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译后论文

ElectrEng

DOI10.1007/s00202-012-0273-3

原始论文

并网负载不平衡补偿的VSI电流滞环控制技术

EdrisPouresmaeil·MudathirFunshoAkorede·

DanielMontesinos-Miracle·OriolGomis-Bellmunt·

JuanCarlosTrujilloCaballero

Received:

29February2012/Accepted:

6November2012

©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2012

摘要从目前全球趋势来看，发电行业都将使用分布式发电（DG）技术，一种基于可再生能源资源，如太阳能，风力发电等，以补充电力生产的技术。

不过，未能妥善控制分布式能源的使用，使它们连接或退出电网时可能会引发电网侧许多电能质量问题。

出于这个原因，必须考虑到发电和安全运行之前DG机组实际上是已集成到电力网的事实。

本文的主要目的是为了解决通常出现的DG机组连接到电网并网问题。

拟议的策略，在于Matlab/Simulink环境中不同的操作方案的实现，提供补偿电网连接的非线性不平衡负载的有功、无功、不平衡分量和谐波电流。

在这项研究中得到的仿真结果验证了该技术，这个提出的技术一个在整个电网相电流，来自DG源到电网最大有功功率的注入，公用电网功率因数的提高，以及电网电流总谐波失真的减少的平衡。

关键词：

分布式发电（DG）；可再生能源；不平衡负载；总谐波失真（THD）；无功补偿

E.Pouresmaeil（B）·D.Montesinos-Miracle·

O.Gomis-Bellmunt·J.C.TrujilloCaballero

Departamentd’EnginyeriaElèctricaandEscolaTecnicaSuperior

d’EnginyeriaIndustrialdeBarcelona,Centred’Innovació

TecnològicaenConvertidorsEstàticsiAccionaments

（CITCEA-UPC）,UniversitatPolitècnicadeCatalunya,

08028Barcelona,Spain

e-mail:

edris.pouresmaeil@upc.edu;edris.pouresmaeil@uwaterloo.ca

M.F.Akorede

FacultyofElectricalandElectronicsEngineering,

UniversitiMalaysiaPahang,PekanCampus,Pekan,Malaysia

O.Gomis-Bellmunt

CataloniaInstituteforEnergyResearchIREC,

08930Barcelona,Spain

PresentAddress:

J.C.TrujilloCaballero

InstitutoTecnológicodeOrizaba（ITO）,Departamentode

IngenieríaEléctrica,Oriente9854,Col.EmilianoZapata,

Orizaba,Ver,México

PresentAddress:

E.Pouresmaeil

DepartmentofElectricalandComputerEngineering,

UniversityofWaterloo,Waterloo,ON,N2L3G1,Canada

1引言

分布式发电（DG）技术，也称为分散发电的技术，是一种连接到配电网，而不是在传输网络的发电装置。

它有多种类型和DG设施尺寸。

其中包括热电联产（CHP），风电场，太阳能光伏发电系统，水力发电或一种新的更小的发电技术。

DG系统具有许多优点，其中的一些包括，提高了可靠性[1]，电网安全和质量[2]，减少电力损耗[3]，及降低温室气体排放和空气污染物以改善空气质量[4]。

分布式发电技术有的来自常规技术，如为马达提供动力的天然气或柴油燃料或源自可再生能源的技术，如太阳能光伏电池和风力发电场。

在过去的二十年中，小规模发电的成本在下降，众多客户的可靠性需求增加了，以及电力市场的局部自由化使得已经得到的DG技术吸引了更多企业和家庭用户，作为一个补充工具提供动力[5]。

但是，在电力网络中越来越多的DG机组需要改善电网的运行和管理的新技术，以求在未来维持甚至提高了供电的可靠性和质量。

可以得到结论，DG机组的控制应当改进，以满足电力网络的要求。

因此，一种技术的设计，它参考电网络的不同情况，成为连接DG机组到电力系统的设计。

图1DG连接到电网的示意图

已经提出并报道了几个DG机组连接到电力网[6]的技术和策略。

在文献[7]，已经提出DG系统的控制技术和控制的概述和电网的同步技术。

DG系统的硬件结构[8]，控制结构，电网侧转换器，并根据故障的控制策略进行了讨论，详见[9]和[10]。

对不同的实现结构，像dq，固定的和自然帧控制结构进行了介绍，并指出了他们的主要特点。

给出关于不同的控制器及其补偿在公用电网出现低次谐波能力的讨论。

此外，一个DG系统可在不平衡电网故障期间使用四种不同的控制策略进行了讨论。

最后，对电网同步的算法及其影响，以及对正常和有故障的电网状态的DG系统的控制作用的概况进行了讨论。

文献[11]给出的同步算法，其结构为网格连接的分布式动力系统的概观。

不同的过滤技术以及新的过滤器程序已经呈现在文献，如谐振器已经推出和介绍。

控制器设计中的dqPLL的情况下已经取得了一种可以访问系统的动态特性的方法，并对不同的电网条件下的算法进行了测试和结果评价。

在引用[12]中，提出非线性控制策略建议，以提高并联有源电力滤波器的动态性能，这是表现在同步正交dq坐标。

一个三电平NPC电压源逆变器（VSI）作为DG资源和电网之间的接口。

精确反馈了线性化理论在控制器的设计中的应用。

这种控制策略可以对电流解耦，提高他们的跟踪行为，提高了直流电压调节。

在所有提出的方法中，已经为电力网的一个重要问题提出解决办法。

本文提出关于DG资源，如在高压输电和分传输系统的风力源和太阳能，整合后的接口VSI，一个多目标非线性控制技术理论发展。

本文的主要内容描述了用于分布式发电系统并网算法的结构和主要特点。

一般情况下，电流控制VSI是用于连接分布式系统中的间歇性可再生能源资源，其动态响应速度快，精确的性能，并易于实现。

对于VSI，这是电流信号性质的指令信号，将包括从DG系统有功功率补偿和在PCC上的电压波动或总无功功率补偿，同时非线性不平衡负载的谐波电流所需的无功功率，提供的信息。

所提出的系统的性能利用Matlab/Simulink仿真的结果进行了讨论，以证明所提出的技术的潜力。

2系统介绍

所提出的技术，其中包括将DG连接到VSI的直流链路示意图如图所示。

1.电压源逆变器是一个DG系统，特别是那些具有随机性性质的DG机组接口到电力网，是提供所产生的功率的一个关键因素。

可再生能源可以是直流源或交流源经整流器耦合到所述直流环节。

通常，燃料电池和光伏能源产生可变低的直流电压动力，而变速风力涡轮机产生动力以改变交流电压。

因此，在这些可再生能源产生的电力需要的功率调节（即，DC/DC或AC/DC）前，它可以连接到直流链路[17]。

dc电容器解耦来自电网的DG源，也允许对直流母线的任一侧转换器的独立控制。

2.1电压和电流的特殊参考帧实现了多目标控制算法

为了实现多目标控制算法，电压和拟设系统的电流分量可在一个固定的参考帧获得的，也就是说，在αβ组成部分陈列在

（1）和

（2）中

其中vk（k=1，2，3）是电源电压的组件；PCC和ik（k=1，2，3）是负载电流组件。

在本次研究中，对于零电压分量的空值是假定的。

类似地，由于没有中性线，零电流分量为空。

在接下来的步骤中，在DQ组件中αβ参考帧被变换到旋转同步的参考帧。

考虑到在电压矢量的方向就是这个变换的d轴矢量方向，电网电压的同步旋转参考系的q分量始终为零（vq=0）[6]。

图2展示出了在固定和旋转同步参考帧中的电压和电流的组成部分，变换矩阵（αβ/dq）就是基于公园方程由（3）算出的，

Θ角是负载电压或PCC的电压的瞬时角。

从图2可知，在固定和旋转同步坐标电压的d分量可以从式（4）求出。

由（3）代替

（2），并考虑在零电流分量空值：

通过式（5）中，在旋转同步帧d和q分量的电流可以计算出来。

2.2参考电流供给负载无功功率和有功功率的计算

图2电压和电流分量在固定和旋转同步参考帧

如图2所示，负载电流的正交分量，ilq是在旋转参考同步帧上垂直于电压的直流分量（vd⊥ilq）。

而负载电流的q分量表示的负载所需的无功功率。

为了补偿负载的无功功率，DG需要提供一个电流q分量，即ilq。

为了达到此目的，它设置一个足量的DG参考电流等于负载电流的Q分量，如式（6）所示，

在图2所示中i*cq是DG链接参考电流的垂直分量。

这样我们可以认为，q轴的总负载电流的无功部分和高次谐波成分是被补偿过的。

从DG系统流向电网的有功功率，如式（7）。

而且，DG参考电流的d部分用来提供基频的有功电流，它可以通过式（8）计算出。

其中Pref是接口系统的参考有功功率。

由于逆变器的输出接口功率有限，参考电流必须限制。

在所提出的技术中，参考电流的d轴分量是可以计算的，通过改变Pref控制输送到电网的最大有功功率。

但应注意的是，Pref取决于电力电子接口的容量和DG的资源容量。

2.3参考电流供给d轴的高次谐波成分的计算

在使用公式（5）计算dq坐标系中的负载电流，主要是通过利用公式（9）区分给出的直流ild和替代组件的基波和谐波电流。

是负载电流在同步旋转坐标系的替代d分量，也是有关负载电流的高次谐波成分，ild是负载电流的直流项在该帧中与此有关的负载电流的基波频率项。

为了弥补高次谐波电流，有必要分开变量和常数分量。

为了达到这个目的，必须使用到一个高通滤波器。

为了尽量降低高通滤波器的（HPF的）相位响应的影响，可以通过一个低通滤波器（LPF）的装置。

HPF（MPHPF）可以得到一个最小相位，此低通滤波器的传递函数具有相同的截止频率的高通滤波器。

所以，通过输入信号和滤波分量可以获得其最小相位，这相当于两者之间的差获得的：

HMPHPF（S）=1-HLPF（次）。

因此，得到在d轴上非线性负载电流的谐波成分。

为了使用已提出DG系统作为有源电力滤波器，非线性负载电流的谐波成分必须由DG链接。

出于这个原因，由式（6）得到非线性链路的参考电流的垂直分量和基准电流的直流分量可以从（10）计算出。

在静止参考系中等效的参考电流是从（11）获得的。

利用

（2），并计算逆矩阵，在abc坐标的参考电流是通过上述（12）实现的。

在与（5，12，13）中获得，假设没有中性线的。

2.4电压源逆变器的电流控制器技术

图3滞环电流控制示范闭环控制AB切换技术

在本文中提出了滞环电流控制技术。

主要的原因是，这种选择包括简单的实现，高速电流环，以及独立于负载的参数[18]。

图3a展示出了所提到的电流受控VSI的控制算法的基本示意图。

HCC的实质是对VSI电流的闭环控制。

所计算的参考电流和由该VSI产生的实际DG输入电流的综合作用将产生误差信号e，它是控制着逆变器的开关。

当误差达到迟滞比较器的上限值时，绝缘栅双极晶体管（IGBT）被接通，以增加电流;而当误差达到下限，如在图3b描绘，电流被强制通过IGBTsOFF而减小。

这些操作导致了在其他电流控制技术的HCC的特征快速动态响应。

误差信号的范围，h，直接控制从该VSI的输出电流的波纹量即被称为滞环带。

电流被迫停留在这些限制内，即使参考电流是变化的。

开关频率是跟随滞环带的宽度改变，使电流流过（在图3中的LC）的电感和直流电压，Vdc，从DG连杆施加到VSI。

一种实用的方法来计算电流滤波在非线性环节电感值列于式[19]。

通过这种方法，通过式（14）可以计算出过滤器的电感。

vdc是直流母线电压，h为滞后带，fsw.max是最大开关频率。

从式（14）中可知，最大开关频率可以计算出来的。

这个频率与DC总线电压和负相关的滞后条带和滤波电感有关。

通过提高开关频率，输出的电流纹波和电压和在PCC的电流失真均有所下降。

另一方面，提高开关频率将导致电磁干扰和开关损耗，这将需要高速转换器和比较器来用于纠正，措施如式[20]。

3仿真结果

为了验证所提出的技术的性能和精度，以实现多目标电网接口连接到电网DG系统，使用MATLAB/Simulink和电力系统模块集工具箱进行了丰富的模拟时的研究。

在电力电网所提出的控制策略的原理图如图4所示，在RC和LC分别代表耦合变压器、电缆和连接线的等效电阻和交流滤波电感；Rg和Lg分别代表网格的电阻和电感到PCC；在PCC中vk（k=1，2，3）是电源电压的组件；vgk是电网电压分量；νDC和iDC分别是直流母线电压和电流；igk、ilk和ick是电网，负载和DG的电流分量。

网络参数，包括变化率和系统部件的仿真分析，列于如下表1中。

表1模拟参数

测试模型包含一个额定功率为20千伏安的电源转换器。

可用的DG源功率是8千瓦，它的有功功率基准这也包括在本模拟中。

非线性负载是一个由一个三相和一个单相全波晶闸管组成的转换器。

选择这样配置，以测试该控制方案的不平衡负载的有效性补偿。

该转换器是R-L型电路。

模拟的主要目的是研究提出DG系统的非线性不平衡负载的不同。

首先，在提供负载提到的有功、无功、不平衡和谐波电流分量提出DG链接的功能显示和无功功率跟踪与恒定输出有功功率提出的控制方法的能力被承认的。

此外，模拟结果已被用于分析总谐波失真公用电网电流（THD）中的非线性负载不平衡。

在模拟过程中，恒定的直流电压源已被视为DG的动力源。

此外，这是从DG源通过VSI输送到电网的有功功率被认为是恒定的。

这个假设使得能够评估所提出的控制策略来跟踪快速变化的有功和无功功率，它具有相互独立的能力。

换句话说，当一个改变时，另一个必须保持不变。

3.1提出的策略来衡量提供电网连接的非线性不平衡负载的能力

图4该策略的原理图

通过采用提出的控制算法，评估所提出DG链接补偿非线性负载不平衡电流成分的能力。

为了达到这一点，负载由一个三相全波晶闸管变换器供给每相负载分别为20和10mH的电阻和电感，并且是单相晶闸管转换器提供的载荷为15和10mH的电阻电感器。

单相可控硅变换器在阶段2和3之间，如图4所示。

这不断从交流电网非线性负载不平衡和谐波的电流。

在t=0.1秒时DG链路被连接到电网。

电网电压（VI）中，负载电流（il123），电网电流（ig123），和DG链路电流（ic123）的波形示于图5中。

图5负载电压、负载、电网、DG电流先后与DG连接

如该图所示，DG链路连接到AC电网t=0.1秒后，电网电流是平衡的。

此外，由DG链路补偿的负载电流谐波分量和电网电流都是正弦的，但高次谐波的频率和晶闸管的转换器的切换过程中产生的电流波形尖锐边缘。

另外，DG链路注入的DG源的最大可用有功功率到电网，同时也有其他公用供电到电网。

图5相线对中性点电压和电网电流的相位

（二）

图6示出在电网DG资源整合到电力电网之后相位B的电压和电流，负载电压和电网电流现在处于相后，因此就不需要为电网提供无功功率和高次谐波电流的负载。

为了评估提出的策略，以补偿非线性不平衡负载的谐波电流成分。

在DG链路链接到电网前后的电网电流的光谱，详见表2。

电网电流ig123的总谐波失真分别从22.96和11.24减少，12.81％的补偿前到3.91和3.89且3.82％补偿之前。

这些结果证实了所提出DG链路具有平衡线电流同时补偿有功、无功和谐波负载不平衡电流成分的能力。

表2电网电流的基波和谐波失真值

图7显示了电网和DG不平衡负载电流的轨迹，如αβ图形。

如图7b所示，DG连接到电网在t=0.1s后，电网电流不包含显著的低频失真前馈调节，因为这些电流的αβ图形是近似圆形。

图7c示出了所提出的DG链路注入DG资源的最大可用有功功率和供给的d轴和q轴和非线性不平衡负载的全部无功功率中的谐波电流分量。

图7a负载，b网格，和cDG电流的轨迹

控制环路跟踪d和q轴的参考电流，提高DG链接到电网的互连的持续时间，如示图8所示。

图8参考电流把DG集成后的负载电流传送给电网

最后，它通过电网传递的有功和无功功率都显示在图9a上，负荷和DG链路有功功率前后连接到电网。

如该图所示，DG向电网连接后，DG链路注入最大可用的有功功率到电网，而其他的由电网提供所需的电源。

图9b表示电网，负荷和DG链接前后的无功功率与DG连接到电网。

该图还显示了DG系统跟踪和补偿负载无功功率的能力。

这可以防止负载电压波动情况下的负载无功功率的突然变化。

图9电网、负荷和DG链接a有功功率和b三相非线性不平衡负载的无功功率

4结论

本文介绍了多目标控制策略用于集成分布式发电资源到电网去补偿非线性不平衡负载。

从实施表明，所提出的技术已有能力把DG源的最大可用有功功率注入到电网，在广泛的MATLAB/Simulink的模拟的结果中得到体现了。

给在负载电流的不平衡提供了有效的补偿，且从连接到公用电网的不平衡和非线性负载产生的有功和无功功率的总谐波失真。

这项研究显示，通过降低电网电流的谐波失真，DG可以作为有源电力滤波器，从而提高电网的功率因数在公共连接（PCC）的点。

所提出的控制方法的另外一个优点是，在跟踪无功功率变化的动态响应快，因为有功和无功功率的控制回路是相对独立。

该策略可以用于不同类型的分布式能源如对客户配电电网的电能质量装置的改善。

总体上，本研究中的控制方法，已经证明，DG系统是可以有效地用作用于在交流电网的静态补偿一个新的选择。

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