4微电网逆变器在离网工作模式下的电压均衡控制方法研究

1、微电网逆变器在离网工作模式下的电压均衡控制方法研究，（市 211106）航空航天大学自动化学院 江苏省摘要：对于工作在离网模式下的微网逆变器，在可能会出现的负载不对称或者单相负载运行场合，采用传统的电压电流双闭环控制方导致输出电压严重不平衡的现象，从而危害供电设备以及整个系统。基于电容式的三相四线逆变器系统，本文针对逆变器在离网模式下带不平衡负载运行，建立相关数学模型分析抑制不平衡问题，找到传统比例积分控制的缺陷，并在此基础上采用正负序分离独立控制和比例积分准谐振控制策略。仿真结果证明该控制策略具有正确性。最后在小功率微网逆变器实物上通过实验验证了该方案的实用性和可行性。：负载不对称；电压均衡

2、控制；正负序分离；准谐振控制；微网逆变器Research on Voltage Balance Control Strategy of Micro-Grid Inverter forOff-Grid SionZHANG Mengfan, CHEN Xin(College of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province) Abstract: As the traditional control strategy of mi

3、cro-grid inverter working on off-grid s ion under unbalanced loads can cause the seriousunbalance problem of output voltage, a new control strategy was app d to solve this defect on micro-grid inverter. Byyzing the modeof inverter with split capacitor, this pred the control strategy based onitive an

4、d negative-sequence control and quasi-resonantcontrol. Simulation and experimental results showt the 15kW micro-grid inverter with split capacitor working on off-grid mode underunbalanced loads which use this strategy can operate stably.Keywords: unbalanced lode; voltage balance control;itive and ne

5、gative-sequence detection; quasi-resonant control; micro-grid inverter引言分布式发电（Distributed Generation，DG）1-4是相对传统集中式发电而言的独立的发电系统，有着便及，这使得用户对电网运行的可靠性和电能的质量要求越来越高。但是工作在离网模式的微网逆变器又常常会工作在三相不平衡的情况下。三相不平衡问题包括两个方面，即三相负载不平衡和三相电源不平衡。三相负载不平衡是指三相系统中每相的复阻抗不完全相等；三相电源不平衡是指三相电力系统中的三相电动势不平衡。对于离网状态下的微网逆变器，三相不平衡主要由负载不

6、平衡引起的 8。三相负载不平衡不仅会引起电压波动、闪变，同时不平衡还会给系统注入大量高次谐波，严重影响供电电能质量，危害用户供电安全9，因此必须采取有效措施抑制系统输出不平衡问题。不对称问题产生的本质则是由于不对称负载产生的负序电流和零序电流，传统的三相三线制逆变器则无法通过控制解决不平衡负载问题。所以一般采用三携、绿色、可靠性高等优点。能作为分布最广泛、清洁的能源，越来越多地被应用在分布式发电中，分布式发电系统的发展促进了微电网的发展。为了使微电网的使用更加灵活与高效，储能设备必不可少，而能在离网和并网的状态下平稳工作和切换也成为了基本的要求5-7。随着电力系统规模的日益扩大，负载用电密度迅

7、速增加，对电能质量敏感的用电设备不断普基金项目：航空航天大学创新（）开放基金(kfjj20160307)；高校基本科研业务费专项资助。Project Supported by Fundation of Graduate Innovation Center inNUAA (kfjj20160307); Project Supported by the FundamentalResearch Funds for the Centraiversities.相四线制的拓扑抑制负载不平衡，常见的拓扑ua (uao ubo ub ) Rs (ia ib )有：中点形成变压器输出三相逆变器，三相四桥臂逆(1

8、)变器，应用电容的三相四线逆变器。其中，带变由此可见，三相之间输出不独立。依据对称分量法可知，任意一组不平衡的三相向量可以分解出正序分量，负序分量和零序分量，不考虑谐波，不平衡电压可以表述为：压器的逆变器系统控制简单，但是变压器体积和重量较大，而且变压器带来的损耗也比较大；而采用三相四桥臂拓扑，额外增加一个桥臂提供负载端中线，将三相电路解三个独立的单相电路进行控制，从而cos(t P )Ua 抑制不平衡问题，但是控制较为复杂；应用的三相四线逆变器利用直流端电容中点作为负载电容t 2 )U PUm cos(b P3Uc 2cos(t P )共中线，为零序电流提供回路，但需要控制直流端电容电压平衡

9、10。本文针对在小功率微电网应用的场合，采用应用电容的三相四线逆变器，对于在离网模式下带不平衡负载的工作状况，提取输出的正负序分量分别进行控制，抑制负序分量，同时采用空间 SVM 进行调制以抑制零序分量，从而实现输出的电压平衡。搭建仿真模型，对控制策略进行仿真，并在微网逆变器实物上通过实验验证了该方案的可行性。3 (2)cos(t P )cos(t 0 ) 20 )N Um cos(t ) Ucos(t m PP3cos(t 0 ) 2 )cos(t P3由(2)可知如果要想让输出电压平衡，就应该控制负序分量和零序分量为零。将式(2)进行 Park 变换变换到正序分量的同步旋1 不平负系统模转

10、坐标系下：ud U P cos(P ) U N cos(2t N ) 如图 1.1 所示的是应用电容的三相四线逆变(3) m )m sin(sin(2t )u P N q器工作在离网模式下的拓扑，其中 Z 为本地负载，Ua、Ub、Uc 为电容电压，设 UA、UB、UC 为逆变器输出电压。从式(3)可以看出，正序分量变为直流量，而负序分量变为两倍频的交流量，对于交流量采用比例积分控制的性能却较差，所以常规的比例积分控制并不能实现电压电流双闭环的控制。需要采用比例积分谐振的方式对负序分量进行控制14,15。当三相负载不平衡，RA、RB、RC 的阻值不同，则输出电流的表达式为：RA costia U

11、m i UR cos(t 2 / 3)(4) bmBic UmRC cos(t 2 / 3)1.1三Fig. 1.1 Three-phase four-wire inverter system with split capacitor为了方便分析可以对模型进行简化，可以给出如图 1.2 的三相三线制逆变器的等效模型11-13。则可以得到中线上的零序电流：in Um R cos(t 0)(5)其中 R 为零序电阻， 0 为零序电流相位角，则可以得到中线上有零序电流，理想情况下电容C1=C2=C，进一步可以算出中点电位 UO 的表达式为： Udc 1i dt Udc Umsin(t )U(6)22

12、RCOc202C2可以看出，当逆变器带不平衡负载时，中点电位会叠加一个小的交流量，由图 2.2电位恒定时输出电压基波分量表达式为：电容中点1.2电Fig. 1.2 Equivalent circuit of inverter对于A 相可以列写方程：2krcsUa UO M cos( t)G (s) (9)R22Ub UO M cos( t 2 / 3)s 2cs 0(7)U U M cos( t 2 / 3) cO准谐振控制器包括三个参数 kr、c 以及0，其中0 为其谐振频率。下面分别就 kr 和 c 两个控制参数对控制器产生的影响做进一步分析。M 为调制比，当中点电位发生波动时代入式(6)

13、，：M cos( t)Ua!未找源 图 2.2(a)是 c=1，kr 时谐振UU dc m sin(t ) M cos( t 2 / 3)Ub(8) 控制器的波特图。kr 从 1 增加到 100，可以看到，谐振控制器的幅值增益随着 kr 的增加不断增加，而相角却保持不变。图 2.2(b)是当kr=1，不同 c 时谐振控制器的波特图。当 c 从 1 增加到 100 时，随着 c 的增加，谐振点处的幅值增益越小，同时其相频特性的斜率越低，带来的谐振现象越不明显，但是对于谐振点外的频率，其增益越来越大，因而需要选取合适的 c。22ZC0UM cos( t 2 / 3) c由式(8)可以看出当中点电位

14、发生波动时，会在输出电压引入一个交流波动和一个直流分量，由前面分析，在空间 SVM 中，由于输出电压的零序分量会包含一定的交流分量和直流分量，零矢量作用时间 t0 和t7 大小不一致7，所以在一个周期中流入电容的电流不均分，从而电容电压也会受此影响出现偏差，同时控制精度、采样误差和开关管性能差异影响也会导致输出电压含有直流分量，而输出滤波电容中点和电容中点连在一起，所以这个直流分量会导500 50100100致电容。最终由于中点电位偏移过多导50致输出波形削顶现象。同样所以必须要对零序电压进行控制。0 501002于比例积分谐控10100频率(Hz)1000(a) 不同 kr 时谐振控制器的波

15、特图由上文的分析可知，要想有效地抑制负载不平衡带来的输出电压不平衡问题，必须要对零序分量和负序分量进行控制。由此可以设计出如图 2.1 所示的系统控制框图，上半部分为负序分量控制框图，下半部分为零序分量控制框图。 600100RPI200100010100频率(Hz)(b) 不同 c 时谐振控制器的波特图2.2krcbodePIRPark变换Fig. 2.2 bode diagram of different kr and c令 s=j ，：2k j0kG ( j) r c r(10)R2 j2 2 1 j(2 2 )/ 2 2.1Fig. 2.1 Control system diagram

16、 of the new control strategyUdc1-Udc2 为一直流量，控制参数设计同传统电压环。(uA+uB+uC)/3 为一交流量，由前面分析可知，可能会叠加一定的直流偏置，频率为基波频率 50Hz，选择比例谐振控制器，谐振频率为 50Hz，同时单比例控制器调节可以一定程度上抑制对偏置的放大作用。选择准谐振控制器数学形式如下：c00c谐振控制器带宽为 GR ( j) kr2 时两个频率/ )/ 2 ( j) 的22之差，因而可令 (1，求得G0cR带宽为 c/。孤岛运行时，逆变器频率给定为 50Hz，令其变化范围为0.5Hz，则有 c/=1Hz，即 c=rad/s。由图 2

17、.1 可以得到电压环的开环传递函数为：幅频特性(dB)相频特性(deg)幅频特性(dB)相频特性(deg)PIRPIPIPISV2krcsKvi Fig. 2.4 Closed loode diagram of proportionalegralG (s) 1 (K)(11)ous C(1 4T s)vpss 2 s 22resonance (PIR) controlsc03 仿验依据典型系统进行电压环路参数设计： 0.06 60Kvp为了验证系统控制策略应用于三相不平衡负载的K(12) vi可行性及动态性能，在环境下搭建逆变器系统对于三相逆变器带不平衡负载工作，单相负载运模型进行仿真分析。图

18、 3(a)为传统电压电流双比例积分控制下的三相负载不对称仿真波形，0.5s 处本地负载从三相 15kW 切换到单相 5kW，可以看出切载后三行是最的工作条件，因而设计电压环路时，为了满足三相不平衡度在 5%以内，准谐振环节带宽之内幅值增益应该大于 26dB，取边界条件有：相输出电压不平衡。把比例积分谐振控制策略应20 log( Gou ( j2 99) ) 26用于逆变器系统中后在同样的实验条件下得到图 3(b)的波形，系统的不平衡度得到很大的改善。可以验证之前分析的正确性以及控制方法的可行性。20 log( G ( j2 101) ) 26(13)ou当 k =0.8， =2rad/s 时，

19、满足上式要求。画出r2c25004003002001000系统电压环传递函数波特图 2.3。由波特图可以看到，系统的穿越频率为 250Hz，相角为 40。-100-200-300-400200200补偿前幅频曲线-500补偿后幅频曲0.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6t/s(a) 传统双比例积分控制单相负载切换波形补偿前相频曲线100100补偿后相频曲500400300200100000 0010040deg 80180-100-200-300-4001031 0410100频率(Hz)2.3Fig. 2.3 Open lo环o

20、de diagram of proportional resonance (PIR) control-5000.4 0.42 0.44 0.46 0.48 0.5 0.52 0.54 0.56 0.58 0.6t/segral（b）改进型比例积分谐振控制单相负载切换波形图 3Fig. 3 Simulation results of two control strategies列出电压环闭环传递函数：2krc sKvi14 实果(K)s C(1 4T s)vp2 2 s 2ssG (s) sc0(14)2k scu1K为了验证上述设计的抑制负载不平衡方法和中点点位控制的算法在实际应用的有效性，构

21、建了如图1 (K vi r c) s s C(1 4T s)vpss 222sc04.1(a)所示的试验，光伏电池可以用 Chroma 公司为了验证加入准谐振控制器后系统在正序同步旋的可编程直流源模拟，储能电池采用欧利特 LCPC21-12 胶体电池；三相桥臂采用 MITSUBISHI公司的 PM100CL1A120 IPM 模块；电流采样用 VAC公司的 4646-X410 板上 LEM；控制方式为数字控制，采用TI 公司的TMS320F28335 DSP作为功率控转坐标系下对两倍频负序分量的性能，画出电压环闭环波特图 2.4，可以看到，在 100Hz 处，系统幅值增益为 0.023dB，相

22、角差为-1.021，可以较好地抑制不平衡带来的负序两倍基波频率的分量。9090幅频曲线制器。搭建如图 4.1(b)所示的微网实验。相频曲线50500050-5090-90 031000频率(Hz)102.4相频特性(deg)相频特性(deg)幅频特性(dB)幅频特性(dB)Vo/VVo/V直流母线交流母线直流源蓄电池组本地负载1本地负载2DC/AC逆变器电网 功率线 通讯线t(10ms/格)(a) 传统双比例积分调节带单相 5kW 负载工作控制单元(a) 实验系统框图t(10ms/格)(b) 改进型比例积分谐振控制带单相 5kW 负载工作4.2Fig. 4.2 Experiment resul

23、ts of Different control strategies可以看出相较于传统的方案，改进后的对负序分量和零序电压进行比例积分谐振控制方案在解决负载（b）微网逆变器实验4.1实物图Fig. 4.1 Platform of micro-grid inverter表 1 给出了实验系统的参数。1Tab. 1 Experiment system parameters不平衡问题上切实有效，满足应用变器带不平衡负载工作的要求。5电容的微网逆本文对于微网逆变器离网模式下带不平衡负载运直流母线电压720V行问题，针对应用电容的逆变器拓扑，首先进行了原理分析，给出相关数学模型，将不平衡控制归结为控制其

24、零序和负序分量两个角度，对不平衡输出电压进行正负序分离应用比例积分谐振控制进行准谐振控制，针对零序分量采用空间 SVM 的调制方式，在直流源输入电流范围038.6A额定单相交流输出电压220VAC额定单相交流输出电流22.7A下进行，验证了理论分析和控制额定输出功率15kVA方案的正确性，并在在小功率微网逆变器的实验上进行实验验证，证明了该方案的可行性，可以保证微网逆变器在离网模式下带不平衡负载工作。文开关频率 fs20kHz20 F输出滤波电容 C输出滤波电感 L1mH1 王成山,相. 分布式发电供能系统若干问题研究J. 电为了验证上述方案的有效性，在实验中取最的单相 5kW 负载工作。并且

25、和传统的双 PI 调节方案力系统自动化, 2008, 32(20): 14.Wang Chengshan, Wang Shouzu. Study on Some Key Problems Related to Distributed Generation SystemsJ Automation of进行对比。在图 4.1(b)所示的微网逆变器实物上应用传统的双比例积分调节可以得到如图 5.3(a)所示的实验波形，可以看到波形的正弦度较差而且出现了上文分析的中点电位偏移导致的波形削顶现象。同样的工作状态下采用上文改进后的对负序分量和零轴分量进行比例积分谐振调节方案之后可以得到如图5.3(b)所示

26、的稳态工作波形。Electricer Systems. 2008, 32(20):1-4(in Chi).2 Rocabert J,a A, Blaabjerg F, et al. Control ofererconverters in AC microgridsJ. IEEE TranElectronics, 2012, 27(11): 734-4749.ions on3 Blaabjerg F, Ma K, Zhou D.er electronics and reliability inVa,Vb,Vc（100V/格）Va,Vb,Vc（100V/格）renewable energy sys

27、temsC/IEEEernational SymiumThree-phase Four-wire Metro Auxiliary ConverterJ Beijing:Journal of The China Railway Society, 2012,34(4):3438(inon Industrial Electronics. Hangzhou, China: IEEE, 2012: 9-30.Chi).4,. 分布式发电系统中 LCL 滤波并网11 Bottrell N, Prodanovic M, Green T C. Dynamic. Stability of a逆变器电流控制研究综

28、述J. 中国电机工程学报, 2015,35(16): 4153-4166.microgrid with an active loadJ. IEEE TranElectronics, 2013, 8(11): 51075119.ionsonerXu Jing, Xie Shaojun, Zhang Binfeng. Overview of current12 Wang X, Blaabjerg F, Loh P C. An impedance-based stabilitycontrol techniques frid-connected inverters with LCL filtersys

29、ismethodforparalleledernationalvoltagesourcein distributeder generation systemsJ. Proceedings of theconvertersC/IEEEerElectronicsCSEE, 2015, 35(16):4153-4166(in Chi).Conference(IPEC-Hiroshima 2014-ECCE-ASIA). Hiroshima:EEE, 2014: 1529-1535.5. 光储微电网主逆变器控制策略研究D.:航空航天大学, 2015.Xu Yi. Research on the Coo

30、rdination Control Strategy of the13,. 直流微电网建模与稳定性分析. 电力自动化设备J, 2010, 30(2): 8690.Shi Jie, Zheng Zhanghua, Ai Qian. MMaster Inverter App d inegrated Photovoltaic anding of DC micro-gridEnergy-storage Micro-gridD. Nanjing: Nanjing University ofand stabilityysisJ. Electricer Automation Equipment,Aerona

31、utics and Astronautics, 2015(in Chi).2010, 30(2): 86-90(in Chi).6,.整流器及其控制M.: 机械工业出14,. 基于比例谐振调节器的逆变器双环控制版社, 2012.Zhang Xing, Zhang Chongwei.策略研究J, 电工技术学报, 2012, 27(2): 77-81.Huang Ruhai, Xie Shaojun. Double-loop digital control strategyrectifier and itscontrolM. Beijign: China Machine Press, 2012(in Chi).based on proportional-resonant controllerJ.