王興貴，董婉婉，王海亮

(蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

傳統(tǒng)交流微電網(wǎng)中微源通過橋式逆變器進行并網(wǎng)，不同微源逆變器之間并聯(lián)，且每個逆變環(huán)節(jié)輸出的電壓幅值、相位、頻率均不同，從而使系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，降低系統(tǒng)電能質(zhì)量[1-3]。為解決上述問題，文獻[4]提出了一種模塊化多電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)微電網(wǎng)(Modular Multilevel Converter Microgrid, MMC-MG)，該微電網(wǎng)具有輸出電壓正弦度高、頻率穩(wěn)定性好、輸出功率等級易擴展等優(yōu)點。

微電網(wǎng)具有孤島和并網(wǎng)兩種運行模式，當系統(tǒng)進行模式切換時，易發(fā)生大范圍電壓、頻率波動現(xiàn)象，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行。針對普通微電網(wǎng)的并離網(wǎng)切換，主要有雙模式切換和單模式切換[5-6]。其中，虛擬同步發(fā)電機(Virtual Synchronous Generator, VSG)控制因具有電壓源特性，能用于微電網(wǎng)并網(wǎng)運行和孤島運行，因此，被廣泛應用于微電網(wǎng)并離網(wǎng)切換領域。文獻[7]在VSG的基礎上，利用鎖相環(huán)對公共耦合點(Point of Common Coupling, PCC)兩端電壓和相位進行預同步，減小模式切換時沖擊電流的幅值。文獻[8]在預同步環(huán)節(jié)中加入二次調(diào)壓，不僅使系統(tǒng)在孤島情況下穩(wěn)定運行，且保證了系統(tǒng)并離網(wǎng)的平滑切換。文獻[9]在PCC兩端連接一個虛擬阻抗，通過控制虛擬阻抗上流過的虛擬無功功率或虛擬電流為零，保障系統(tǒng)運行模式平穩(wěn)過渡。

該文在雙閉環(huán)控制中加入電壓諧波補償，以降低系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時發(fā)電模塊電壓波動對輸出電壓的影響。然后，引入VSG控制，該控制僅能保證系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島時穩(wěn)定過渡，不能保證孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時不產(chǎn)生沖擊電流。因此，還需要加入預同步控制，縮小PCC兩端電壓幅值、相位的差值，確保系統(tǒng)模式切換過程的平滑過渡。

1 MMC-MG系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

MMC-MG系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)以MMC結(jié)構(gòu)為基礎，將光伏、風力微源經(jīng)變換器后與混合儲能系統(tǒng)(Hybrid Energy Storage System, ESS)并聯(lián)，然后接入MMC半橋子模塊電容兩端，構(gòu)成發(fā)電模塊(Generation Module, GM)。每個橋臂均由N個GM和一個電抗器L構(gòu)成。系統(tǒng)輸出端經(jīng)濾波裝置給本地負載供電或?qū)⒍嘤嚯娔芩腿腚娋W(wǎng)。

圖1 MMC-MG系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2 影響系統(tǒng)并離網(wǎng)切換的因素

2.1 GM輸出電壓波動

受橋臂電流交流分量的影響，混合儲能控制下的GM輸出電壓仍存在較小波動。此時，載波移相調(diào)制(Carrier Phase Shifting SPWM, CPS-SPWM)下系統(tǒng)逆變環(huán)節(jié)輸出電壓Uab為[10]：

(1)

式中：uzab代表Uab中的直流分量；usab代表Uab中的基頻偏差量；udc為GM電壓；M為調(diào)制比；ω0為調(diào)制波角頻率；N為投入GM個數(shù)。

其中，uzab、usab表達式如下：

(2)

(3)

式中：Δupj,Δunj(j=a,b,c)分別為上、下橋臂中GM電壓偏差量。

從式(1)中看出，這些偏差量疊加會導致系統(tǒng)輸出電壓包含直流分量和基頻偏差量。系統(tǒng)孤島運行時，會使系統(tǒng)輸出電壓產(chǎn)生偏移；而系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行時，直流分量入網(wǎng)會降低并網(wǎng)電流質(zhì)量。因此，需抑制系統(tǒng)所含的直流分量和基頻偏差量。

2.2 系統(tǒng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行

圖2是系統(tǒng)運行模式切換示意圖。開關S斷開時，系統(tǒng)處于孤島運行，通過負載ZL的電流iL1為：

圖2 系統(tǒng)運行模式切換示意圖

(4)

式中：UDG，θDG，ωDG分別為逆變環(huán)節(jié)輸出電壓的幅值、相位和角頻率。

開關S閉合時，系統(tǒng)處于并網(wǎng)運行，若忽略線路阻抗Zg，通過負載ZL的電流iL2為：

(5)

式中：Ug，θg，ωg分別為網(wǎng)側(cè)輸出電壓幅值、相位和角頻率。

式(4)(5)相減，可得電流差ΔiL：

(6)

(a)當UDG=Ug=U，ωDG=ωg=ω，θDG≠θg時：

(7)

(b)當UDG=Ug=U，ωDC≠ωg，θDG=θg=θ時：

(8)

(c)當UDG≠Ug，ωDG=ωg=ω，θDG=θg=θ時：

(9)

由式(7)～(9)可知，只有UDG=Ug，ωDG=ωg，θDG=θg時，ΔiL=0。若不滿足上述要求，系統(tǒng)離網(wǎng)轉(zhuǎn)并網(wǎng)會產(chǎn)生沖擊電流。

3 系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)切換控制策略

VSG具有電壓源特性，當系統(tǒng)由并網(wǎng)向孤島轉(zhuǎn)換時，系統(tǒng)輸出電壓幅值、相位、頻率僅有微小變化，此時，直接斷開PCC，系統(tǒng)仍可以穩(wěn)定運行。因此該文主要研究孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)過程。

3.1 電壓諧波補償

2.1節(jié)中分析了GM輸出電壓波動對系統(tǒng)并離網(wǎng)切換的影響。假設A相上橋臂產(chǎn)生電壓波動，令Δupa=m，其余值為零，對式(2)進行dq變換，可得：

(10)

對式(3)進行dq變換，可得：

(11)

由式(10)、(11)可知，uzab，usab經(jīng)dq變換后變?yōu)榛l分量和二倍頻分量，需要加入電壓諧波補償來降低GM電壓波動對系統(tǒng)并離網(wǎng)切換的影響。其原理如圖3所示。

圖3 電壓諧波補償控制框圖

系統(tǒng)輸出電壓Uabc經(jīng)過Park變換后，通過低通濾波器得到直流分量，直流分量與原始值作差得到交流分量，再經(jīng)PI調(diào)節(jié)后獲得電壓調(diào)節(jié)量，最后疊加到調(diào)制信號中，從而抑制直流分量。

3.2 VSG的基本原理及預同步控制

VSG的有功-頻率環(huán)表達式如下[11]：

(12)

Pm=Pref+kω(ωn-ω)

(13)

(14)

式中：J為轉(zhuǎn)動慣量；Pm，Pe分別為VSG的機械功率、電磁功率；D為阻尼系數(shù)；ω為VSG輸出的實際角頻率；ωn為額定角頻率；θ為參考電壓相角；Pref為有功功率參考值；kω為調(diào)差系數(shù)。

VSG的無功-電壓環(huán)控制方程為：

Uref=U0+kq(Qref-Q)

(15)

式中：Uref為VSG輸出電壓參考值；U0為額定電壓；kq為無功調(diào)節(jié)系數(shù)；Qref，Q分別為無功功率參考值和實際值。

VSG控制輸出的電壓幅值與相位可近似看作MMC-MG系統(tǒng)的輸出。在進行預同步時，采用VSG輸出的電壓幅值UVSG、相位θVSG與網(wǎng)側(cè)Ug，θg進行比較，作相應的電壓幅值和相位補償。圖4為VSG輸出電壓與網(wǎng)側(cè)電壓的矢量圖。

圖4 VSG輸出電壓與網(wǎng)側(cè)電壓矢量圖

將UVSG，Ug分解到αβ軸上，得電壓差ΔU為：

(16)

將式(16)經(jīng)PI調(diào)節(jié)送入VSG無功-電壓控制環(huán)，用于補償PCC兩端電壓幅值差，則式(15)變?yōu)椋?/p>

(17)

式中：kpu，kiu分別PI控制器的比例、積分參數(shù)；

相位同步原理如下所示：

(18)

式中：ω*為補償后的角頻率；kpθ，kiθ分別為調(diào)節(jié)電壓相位時PI控制器的比例、積分參數(shù)。

VSG一次調(diào)頻屬于有差調(diào)節(jié)。因此，借鑒電力系統(tǒng)二次調(diào)頻原理，在原有的有功-頻率環(huán)上引入積分補償，可實現(xiàn)無差調(diào)節(jié)。此時，式(12)可變?yōu)椋?/p>

(19)

式中：k為頻率積分補償系數(shù)。

要控制PCC自動閉合還需并網(wǎng)觸發(fā)信號，該信號包含PCC兩端相位差、電壓差和頻率差。當這三個條件同時滿足閾值要求時，可觸發(fā)PCC閉合。該文以sinΔθ作為相位觸發(fā)信號，當Δθ足夠小時，有sinΔθ≈Δθ，sinΔθ由圖4計算可得：

(20)

PCC兩端的電壓差為：

|ΔU|=|UVSGsin(ωVSGt+θVSG)-Ugsin(ωgt+θg)|

(21)

若UVSG=Ug=U，ωVSG=ωg=ω，θVSG≠θg，則上式可化簡為：

(22)

(23)

根據(jù)我國GB/T 33592-2017分布式電源并網(wǎng)運行規(guī)范控制規(guī)定[12]，當Δf≤±0.2 Hz、Δθ≤15°、ΔU≤±5%UN時，系統(tǒng)可以并網(wǎng)。該文選取ΔU≤±3%UN、Δf≤±0.2 Hz時系統(tǒng)并網(wǎng)，此時，由式(23)計算出PCC兩端相位差為1.72°。當Δθ=1.72°時，sin1.72°=0.03。圖5是并網(wǎng)信號產(chǎn)生條件。圖中，|u|表示對輸入信號取絕對值，UN=220 V。

圖5 并網(wǎng)信號產(chǎn)生條件

圖6為包含電壓幅值、相位、頻率預同步的虛擬同步發(fā)電機控制策略。圖7為MMC-MG系統(tǒng)并離網(wǎng)切換控制框圖。系統(tǒng)孤島運行時，僅需VSG控制、電壓諧波補償、雙閉環(huán)控制及CPS-SPWM調(diào)制。系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時，在上述控制的基礎上，開啟預同步控制。達到并網(wǎng)觸發(fā)信號后，閉合PCC，同時退出預同步控制，系統(tǒng)處于并網(wǎng)狀態(tài)。當接收到離網(wǎng)信號時，直接斷開PCC即可。

圖6 預同步與VSG結(jié)合控制策略示意圖

圖7 MMC-MG系統(tǒng)并離網(wǎng)平滑切換控制框圖

4 仿真分析

為驗證該文所研究控制策略的有效性，搭建了MMC-MG系統(tǒng)并離網(wǎng)切換仿真模型，具體參數(shù)如表1所示。設置交流負載為阻性負載，有功功率為 5 kW，無功功率為0 Var。VSG中Pref=10 kW，Qref=0 Var。初始時刻，系統(tǒng)處于孤島運行模式，0.4 s接收到并網(wǎng)信號，1.5 s系統(tǒng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行。

表1 系統(tǒng)仿真模型參數(shù)

4.1 電壓諧波補償

設置系統(tǒng)A相上橋臂upa1=140 V，B相上橋臂upb2=170 V，其余每個GM電壓均維持160 V。圖8是加入電壓諧波補償前后系統(tǒng)并離網(wǎng)切換輸出電壓、電流的對比仿真圖。

圖8 電壓諧波補償波形圖

4.2 MMC-MG系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)運行

圖9為系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)輸出電壓波形。未加預同步控制時，系統(tǒng)輸出電壓從311 V跌落至270 V。加入預同步后，系統(tǒng)并網(wǎng)時電壓跌落現(xiàn)象得到緩解，電壓可維持在311 V左右，較為穩(wěn)定。

圖9 系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)輸出電壓波形

系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)逆變側(cè)輸出電流波形如圖10所示。未加入預同步時，并網(wǎng)瞬間產(chǎn)生幅值高達100 A的沖擊電流。閉合預同步開關S1-S2后，系統(tǒng)并網(wǎng)未產(chǎn)生沖擊電流，可實現(xiàn)平滑過渡，但過渡時間較長，大約需要0.38 s。在此基礎上，加入二次調(diào)頻，即閉合開關S3，預同步時間縮短了0.1 s。

圖10 系統(tǒng)逆變側(cè)輸出電流波形

圖11為系統(tǒng)孤島轉(zhuǎn)并網(wǎng)時網(wǎng)側(cè)輸出電流波形?？梢钥闯鑫醇宇A同步控制時，入網(wǎng)電流產(chǎn)生沖擊，幅值約為98 A。加入預同步后入網(wǎng)電流沒有出現(xiàn)沖擊，0.1 s后電流幅值穩(wěn)定在11 A。

圖11 網(wǎng)側(cè)輸出電流波形

4.3 MMC-MG系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行

系統(tǒng)由并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行仿真波形如圖12所示。1.5 s系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島運行時，電壓有一瞬間的沖擊，幅值約為324 V，其波動未超過5%，符合電壓穩(wěn)定性判定標準。且電流在切換瞬間未發(fā)生明顯畸變。

圖12 系統(tǒng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)孤島仿真分析

5 總結(jié)

該文針對發(fā)電模塊電壓存在波動，從而導致系統(tǒng)并離網(wǎng)切換時輸出電壓不穩(wěn)定的問題，提出了一種電壓諧波補償和二次調(diào)頻預同步相結(jié)合的MMC-MG系統(tǒng)并離網(wǎng)平滑切換控制策略。仿真結(jié)果表明，所提控制策略不僅可以緩解系統(tǒng)電壓偏移現(xiàn)象，還可以在模式切換時減小沖擊電流、降低頻率波動、縮短預同步并網(wǎng)時間、保證系統(tǒng)安全可靠運行。