明志勇，粟时平，刘桂英，邓明锋，郑彬宇，左鹏辉（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙410004）

微网友好接入的柔性变流器并网接口控制方法

明志勇，粟时平，刘桂英，邓明锋，郑彬宇，左鹏辉
（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙410004）

针对微网友好接入对高性能并网接口的需求，提出了一种新型的柔性变流器并网接口。为了使该并网接口有效地工作，给出了基于瞬时无功功率理论的电流检测方法，深入研究了柔性变流器并网接口直流侧电压和定无功功率控制方法；此外，基于加权电流反馈的思想，提出了谐波和不对称电流综合补偿的滞环电流控制方法。最后应用Matlab/Simulink进行了仿真，仿真结果进一步验证了使用所提并网接口与控制策略实现微网友好接入的有效性和可行性。

微网；并网接口；柔性变流器；谐波补偿；并网控制

世界上的石油、天然气、煤炭等传统能源的开发利用量由于全球经济的繁荣发展而与日俱增，由此产生的温室效应日益明显，但是人们对电力的需求还在节节攀升，因此新能源发电技术正受到广泛关注。而发展含新能源发电的微网并网技术，有助于提高分布式电源的利用率，使其控制更加灵活和智能。微电网在电力系统扩容、增强电力电力系统可靠性、改善电能质量、节能减排与绿色环保以及提高能源利用率等方面都发挥出巨大的潜能[1-2]。

微电网是由一定数量的分布式电源DG（distributed generation）、负荷、储能装置，保护和监控装置所共同组成的系统，通过相应的控制装置，形成一个单一可控的单元[3-4]。风力发电、光伏发电等DG输出功率的随机性、间歇性，微网所带的不平衡、非线性负荷，电力电子并网接口本身的非线性，都使得并网联接点的电能质量[5]水平深受影响，可能出现谐波、保护干扰、电压调整等问题。若不采取恰当的措施，整个并网系统的电能质量问题将会面临严重挑战。因此微网的友好接入显得尤为重要，而其“友好”性主要体现在：①电能质量良好；②能量交换高效灵活；③与主电网之间的影响是良性的；④并网系统经济安全。

为了解决上述问题，并保证微电网并网正常运行，微网并网系统至少面临2个基本要求：一是常规并网接口的并网功能，如保持直流侧电压稳定，实现潮流传输；二是电能质量的综合治理功能，如不出无功、谐波、电压跌落等电能质量问题。于是，有助于微网友好并网的柔性变流器[6]接口成为了国内外学者研究的焦点。浙江大学曾正等[7]提出了单相和三相多功能并网逆变器，不仅可以传输有功功率，而且还能充当电能质量调节器的作用，补偿负荷无功功率和控制连接点的电能质量；江苏南自通华电气成套有限公司倪道宏等[8]研制了一种全功率直驱式风电机组柔性并网变流器；韩国Myongji大学的Han等和新加坡国立大学的YU等分别提出一种多功能的并网变流器[9-10]，除了具有常规并网接口的并网功能外，还复合了UPQC的电能质量调节功能；JenoPaul等提出了一种恒频统一电能质量并网变流器[11]，它的拓扑结构由一个矩阵逆变器和一个统一电能质量调节器UPQC（unified power quality conditioner）组成，矩阵逆变器主要负责频率调整，而UPQC负责补偿电流电压谐波以及无功控制；新加坡的南洋理工（Nanyang Technological）大学的Li等提出了一种新型的并网变流器拓扑[12]，其由一个串联和一个并联的三相四线制逆变器组成，可以补偿所有正序、负序、零序谐波电流电压，提高整个并网系统的电能质量水平；印度理工学院（Institute of tec-hnology）的Sawant等针对风力发电并网的谐波、不平衡电流等电能质量问题的治理提出了一种多功能并网变流器拓扑[13]，其由AC/DC和DC/AC共同完成。然而，国内外学者所做的研究大部分集中在多功能柔性变流器并网接口上，但是现有的多功能柔性变流器功能比较单一，复合功能主要集中在谐波电流、无功电流补偿。复合补偿电网电压不平衡、跌落以及谐波的多功能柔性变流器并网接口却鲜有涉及，而且控制复杂，实现困难。

本文提出的柔性变流器并网接口，相比于常规并网变流器，不仅实现了微网并网的基本功能，而且复合了微电网输出功率可控、电能质量问题治理等功能；而相比于功能分离的多台装置，又降低了系统的投资和体积，提高了并网变流器的性能价格比。相应地，对于柔性变流器并网接口的并联逆变器部分，提出了一种直流侧电压和定无功功率控制控制和电压外环电流内环的双环控制方法；对于其串联逆变器部分，提出了一种基于加权电流反馈的滞环电流控制策略。

1 柔性变流器并网接口的基本原理

1.1 柔性变流器的基本原理

电力电子变流器一般可以由DC/DC、AC/AC、AC/DC、DC/AC等4种变流器中的一种或者几种构成。早期的电力电子变流器大都停留在量身订做，针对固定的应用场合以及功能要求，选取合适的拓扑结构和元器件去开发完成的。它的基本特点是拓扑结构固定、应用场合单一、通用性能差。

对于拓扑单一的固定型变流器，能量转换功能比较单一，拓扑和功能的选择需要针对特定的应用对象，不适于标准化集成，因而存在着适应范围窄的局限性。目前，不少专家学者都在致力于研究如何通过改善相关技术来拓展已有拓扑的宽范围适应性，于是提出一种变拓扑的柔性变流器。柔性变流器是一种在工作过程中可以根据外部环境自动改变运行拓扑结构和（或）能量转换功能的新型集成式电力电子装置。柔性变流器理论上克服了固定型且功能单一电力电子变流器的不足，可以看成是电压源、电流源、阻抗源、矩阵型变流器的各种基本拓扑形式和能量转换功能的灵活组合和转换，增加了传统变流器所不具备的“柔性”特性，是电力电子系统集成技术的一个重要发展方向，因此具有很好的应用前景。

1.2 微网柔性变流器并网接口拓扑

如图1所示，整个微电网并网系统由DG、主电网、负荷以及柔性变流器并网接口组成。其中DG可以由太阳能光伏电源、储能电池或者风力发电电源一种或几种构成，通过直流母线（DCbus）连接形成直流微网电源。交流母线（ACbus）上公共连接点PCC（pointof common coupling）的负荷包含整流性负载、三相不平衡负载、三相不对称负载。主电网为三相交流电源，通过交流线路和开关连接到PCC。柔性变流器并网接口由2个三相电压源逆变器构成（1个并联和1个串联，见图1），类似于UPQC的拓扑结构。

从UPQC的拓扑结构可知，其由连接直流侧电容的2个逆变器构成，其中的串联逆变器通过变压器与三相电源和PCC相连，可以看作一个电压源；而另一个逆变器，也称为并联逆变器经过变压器连接着PCC。UPQC一般用来补偿电压的短时跌落和上升、谐波电流和电压以及控制功率潮流和电压稳定；然而UPQC直流侧没有电能储存，故无法补偿电压中断。本文提出的柔性并流器并网接口，在拓扑结构上，由3部分构成：①并联逆变器；②串联逆变器；③直流侧。与UPQC唯一不同的是其直流侧连接上了直流母线，并由DG提供电能。而在功能上，复合了并网逆变器和UPQC改善电能质量的功能。详情见表1。

图1 带柔性变流器接口的微网并网系统Fig.1 Grid-connected systemsw ith flexible converter interface

表1 并网接口中各逆变器的控制目标Tab.1 Grid-connected interface controlobjectivesof each inverter

微网在运行时既要保证正常稳定工作，还要满足用户对电能质量的要求。为了更好地阐述并网接口各部分的功能、控制以及运行情况，将重点介绍并网接口在联网运行模式下的控制策略以及运行过程。

2 基于柔性变换器并网接口的微电网友好接入的联网运行控制

2.1 功率参考电流的生成

根据三相瞬时无功功率理论，设DG或储能装置的额定运行有功功率和无功功率分别为p和q，可以在abc三相坐标轴上得到

式中，θ=wt+θ0，θ0为初相位。

Cabc/dqdq/abc的逆变换满足条件C==。

将abc三相坐标轴上的p和q通过Park变换转换到dq轴上，即

在三相交流电压平衡的条件下，使d轴和交流侧的电压矢量u同轴，那么有：uq=0，ud=u。则式（4）可以简写为

由于u为常数，所以ud也是常数，电流和功率呈线性关系，因此可以通过控制电流来达到控制功率的目的。

而有功电流参考值idef为

2.2 并联逆变器的控制

控制系统采用直流侧电压和定无功功率控制策略，其中包括直流侧电压和定无功功率控制控制和电压外环电流内环的双环控制结构。其原理框图见图2。

一般来说，保证微网中分布式电源最大功率点运行是提高能源利用率的重要体现，而直流侧的最大功率追踪可以由直流侧工作电压的稳定控制来实现。并网功率接口的直流侧电压是通过逆变器的有功功率p即有功电流id进行控制的。实际上，不妨设逆变器输出有功电流为id，有功电压为ed，逆变桥直流侧输入电流为idc，输入电压为udc，则由

图2 并联逆变器在联网时的控制策略原理框图Fig.2 Block diagra Mof parallel inverter controlstrategy in the interconnection

可得idc=3 edid。若令稳态时udc=UDC，可得到2udc

从而可得直流侧电压外环控制结构，如图3所示。

图3 直流侧电压外环控制结构Fig.3 DC side voltage loop controlstructure

直流侧电压控制PI调节器的输出量即为电流解耦控制的有功电流参考值idref。无功电流的参考值iqref则根据并网接口向电网输送的无功功率参考值Qref确定。

电压外环采用了网侧电压的前馈解耦控制，在并网接口的输出电压中分别引入了和，来补偿电网电压变化对系统控制的影响，增强了系统的稳定裕度。比较后得到电压的补偿量，作为电流内环的输入。

电流内环中，并联逆变器输出电流经过Park变换，再通过相应的PI调节器控制后与上述得到的补偿量相叠加，最后获得逆变器输出的参考电压。再经过Park反变换后，由SPWM调制即可得到相应的开关驱动信号，最终实现并联逆变器的并网控制。

2.3 串联逆变器的控制

为了实现对微网的友好并网控制，要求并网接口具有并网发电和电能质量治理的复合功能。柔性变流器并网接口的并联部分，即并联逆变器已经可以实现有功无功的自动调节以及直流侧电压稳定控制等并网发电的功能；串联逆变器主要通过补偿谐波电流、三相不平衡电流以及无功电流来改善并网连接点的电能质量水平，达到电能质量治理的目的。

本文根据一种基于同步旋转坐标系的ip-iq的谐波检测算法[14]，检测出谐波电流、无功补偿电流、三相不平衡电流后。进一步根据瞬时无功功率理论，由并网功率接口输出的有功功率、无功功率指令值，生成并网功率参考电流，然后两者叠加形成串联逆变器的参考电流。其原理框图见图4。其中，uabc为PCC的电压，iabc为由主电网流向PCC的电流，ilabc为串联逆变器流出的电流，iabc和ilabc可以看做流向负荷的广义电流；ihdq为检测出的除基波外的其他电流分量；igabc为并网串联逆变器指令电流值。

三相电压uabc和三相电流iabc经过Park变换和低通滤波器LPF（low-pass filter）后获得基波电压与电流的dq轴分量，再由下面的CPQ变换可以得到所需的正序基波有功电流分量ipd和ipq。而并网功率参考电流idqref的计算可以参考第2.1节，再通过反变换可得

串联逆变器控制器采用了一种基于加权反馈电流[15]的滞环电流比较控制。和分别通过加权系数m和n后合成加权反馈电流，与c的上下限比较后，通过一个环宽为Δi的滞环，生成触发脉冲。

图4 串联逆变器在联网时的控制策略原理框图Fig.4 Block diagra Mof series inverter controlstrategy in interconnection

3 仿真

为了验证本文提出的并网功率接口及其控制算法的有效性，检验微电网并网系统的运行性能，将利用软件平台搭建仿真模型进行仿真验证。系统的仿真参数如表2所示。

仿真过程如下：0.01 s后，微电网投入联网运行；0.3 s后微电网分布式电源出现短时故障，输出功率降低，0.5 s后恢复正常，微电网分布式电源重新正常运行。正常运行时，微电网输出有功功率为100 kW，无功功率为10 kW。仿真结果如图5所示。

图5仿真结果Fig.5 Simulation results

图5 （a）表示直流侧参考电压和实际电压，可以清楚地看出，微电网在0.01 s并网后，直流侧电压大概经过0.05 s基本稳定；微电网中电源出现功率波动后恢复正常，直流侧电压都能很快保持稳定。图（b）表明，联网下，微网按照最大功率点跟踪的最大有功功率运行，无功功率按照参考值输出；微网故障时，能够自动调节有功功率的输出。图（c）表明，由于微网中分布式电源输出功率的变化，并联逆变器的输出电压保持稳定，而电流有所减小并在一个周波时间后迅速恢复稳定状态。图（d）表示，在0.2~0.3 s之间，微电网联网前后，主电网PCC处的线路电流。图（e）表明，PCC的电流总谐波畸变率从17.71%下降到2.91%，低于IEEE1547标准所规定的最大5%的总谐波畸变率。综合图（d）和（e），可见并网接口的串联逆变器有一定的谐波补偿能力。

5 结语

为了促进微电网与主电网的友好并网，本文提出了一种柔性变流器并网接口，并给出了相应的控制策略。该并网功率接口不仅可以补偿主电网和微电网中负荷（包括整流性负荷、不平衡负荷、非线性负荷）产生的无功电流或谐波电流，而且还对微电网中分布式电源输出功率扰动有一定的动态补偿能力。更为重要的是，它结合相应的控制策略，均能保障微电网联网正常运行，实现了并网接口友好并网和电能质量治理的双重功能，具有十分广阔的应用前景。

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A Flexible Converter Grid-connected Interface Control Method for Friendly Accession of Microgrid

MING Zhiyong，SU Shiping，LIUGuiying，DENGMingfeng，ZHENGBinyu，ZUOPenghui
（College of Electricaland Information Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha410004，China）

For the needsof friendly accession ofmicrogrid to high-performance grid-connected interface，a new type of grid-connected interface based on flexible converter isproposed in this paper．To enable the grid-connected interface to work efficiently and effectively，an approach to detectcompensative currentbased on instantaneous reactive power theory isgiven，and the corresponding DC side voltage and constant reactive power controlstrategy are presented．Furthermore，a hysteresis current controller based on weighted current feedback is also given．Finally，by simulation on Matlab/simulink platform，the feasibility and effectiveness of the providedmicrogrid interface and its control strategy are verified．

microgrid；grid-connected interface；flexible converter；harmonic compensation；grid-connected control

TM76

A

1003-8930（2015）07-0054-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.07.10

明志勇（1988—），男，硕士研究生，从事微电网并网及其电能质量方面的研究。Email：mingzyong@163.com

2013-11-18；

2014-03-26

湖南省研究生科研创新项目（CX2012B362）

粟时平（1963—），男，博士，教授，从事电力系统运行与电能质量方面的研究。Email：sushiping@126.com

刘桂英（1964—），女，硕士，副教授，从事电力系统运行与电能质量方面的研究。Email：liuguiy9809@126.com