四桥臂电压质量调节器及其在微电网中的应用

李彦林，王明彦

（1.哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001；2.黑龙江东方学院，黑龙江哈尔滨 150086）

随着新能源的发展，尤其是风电和太阳能发电的接入，使得电力系统日趋复杂，一种趋势是分布式发电装置和负荷大量地以微网形式接入配电网。处于配电网末端的负载，如微电网，其与配电网的公共连接点（PCC）的电压易受配电网电压暂态跌落、骤升、瞬间中断、不平衡及谐波等扰动的影响产生波动，使微电网内微电源及用电负荷不能稳定工作，甚至损坏。因此对系统电压闪变等问题治理的同时，电压骤升、不对称分量和谐波补偿也逐渐成为补偿要求[1-4]。

目前最常用的改善电压质量的有效装置是电压源型动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）[5]。为补偿持续电压跌落提供有功功率常需要配有储能装置，文献[6-8]分别提出采用超级电容器和飞轮储能的DVR，用于解决电网电压跌落。然而这些DVR多以补偿电压跌落为主，很少同时考虑对输出电压的跌落、骤升、不平衡、谐波等波形畸变补偿。

传统DVR常用控制方法主要采用电压外环比例积分（PI）控制，电流内环比例（P）控制的双环反馈控制策略，该策略具有较好的稳定性和动态性能[8-9]。但在配电网电压出现不平衡分量和谐波时，仅使用单个PI控制无法实现补偿量的精确跟踪，需要对系统电压的基波和各次谐波正负序分量分别提取并进行分序控制，特别是配电网采用四线联接存在零序分量，还需对零序分量进行控制，建立正、负、零序dq坐标系PI控制器，对正序、负序、零序分量分别进行控制。上述分序控制方法能实现电压精确补偿控制，但分序提取需多次坐标变换采用低通滤波器，且计算量大，影响系统动态性能。

为解决并网运行时配电网电压质量恶化对微电网的影响，本文在分析一种新型谐振控制的基础上，提出能同时补偿配电网电压跌落、骤升、不平衡、谐波等电压质量问题的四桥臂电压质量调节器（Voltage Quality Regulator，VQR）补偿配电网电压扰动。针对电网电压暂降、骤升、电压不平衡和谐波等工况进行仿真了验证，结果表明该方法实现了电压质量的综合补偿。

1 四桥臂VQR结构及补偿分析

图1是本文建立的VQR结构，串接在微网与低压配电网之间的PCC处，由配电网为微电网提供电压和频率支撑。

图1 VQR结构Fig.1 Structure of the VQR

图1 主要包括直流超级电容（SC）储能，滤波电感Lb，DC-DC变换器，直流侧电容Cb；三相四桥臂变流器（VSC），LC滤波器（Lvsc，C）；旁路功率半导体开关S，并网功率开关Spcc；udc为直流电压，io为直流侧电流。其中四桥臂VSC是在三相三线VSC的基础上增加一个桥臂，用来直接控制中性点电压，解决零序电压不平衡，第四桥臂的增加使得控制更加灵活，但并未增加控制的复杂性。

当三相四线连接的微电网与配电网之间无隔离或采用有中线Y-Y变压器隔离方式联接（本文中采用无隔离方式联接），配电网存在电压跌落、骤升、不平衡和谐波质量问题时，电压中包含正序、负序、零序分量，如式（1）所示。

式中，Ui、φi（i=P，N，Z）代表正序、负序、零序电压的幅值和初相位。因此需要采用四桥臂VQR实现对正序、负序、零序电压控制，电网电压存在谐波时VQR还应具有谐波抑制功能。所以VQR补偿目标为：对跌落和骤升电压基波正序分量补偿差值，对不平衡基波负序、零序及谐波电压产生相反电压抵消。

2 一种新型谐振控制

VQR输出电压要求有很好动态、静态性能，应充分考虑配电网的扰动，实现对配电网电压跌落、骤升、不平衡、谐波的补偿，常用的PI控制器难以达到理想的控制效果。

以贯彻实施《苏南国家自主创新示范区条例》为契机，结合落实中关村创新政策，省科技创新40条、科技改革30条、人才新政26条、知识产权18条等政策，研究制定相关配套措施，着力破解体制性障碍，完善以市场为导向的科技投入机制，健全科技资源共享和成果转化机制，营造最优的创新创业生态，最大限度释放各类创新创业主体活力。定期开展创新载体评估，树立一批创新标杆，宣传一批创新典型，充分发挥创新标杆在苏南自创区建设中的示范效应和引领带动作用，更好地营造苏南自创区建设的良好氛围，在苏南自创区加快形成各类创新载体建设比学赶超、争先进位的良好局面。

本文采用能够在静止坐标系下对交流信号进行无静差调节的新型谐振控制器，在矢量比例积分（Vector Proportional-Integral，VPI）控制的基础上（见参考文献[11]），增加比例控制P，由P与VPI综合组成比例矢量比例积分控制（PVPI），本质上该控制器基于内模原理实现[12]。新的PVPI控制（见式（3））无需多次旋转坐标变换，不存在耦合项，易于实现低次谐波补偿。

VPI控制传递函数如式（2）所示，Kp、Ki为比例和积分系数，ω为谐振频率。

由式（3）可见，PVPI控制由于比例项Kp0的加入使动态性能可以独立调节，改善了PVPI控制VQR的动态性能。

PVPI控制在50 Hz特定频率下的幅频相频特性如图2所示，开环增益趋近于无穷大，理论上在谐振频率处实现了零稳态误差，既保留了VPI控制在谐振频率处增益趋近无穷大的选频特性，同时可以通过调节控制器的比例项，改善动态性能。

图2 PVPI控制波特图Fig.2 Bode diagram of PVPI control

3 基于PVPI控制的VQR控制策略

建立在αβ0静止坐标系内的电压质量调节器控制系统由变流器控制和超级电容控制两部分组成。VSC输出补偿电压对PCC电压进行完全补偿。系统功率变化会导致直流母线电压波动，通过DC-DC控制超级电容快速充放电来维持直流侧电压稳定。

3.1 VSC控制

VSC控制采用电压外环、电流内环的双环控制策略。配电网电压经过Cabc-αβ0坐标变换，提取正序基波电压合成包含电压基波正序、负序、零序及谐波分量的补偿电压，将给定的电网电压参考基准分量减去补偿电压作为电压环参考值。电压外环采用PVPI控制，电流内环采用比例控制P，电流环输出无需再进行坐标变换即可作为三维空间矢量脉宽调制（Three-Dimensional Space Vector Pulse Width Modulation Algorithm，3D-SVPWM）的调制信号，实现对四桥臂电压质量调节器的有效控制。

利用设定的电网电压参考基准uref减去补偿电压usys，得到的所有分量作为VSC参考信号。补偿信号usys实现过程如图3所示，电压usys包括跌落后基波正序分量、待补偿的基波负序、零序分量以及各次谐波分量。

为获得电压usys，首先在静止αβ坐标系内检测出基波正序电压，在配电网电压不平衡且含有谐波的情况下，采用图4所示方法进行正序基波检测。图中，ω0为谐振频率；ωc为截至频率；K为比例系数，文献[13]证明图4方法具有正序基波提取功能，其输压usys为

图3 补偿电压计算Fig.3 Calculating of compensation voltage

图4 基波检测Fig.4 Fundamental wave extraction

由第2节分析可知PVPI控制具有频率选择特性，可以实现对指定次电压指令信号的零误差跟踪。系统的控制框图如图5所示，图中VQR输出电压uvsc、电感电流iLvsc经过Clarke变换为uvscαβ0、iLvscαβ0作为电压和电流反馈。

图5 VSC控制框图Fig.5 Block diagram of VSC control

3.2 DC-DC控制

SC储能系统通过双向直流变换器与直流母线相连，当超级电容充电时构成降压电路实现充电，当超级电容器放电时构成升压电路实现放电。

为使直流母线电压保持在给定的电压值，SC储能系统采用电感电流isc内环直流电压udc外环控制，外环采用PI控制器，内环采用比例控制器P，Kpwm是DC/DC变换器等效增益。控制结构如图6所示。

图6 DC/DC控制系统框图Fig.6 Block diagram of DC/DC control system

SC的端电压Usc过高会影响使用寿命，而其端电压过低又会导致输出功率时电流过大而引起过热，为避免SC的过度充放电需要对端电压控制使其工作电压保持在一定范围之内，采用文献[14]方法对充放电进行控制。

4 仿真分析

为了验证分析结果在MATLAB/SIMULINK下建立下图7仿真模型对VQR在微电网中应用进行仿真，仿真参数如下：配电网电压Us=380 V/220 V，微电源DG1、DG2额定功率Pdg1=Pdg2=15 kW，DG3、DG4额定功率Pdg3=Pdg4=6 kW；重要负荷三相有功功率PL=5 kW，无功功率QL=2 kV·A；普通三相负荷R11=R12=R13=100Ω，L11=L12=L13=3 mH，线路阻抗Zx=0.642+j0.101（x=1，2，3，s），超级电容（SC）组为1 320 F。

图7 串联VQR的微电网Fig.7 Micro-grid structure with the VQR

4.1 短时电压跌落及骤升补偿

图8 是电源电压幅度在0.1~0.2 s发生短时平衡跌落，跌落至10%的补偿结果。图8（a）为配电网侧电压，图8（b）为微电网侧电压。图9是电源电压幅度在0.1~0.2 s发生短时平衡骤升，骤升50%后的补偿结果。图9（a）为配电网侧电压，图9（b）为微电网侧电压。对比可以看出，采用基于多谐振PVPI控制的VQR实现了补偿配电网的电压跌落和骤升。

图8 电压跌落补偿Fig.8 Results of compensation for voltage sags

图9 电压骤升Fig.9 Results of compensation for voltage swell

配电网常发生单相不平衡跌落，图10是a相电压跌落至0的仿真波形，可以看出0.1 s发生跌落持续到0.3 s恢复。跌落发生后启动VQR对电网电压完全补偿，补偿后微电网侧电压基本不变。

4.2 短时电压谐波补偿

图11是配电网电压存在谐波（THD=8.5%）条件下仿真结果，经过VQR补偿后微电网电压谐波降低为THD=0.6%，达到了微电网运行要求。

配电网电压谐波经常与电压故障同时发生，图12为配电网端电压在0.1～0.3 s有电压幅值不平衡跌落，并且存在3次、5次、7次、9次和11次谐波分量，对比配电网侧电压和微电网侧电压可以看出，VQR启动后起到了显著的补偿效果，可以同时补偿电网电压谐波和短时跌落。

图10 单相不平衡跌落补偿Fig.10 Result of compensation for unbalanced singlephase voltage sags

图11 电压谐波畸变Fig.11 Results of compensation for voltage harmonics

图12 电压跌落伴随谐波Fig.12 Results of compensation for voltagesags and harmonics

从以上验证结果可以看出，基于PVPI控制的四桥臂VQR双环控制策略可以实现对配电网电压扰动有效补偿，从而在电网电压存在扰动情况下确保微电网并网运行。

5 结语

本文设计了一种串联于低压配电网和微电网PCC处，采用三相四桥臂结构的电压质量调节器。提出了基于多谐振PVPI控制器的VQR控制策略，实现了对电压跌落、骤升的补偿和对电压不平衡负序、零序以及谐波分量的抑制。VQR在微电网中的应用提高了配电网电压扰动时微电网故障穿越能力，此外还可以对配电网内其他负载电压扰动进行综合补偿，具有一定应用前景。

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