化控制、电力工程技术 等。至会有谐波电压、环流产生。因此，研究微电网在孤岛模式下供给非线性负载变得颇为重要。在此针对非线 性负载接入场景下，提出通过在 并联逆变器构建的孤岛微电网 中引入虚拟阻抗，谐波补偿环及二次控制策略，有效抑 制了孤岛微电网 电压谐 波，实现了并 联逆变器的电流及功率 均 分。最 后，通过系统仿真与两台并联逆变器原理样机验证了所提控制技 术的正确性和有效性。微电网逆 变器并联下垂控制为了实现微电 网中逆变器并 联的稳 定运行，单 个逆变器在孤岛运行模 式下的控制原理框图见图。在高电压大型系统和中电压中型系统中，分布式电源采用无互联 线的下 垂控制来实现并联系统间的功率均 分和电压、频率调节，即各台逆变器在和（？下垂控制下，将输出电压和 相位的信 息送到各逆变器的 电压外环控制中，其中功 率计 算单元为：（）式中：和分别 为有功功率和无功功率；叫，？，分 别 为电容电压、输出电流在，坐标系下的分 量。非线性负载接入孤网的电压与谐波协同控制：谐波控制器 通过改 变来调整虚拟谐波 阻抗，通过一系列的补偿量来校正参考电压，其中为 谐 波电流，为虚拟谐波阻抗，且满足。么为：，（）（），最后将谐波 补 偿电压 加 到原参 考电压上，校正电压参考值孤岛微电网二次控制及稳定性分析二次 控制负责消除任 何由下垂控制 带来的稳态 误差。二次 控制主要分 为二次频率控制和二次电压控制。在二次 频 率 控制 策略中，每个在各个采样点测量出当前运行频率，并 发送给其他，平均后的值与各自的频 率 参考值进行对比，将偏 差通过调节器，将该 补偿量 送入一次控制中，其中有：？（？丨（）同理，在二次电压控制中，有：（）式中：分 别为二次 频率及二次电压控制调节器的比例 系数；分别 为对应调节器的积分系数。在多个并联逆变器运行在孤岛模 式时，需将每 个逆变器等效为电压源，采用电压 外环电流内环控制才能实现逆变器并联稳态运行。根据图所 示的控制框图，对电压电流双环进行进一步分析。如图所示的控制中，电压选取输出电压，电流选择 逆 变器侧电流。分别为电压外环调节器的比例 和积分系数；，为电流内环调节器的比例和 积 分系数；分别为电压环轴 参 考电压。式（）为对 应图所 示控制框图的系统开 环传递函数：）（）式中：；。系统双环控制参 数：，（，心，匕。结 合系统双环控制参 数与式（）所 示的传递函数，得到式中：为 谐波下垂系 数；为 额定的谐波无功 容 量（由 定义）；为 实 际输出的谐波 功 率。在 旋转同步 参 考坐标系中，需要 在 谐 波频率处提 取显著 的低 次谐 波电流（，一），此时的形 式 是札。串联补偿电压为：，（？通过式（）直接 计算。而尤需通过 式（）计算 得到各次谐波的功率才能得到，即：图基 波与谐波控制框图（）允层麵麵图微网逆变 器 控 制 框图下垂控制系数由式（）可以得到：（）？）（）式中：叫和。分别为电 网额定角频 率和电压幅值；。和认为 微网逆 变器在额定电 网电压频率和幅值 情况下对应的有功 功率和无功 功 率；为 微网逆变器在 频率下 降时输出的最大有功 功 率；为微网逆变器输出最大 有 功 功率时允许的最小角频率；为 微网逆变器达到 电压下降最大允许值时输出的无功 功率；为 微网逆变器输出最大无功 功率时 允许的最小 电压。非线性负载均分 控制在非线性负载均分 控制中，将增强型虚拟谐波阻抗 投入系统，自适应地修 改逆 变器的参 考电压，其中基波与谐波控制 如图所示，基波采用 比例 积分调 节，而谐 波 控制需引入谐 波频率进行反馈调节。；伽包输入信号基频控制器如图所示的 系统 频 率特性曲线。图表明在电压电流双环控制下，系统幅值裕度（）大于，相角裕度（）大于，依据自动控制理论关于系统稳定性判据表明，在 所 提 控制策略及设 计 参数下，该系统具有很好的稳定性。，（）非 线性负载投入瞬间（）非线性负载 均分控制图逆变器并联实验波形 丨評丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨丨卩丨丨丨丨仰 图逆变器输出电压电流 波形 实验验证图进一步给出两台逆变器并 联系统在 非 线性负载 投入时刻的实验波形。由图可见，。时刻投入非 线 性负载瞬间，并 联逆变器系统输出电压出现明显 的畸 变。在 所 提 谐波 抑 制控制技术下，图 所示的两台逆变器输出电压谐 波 得到有 效改善且输出获得均流，对应的两台逆变器输出功率 也得到良好的均分。参 考文献王成山，武震，李鹏微电 网关键技术研究电工技术学报，（）：丁明，张 颖媛，茆美琴微网研究中 的关键 技术电 网技术，（）：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中 国电机工程学报，（）：受非线性负载的影响，传 统下垂控制不能 很好的均分微电 网孤岛模式下的分 布式电源并联系统电流和功率。在这种场景 下，这里提出在孤岛微电网逆变器控制系统中引入虚 拟阻抗、谐波补偿及二次控制策略。所提的谐波补偿环节很好地弥补了传 统下垂控制对于非线 性负载 功 率 均 分 精 度的不 足，二次 控制的投入进一步将电压和频率恢复 到 额定值，消除了传 统下垂控制带 来的电压、频率的稳 态误 差，自适应的虚拟阻抗增强了系统的稳定性。最后，分别通过系统 仿 真与两台并联逆变器原理样 机实验验证了所 提控制技 术的正确性以及有效性。结论 仿 真及实验 验证综合上述分 析，为了验证所 提 控制方 法的有效性，分 别基于仿真平台与实验室搭建了两台逆 变器并联仿 真模型及微电网动 模 实验平台。其中由两台逆 变器并联系统构建的微电 网动模实验平台，实验样机部分控制参 数 为：，：，：仿真验证并联 逆 变器系统 构 建的孤岛微电网中接入的非 线 性负载 分别含阻性、感性和 容性部分，其阻抗值分别为，以及（。由图可见，在 初 始状态时，受下垂控制和电压电流 环的调节，各台逆 变器的电压和频 率 均能保 持 稳定。由于虚 拟阻抗的引入，即使 接入非线性负载，两台并联的逆 变器有功和无功 功率也 能 够得到均 分。此外，在时投入的二次控制进一步消除了电压和频率相对 应于额定值的偏 差。（）电压幅 值及 频 率（有功、无功 功 率图电压频率 及 功 率 波 形 在图所示的逆 变器输出电压和电流波形中，受非 线性负载的影响，输出电流不 再 是稳定的三相 交流正弦波。由于谐波补 偿器的存在，让微电网逆变器输出电压、电流均能保 持 稳定。实测逆变器输出电压总谐波畸变率（）仅为，符合 电能质量基本要求。：、：叫次制入輸，（格）非线性负载 投入瞬间，：，开环频率 特性曲线第卷第期电 力电子技术，年月班馨图、（洚、