朱鹏鹏，张钦臻

（上海电力大学 电子与信息工程学院，上海 200090）

引言

随着用户用电能力的提升，对供电电能质量的要求也在不断提高。尤其各种电力电子接口的微电网，其相对容量较小，同时存在各种非线性或不对称负载，都进一步产生更多的电能质量问题。

电能质量的下降不但会严重危害微电网中的各个用电设备，同时也会干扰VSC 的稳定运行[1-2]。本文主要考虑短期指标，讨论电压质量（Voltage Quality）。即各微电源输出的实际电压波形与额定三相电压波形的差别，其主要指标包括电压的幅值波动与电压谐波（Voltage Harmonics）等。当微电网处于孤网运行状态时，缺乏外部电网的支撑，对于电压谐波的抑制能力降低。并且由于分布式电源通常缺少惯性与阻尼，其大量接入微电网会带来很多危害，包括电能传输和利用效率的降低、产生噪声与振动，以及电气设备使用寿命减少等。

针对带三相不平衡负载的VSC 接口微电网，文献[3-4]提出增加一个△/Y 变压器来解决逆变器输出电压不平衡的问题，但成本有所增加。文献[5]提出增加充当电流源的从逆变器，利用其剩余可用容量来补偿负载的谐波与负序电流分量，但额外增加电力电子器件，会进一步加大成本与控制策略的压力。文献[6]运用CMAC 神经网络与PID 算法结合控制有源滤波器（APF），然而，需要增加大量的补偿装置。文献[7]首次提出虚拟同步机的概念，使逆变器具有同步发电机的并网运行外特性，使其等效为电流源；但处于孤网运行状态时无法保证频率稳定。

本文通过对现有文献的研究，分析微电网中的电压谐波产生原因，并讨论对谐波的有效抑制方法。主要通过径向基神经网络（RBF Neural Network）改进控制策略，减小输出电压的谐波含量，从而降低对用电设备供电电压质量的影响。最后通过仿真验证该策略的有效性。

1 微电网谐波分析

1.1 孤网电压谐波原因

微网中的电压谐波主要有三个来源：电力电子开关谐波、非线性负载产生的谐波和补偿装置引起控制器不稳定产生的谐波[8]。

在微电网中，非线性负荷设备的电压与流过这些设备的电流不成比例关系，也会使得电流中产生大量谐波。这些谐波电流流过系统阻抗时，会进一步导致电压畸变。以典型的三相不控整流非线性负载为例，直流侧带阻性负荷时，交流侧相电流表达式为

可以看出，其中主要包含5、7、11 等奇数次谐波。

此外，负载通常需要消耗一定的无功功率，一般会就近安装无功补偿装置，如并联电容器。在实际应用中，为避免谐振通常会给并联电容器串接电抗器。即便VSC 控制器参数经整定使得微电源控制系统稳定，也会由于无功补偿装置等干扰其稳定性。通常电压不但会发生振荡，而且电压谐波含量也很大。这就需要对控制器参数进行重新调整。

1.2 孤网电压谐波抑制方法

微电网中PWM 型电力电子设备产生的开关谐波主要集中在开关频率及其倍频附件。小容量VSC 的开关频率通常为十几到几十千赫兹之间，中大容量的VSC 开关频率通常在几千到十几千赫兹之间。开关谐波次数较高且频率范围稳定，其抑制手段已经相对成熟[8]。

在系统中带有非线性不平衡负载时，必然存在谐波电流。为了减小谐波电流的影响，通常有两方面的抑制措施：（1）抑制谐波电流；（2）减小谐波电流对微电源输出电压的影响。

VSC 采用下垂控制时输出电压是通过转换为dq 坐标系实现解耦控制的，可以通过改变控制器结构来达到改善电能质量的目的。以d 轴为例，VSC 输出电压与输出电流的戴维南等效关系为

式中Gu（s）为电压增益，Z0（s）为等效阻抗。电路形式为一个表示基波分量的理想电压源和等效阻抗串联而成，如图1 所示。由电路分析可得知，减小等效阻抗可有效降低输出电压受谐波电流的影响。

图1 VSC 等效输出模型

2 RBF 神经网络控制

对于孤网状态运行的VSC，通常采用电压电流双闭环形式的下垂控制策略，可以维持频率和电压稳定。

同时，通过采用RBF 神经网络控制来减小谐波电流对输出电压的影响[9]。本文使用的RBF 神经网络包含3个隐含层，若x=[xi]T为网络的输入，h＝[hj]T为隐含层输出，hj为第j 个神经元输出。

其中，c=[cij]为隐含层第j 个神经元高斯基函数中心点坐标向量，i=1，2，...，n，j=1，2，...，m，b=[b1，...，bm]T，bj为隐含层第j 个神经元高斯基函数的宽度。

RBF 神经网络权值设置为

网络输出为

整体控制结构框图如图2。

其中，uabc为系统采样三相电压，uIabc为逆变器输出电压参考值。对于电压电流环采用PID 控制。

网络基于梯度下降法逼近，选用误差指标为

通过对谐波含量的有效逼近，即可在控制器中最大程度降低对输出电压的不利影响。

3 仿真验证

文中基于MATLAB Simulink 环境下搭建带有一般负荷、补偿装置与非线性负荷的VSC 模型，验证上述策略的可行性。其中VSC 先采用传统下垂控制，非线性负荷由直流侧带电阻的三相不可控整流桥模拟。仿真所使用的微电网结构如图3，实验所使用的主电路结构见图3，使用的电路参数见表1，控制系统参数见表2。

图4 为VSC 负荷侧电压输出波形，若仅接入补偿装置，电压谐波含量并不高，从图4（a）可以看出；接入不平衡负载后，电压畸变严重，如图4（b）；在采用RBF 神经网络实现谐波波形逼近并在控制器中予以消除后，输出波形如图 4（c）。

图2 RBF 神经网络控制谐波抑制控制策略框图

图3 带补偿装置与非线性负荷的VSC 主电路结构

表1 主电路参数

表2 控制系统参数

图4 负荷侧电压输出波形图

4 结论

本文分析造成孤网中VSC 输出电压造成畸变的原因后，提出一种基于RBF 神经网络逼近谐波电流在等效阻抗上造成的电压谐波并予以消除的电能质量改善策略，并通过仿真验证了该理论的可行性。这种控制策略可以仅通过改进控制策略抑制电压产生的畸变，能替代传统的在微电网中接入有源电力滤波器的方法，产生的电流谐波全部由VSC 来吸收，供给负荷的电压质量能得到有效改善。