微電網(wǎng)有功功率和無功功率控制

13六月2023微電網(wǎng)有功功率和無功功率控制§1微型電源控制器功能

§2有功功率控制§3無功功率控制§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制13六月2023§1微型電源控制器功能

電力電子裝置可為微電網(wǎng)提供靈活的控制功能，從而使其同時滿足用戶和電力系統(tǒng)的需要。微電網(wǎng)控制必須保證新的微型電源加入到系統(tǒng)中時，不需要更改微電網(wǎng)中已有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。微電網(wǎng)可以非常迅速和無縫隙地與大電網(wǎng)并列或解列。系統(tǒng)的有功功率和無功功率可以分別控制。電壓降落和三相不平衡可以得到校正。微電網(wǎng)能夠滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷的動態(tài)特性的要求。設(shè)計控制器時最關(guān)鍵的是在微電網(wǎng)的正常操作中，各微型電源不必互相交流信息，每個微型電源控制器必須能夠有效地響應(yīng)系統(tǒng)的變化，而不需要來自于其它微型電源或本地其它設(shè)備的數(shù)據(jù)。微型電源控制器的主要功能：調(diào)節(jié)饋線上的潮流；控制每個微型電源接口處的電壓；當(dāng)系統(tǒng)處于孤島運(yùn)行狀態(tài)時，保證每個微型電源能夠迅速承擔(dān)它所分配的負(fù)荷；微電網(wǎng)能夠自動平滑地進(jìn)入孤島運(yùn)行和重新與大電網(wǎng)并列的能力。13六月2023§1微型電源控制器功能

一、有功功率和無功功率控制微型電源由三個部分組成，即微型發(fā)電系統(tǒng)、直流接口和電壓源逆變器。微型電源通過一個電抗器連接到微電網(wǎng)。電壓源逆變器同時控制微型電源輸出電壓的幅值和相位。逆變器的輸出電壓U、微電網(wǎng)的本地電壓E以及電抗器的電抗X決定了微型電源輸出到微電網(wǎng)的有功功率P和無功功率Q，當(dāng)系統(tǒng)受到微小擾動時，P主要取決于功角δP，Q取決于逆變器的輸出電壓幅值U。這些關(guān)系構(gòu)成了有功功率調(diào)節(jié)和通過調(diào)節(jié)無功功率控制電壓的基本的反饋控制方法。13六月2023§1微型電源控制器功能

若要將大量微型電源集成到微電網(wǎng)中，不能僅僅采用基本的P-Q控制，為保證微電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性必須實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)。二、電壓傾斜控制若沒有電壓控制，具有大量微型電源的微電網(wǎng)將可能產(chǎn)生電壓和無功功率振蕩。電壓控制必須確保電源之間沒有較大的無功環(huán)流，該問題與具有大型同步發(fā)電機(jī)的電力系統(tǒng)控制一樣。在大電網(wǎng)中，發(fā)電機(jī)之間的阻抗足夠大，從而減小了環(huán)流產(chǎn)生的可能性。在輻射型微電網(wǎng)中，較大無功環(huán)流問題非常顯著，當(dāng)出現(xiàn)很小的電壓參考值偏差時，環(huán)流可能超出微型電源的額定值。因此微電網(wǎng)需要電壓-無功電流傾斜控制，使得微型電源產(chǎn)生的無功電流更加偏于容性，本地電壓設(shè)定值減小。13六月2023§1微型電源控制器功能

不僅具有微型電源，還有電能存儲裝置的微電網(wǎng)不僅可以運(yùn)行在與大電網(wǎng)并列運(yùn)行的狀態(tài)，也可運(yùn)行于孤島狀態(tài)。三、快速負(fù)荷跟蹤和電能存儲的需要當(dāng)微電網(wǎng)運(yùn)行于孤島狀態(tài)時，微電網(wǎng)的負(fù)荷跟蹤能力可能成為問題，因為微型渦輪發(fā)電機(jī)和燃料電池的響應(yīng)速度比較慢，時間常數(shù)為10~200s，并且基本上沒有動能儲備。大型電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)的動能具有電能存儲的作用，當(dāng)新的負(fù)荷接入到線路上時，最初的能量平衡由系統(tǒng)的動能實(shí)現(xiàn)，這將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率輕微下降。微電網(wǎng)不能依靠發(fā)電機(jī)的動能，必須采用某種形式的能量存儲，保證最初的電能平衡。微電網(wǎng)的能量存儲可為下述幾種形式：可在每個微型電源的直流母線上采用蓄電池或超級電容；直接將交流電能存儲裝置(蓄電池、飛輪電能存儲裝置等)連接到微電網(wǎng)；或者采用較大動能的微型發(fā)電機(jī)等。在此我們僅假設(shè)在微型電源的直流母線上裝設(shè)有足夠容量的電能存儲裝置。13六月2023§1微型電源控制器功能

采用先進(jìn)的控制技術(shù)微電網(wǎng)能夠提供基本的潮流控制。四、孤島運(yùn)行模式下實(shí)現(xiàn)功率分配的頻率傾斜控制在孤島運(yùn)行模式，必須考慮每個逆變器產(chǎn)生的微小頻率誤差和需要改變逆變器的輸出功率來匹配負(fù)荷的變化等問題。每個微型電源的功率-頻率傾斜特性不需要復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)就能解決上述問題。當(dāng)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)并列運(yùn)行時，根據(jù)用戶的需要，微電網(wǎng)中的負(fù)荷可同時從大電網(wǎng)和本地微型電源取用電能。當(dāng)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開后，微電網(wǎng)中每個電源的電壓相位角將發(fā)生變化，導(dǎo)致本地電壓頻率明顯地下降。隨著頻率的下

降每個微型電源根據(jù)其功率-頻率調(diào)節(jié)特性按一定比例增加其輸出功率，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配的功能，不需要能量管理系統(tǒng)提供新的功率分配方案。13六月2023§2有功功率控制由同步發(fā)電機(jī)組成的電力系統(tǒng)，兩臺或兩臺以上發(fā)電機(jī)之間有功功率分配主要通過控制器的頻率傾斜特性實(shí)現(xiàn)。與由同步發(fā)電機(jī)組成的電力系統(tǒng)類似，微電網(wǎng)中分布式電源之間的負(fù)荷分配同樣采用頻率傾斜特性實(shí)現(xiàn)。在電力系統(tǒng)中，頻率傾斜特性是發(fā)電機(jī)的慣性、負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)特性和轉(zhuǎn)速/頻率調(diào)節(jié)特性等的綜合，由電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、與頻率相關(guān)的負(fù)荷以及調(diào)速器等實(shí)際的設(shè)備實(shí)現(xiàn)。在由分布式電源互聯(lián)所組成的微電網(wǎng)中，每臺分布式電源的頻率傾斜特性是通過其控制器的軟件來實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)分布式電源之間的負(fù)荷分配。分布式電源的控制器通常采用DSP實(shí)現(xiàn)，因此具有非常大的靈活性，不會受到電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量、頻率相關(guān)負(fù)荷、調(diào)速器的時間常數(shù)或原動機(jī)的時間常數(shù)等這些物理參數(shù)的限制。13六月2023§2有功功率控制一、單臺微型電源的有功功率控制微電網(wǎng)中電動機(jī)等與頻率相關(guān)的負(fù)荷可提供附加的負(fù)荷調(diào)節(jié)作用，但其調(diào)節(jié)效應(yīng)非常小，可忽略不計。有功功率控制器包含

一個頻率恢復(fù)環(huán)節(jié)，其功能類似于同步發(fā)電機(jī)中的調(diào)速器。設(shè)1/s=0可得到控制器頻率響應(yīng)的暫態(tài)偏移：控制器在負(fù)荷變化的瞬間具有有限的頻率降落，這與具有大慣性的同步發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)的在負(fù)荷變化瞬間的零頻率降落特性不同。13六月2023§2有功功率控制頻率傾斜特性將負(fù)荷變化開始初始特性曲線(虛線)以一階時間常數(shù)TG轉(zhuǎn)換到穩(wěn)態(tài)特性曲線(實(shí)線)。令s=0可得到控制器的穩(wěn)態(tài)頻率偏移：負(fù)荷功率的變化由電源輸出功率變化提供，用ΔPG表示。當(dāng)本地負(fù)荷突然變化時，系統(tǒng)頻率將首先按1/s=0突變，并最終達(dá)到s=0所確定的穩(wěn)態(tài)值。13六月2023§2有功功率控制實(shí)際轉(zhuǎn)速ω和所需功率PG的變化曲線。通過改變參考功率，可將控制器設(shè)置到滿足任何負(fù)荷要求的給定額定頻率。當(dāng)系統(tǒng)的參考功率不變，而負(fù)荷變化時，頻率的變化為13六月2023§2有功功率控制二、兩臺微型電源并列運(yùn)行的有功控制具有自動發(fā)電控制的微電網(wǎng)可根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化調(diào)節(jié)各微型電源的參考功率PL_ref。因為微電網(wǎng)的主要目標(biāo)是對電能質(zhì)量非常敏感的負(fù)荷提供可靠的電能，因此控制器參考功率的變化必須非常迅速地跟隨負(fù)荷的變化。當(dāng)控制器的參考功率發(fā)生變化時，微型電源的頻率偏差為13六月2023§2有功功率控制兩臺微型電源并列運(yùn)行的功率控制傳遞函數(shù)框圖流過聯(lián)絡(luò)線上潮流可等效為兩臺發(fā)電機(jī)的負(fù)荷，大小相等，方向相反。13六月2023§2有功功率控制潮流的方向取決于兩條母線之間電壓的相位差，為兩個系統(tǒng)之間相對頻率偏差的函數(shù)。設(shè)ΔPL1發(fā)生變化而ΔPL2為零，則可確定系統(tǒng)的頻率偏移和聯(lián)絡(luò)線上的功率變化。(1)首先考慮傳遞函數(shù)中沒有頻率調(diào)節(jié)器的情況。當(dāng)母線1上的負(fù)荷發(fā)生變化時微型電源1的頻率偏移為微型電源2的頻率偏移為從母線1到母線2聯(lián)絡(luò)線上功率變化為：1.沒有自動發(fā)電控制時的有功功率控制13六月2023§2有功功率控制電源1的初始頻率偏移為電源2的初始頻率偏移為聯(lián)絡(luò)線上的初始功率變化為負(fù)荷1的瞬時功率改變開始時并不能由電源2提供，這是因為聯(lián)絡(luò)線對系統(tǒng)功率的變化具有積分的作用。另外聯(lián)絡(luò)線也不能存儲電能來支持負(fù)荷的瞬時變化。在負(fù)荷變化瞬間，兩電源的頻率變化不相等將引起母線1和母線2之間的電壓相位差迅速變化，從而使得由電源1響應(yīng)母線1上負(fù)荷瞬時變化的持續(xù)時間達(dá)到最小。兩臺電源在暫態(tài)過程的初期即可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的分配，這與常規(guī)的由同步發(fā)電機(jī)組成的多機(jī)系統(tǒng)不同。這對由分布式電源組成的微電網(wǎng)具有積極的作用。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，兩臺電源的頻率變化和頻率變化率將相等。系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線上的功率變化為：13六月2023§2有功功率控制當(dāng)負(fù)荷1階躍變化而負(fù)荷2不變，且兩臺電源均沒有頻率恢復(fù)控制時，系統(tǒng)的響應(yīng)曲線：由于系統(tǒng)具有恒定增益的傾斜特性，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化的瞬間，頻率突然下降。13六月2023§2有功功率控制(2)考慮頻率恢復(fù)控制回路的作用當(dāng)負(fù)荷發(fā)生1變化而負(fù)荷2不變時，系統(tǒng)頻率將恢復(fù)到接近于額定頻率，此時穩(wěn)態(tài)頻率偏差和聯(lián)絡(luò)線上功率變化為13六月2023§2有功功率控制穩(wěn)態(tài)時頻率偏移額定數(shù)值的大小由于調(diào)節(jié)器的作用而減小。兩臺并列運(yùn)行的微型電源的穩(wěn)態(tài)頻率特性和負(fù)荷分配：設(shè)負(fù)荷變化前系統(tǒng)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)，兩臺電源的輸出功率等于設(shè)定值，系統(tǒng)的總功率為：總的負(fù)荷由兩臺電源根據(jù)穩(wěn)態(tài)時的功率-頻率傾斜特性分配。兩臺電源的頻率傾斜特性的斜率分別為當(dāng)母線1的負(fù)荷變化時，系統(tǒng)總功率為13六月2023§2有功功率控制當(dāng)參考輸出功率不變時，根據(jù)電源的功率-頻率特性，系統(tǒng)頻率下降，電源的輸出功率增加，從而滿足負(fù)荷的需要。穩(wěn)態(tài)時系統(tǒng)增加的功率為因為穩(wěn)態(tài)時兩臺電源的頻率變化相等，因此可得：當(dāng)忽略每臺電源的功率-頻率動態(tài)特性時，兩臺微型電源組成的系統(tǒng)，其穩(wěn)態(tài)頻率特性也可用一條特性傾斜表示。13六月2023§2有功功率控制2.有自動發(fā)電控制時的有功功率控制若兩臺分布式電源并列運(yùn)行，當(dāng)電源1的功率設(shè)定值變化而電源2的不變時，兩臺分布式電源的頻率變化以及聯(lián)絡(luò)線上的功率變化如下圖所示。13六月2023§2有功功率控制電源1設(shè)定參考功率的變化也將導(dǎo)致兩臺分布式電源所分配的負(fù)荷功率發(fā)生變化。假設(shè)穩(wěn)態(tài)時兩臺分布式電源的參考功率等于各自的本地負(fù)荷功率，則暫態(tài)過程發(fā)生前系統(tǒng)的總功率為：兩電源頻率傾斜特性的斜率分別為當(dāng)電源1的頻率控制器的參考功率增加ΔPL1-ref時，兩臺微電源之間的負(fù)荷分配如圖。系統(tǒng)穩(wěn)定時的總功率為13六月2023§2有功功率控制當(dāng)頻率控制器的參考功率設(shè)定值發(fā)生變化而負(fù)荷不變時，總的輸出功率由兩臺分布式電源重新分配來承擔(dān)，而系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻率發(fā)生了變化。由于負(fù)荷不變，即兩臺電源的穩(wěn)態(tài)頻率偏差為：系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，兩臺電源的頻率偏差相同，則電源1的參考功率設(shè)定值變化將引起兩臺發(fā)電機(jī)的輸出功率變化。13六月2023§2有功功率控制系統(tǒng)總的穩(wěn)態(tài)頻率偏差為當(dāng)忽略每臺電源的功率-頻率動態(tài)特性時，兩臺分布式電源組成的系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)頻率特性也可用一條特性傾斜表示。13六月2023§3無功功率控制微電網(wǎng)中分布式電源的電力電子轉(zhuǎn)換器通常采用半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)，由于這些半導(dǎo)體器件所允許的電流容量受到限制，因此必須控制微電網(wǎng)中分布式電源輸出的視在功率。視在功率控制可采用有功功率調(diào)節(jié)器和無功功率調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)。有功功率控制器可采用頻率傾斜特性實(shí)現(xiàn)。無功功率控制器可采用負(fù)荷電壓幅值與分布式電源輸出的無功功率之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)。13六月2023§3無功功率控制用于無功-電壓控制的分布式電源建模與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的有功-頻率控制系統(tǒng)類似，電壓和無功關(guān)系采用一階滯后傳遞函數(shù)表示：電力系統(tǒng)中的無功負(fù)荷可分為與電壓無關(guān)和電壓有關(guān)的負(fù)荷兩大類。與電壓相關(guān)的負(fù)荷主要為電感、電容等無源負(fù)荷，以及電機(jī)等。這些負(fù)荷對分布式電源將起到負(fù)荷調(diào)節(jié)作用。負(fù)荷的無功功率變化引起的電壓變化的關(guān)系為：若設(shè)與電壓無關(guān)的無功負(fù)荷為ΔQL，則系統(tǒng)中總的無功變化可表示為設(shè)計時使R>>R’，則上式可簡化為13六月2023§3無功功率控制與有功-頻率控制中的頻率調(diào)節(jié)器相似，無功功率控制器中也包含一個由電壓恢復(fù)回路組成的電壓調(diào)節(jié)器。當(dāng)控制器采用DSP實(shí)現(xiàn)時，電壓傾斜特性和電壓恢復(fù)回路用軟件實(shí)現(xiàn)。無功負(fù)荷的變化與電壓偏差之間的關(guān)系為13六月2023§3無功功率控制設(shè)s=0可得電壓響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)偏移為因為負(fù)荷無功功率的變化將引起分布式電源輸出的無功功率變化，因此可將上式改寫為：上式為線性方程，可用電壓-無功靜態(tài)特性曲線表示。當(dāng)改變控制器的設(shè)定參考無功功率時，特性曲線將沿著ΔQG軸平移。13六月2023§3無功功率控制若兩臺具有無功-電壓控制的分布式電源通過聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)，則系統(tǒng)無功潮流的方向如圖所示。母線1送到聯(lián)絡(luò)線上的無功功率為母線2送到聯(lián)絡(luò)線上的無功功率為一般情況下，從聯(lián)絡(luò)線一端輸入到聯(lián)絡(luò)線上的無功功率并不等于聯(lián)絡(luò)線另一端所接收的無功功率，因為電力線路為感性的，線路上將產(chǎn)生無功功率損耗。13六月2023§3無功功率控制因此聯(lián)絡(luò)線上的無功功率可表示為假設(shè)δ12非常小，則設(shè)系統(tǒng)無功功率在穩(wěn)態(tài)時產(chǎn)生微小變化，則可得因此聯(lián)絡(luò)線上無功功率變化為13六月2023§3無功功率控制若忽略聯(lián)絡(luò)線上無功功率損耗的變化，則U0為系統(tǒng)母線的額定電壓。設(shè)額定電壓的標(biāo)么值為1，則聯(lián)絡(luò)線上無功功率變化可簡化為兩臺分布式電源組成的微電網(wǎng)的無功-電壓關(guān)系：聯(lián)絡(luò)線上無功功率的方向取決于兩條母線的相對電壓。13六月2023§3無功功率控制穩(wěn)態(tài)情況下，ΔU1和ΔU2不必相等，因為聯(lián)絡(luò)線的無功功率關(guān)系為恒定增益的傳遞函數(shù)。假設(shè)母線1負(fù)荷變化為ΔQL1，而母線2負(fù)荷不變，當(dāng)無功功率控制器中沒有電壓恢復(fù)回路時的傳遞函數(shù)為13六月2023§3無功功率控制當(dāng)母線1無功負(fù)荷發(fā)生階躍變化而母線2無功負(fù)荷不變時，微電網(wǎng)的無功-電壓響應(yīng)如下圖所示。兩臺電源的電壓都近似地按一階滯后傳遞函數(shù)下降。兩臺分布式電源的電壓偏移不同，這是因為將聯(lián)絡(luò)線等效為恒增益模型。13六月2023§3無功功率控制微電網(wǎng)對無功負(fù)荷階躍變化的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)分析：當(dāng)微電網(wǎng)中沒有電壓調(diào)節(jié)器時，達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)時母線電壓和聯(lián)絡(luò)線上功率變化為如果分布式電源具有電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)負(fù)荷變化時，經(jīng)過一定的延遲時間后，系統(tǒng)電壓將恢復(fù)到接近于額定電壓。新的穩(wěn)態(tài)電壓和聯(lián)絡(luò)線上功率偏差為13六月2023§3無功功率控制當(dāng)在無功-電壓控制器中加入電壓調(diào)節(jié)器后，微電網(wǎng)的無功-電壓響應(yīng)如下圖所示。電壓偏移經(jīng)過一定的延遲后將接近于零。電壓-無功關(guān)系將受聯(lián)絡(luò)線電抗的影響，這與有功-頻率關(guān)系不同，有功-頻率特性與聯(lián)絡(luò)線的電抗無關(guān)。13六月2023§3無功功率控制不同電源的電壓-無功特性沒有相同的穩(wěn)態(tài)參數(shù)，因此要找到兩臺分布式電源之間的共有的屬性很困難，畫出兩臺分布式電源組成的微電網(wǎng)的電壓傾斜曲線來表示無功功率分配將沒有什么益處。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制三相配電系統(tǒng)，特別是低壓三相配電系統(tǒng)中，負(fù)荷通常是不對稱的。微電網(wǎng)中的分布式電源若采用PMW逆變器，則可實(shí)現(xiàn)UPS功能并可改善電能質(zhì)量。逆變器控制器的動態(tài)性能可采用多環(huán)控制方法來改善。不失一般性，逆變器主電路采用如圖所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制逆變器的直流母線可采用恒定電壓源模擬，因為采用適當(dāng)?shù)闹绷髂芰看鎯ρb置可實(shí)現(xiàn)負(fù)荷跟蹤。開關(guān)器件如IGBT等采用PWM信號驅(qū)動，使得逆變器能夠輸出頻率和幅值符合要求的正弦電壓。PWM輸出波形中的高頻開關(guān)頻率成分通過二階低通濾波器濾除。濾波后的電壓通過電抗器和變壓器送到負(fù)載。變壓器二次側(cè)為星形帶中線的連接方式，使得逆變器既可帶三相負(fù)載，也可帶單相負(fù)載，滿足用戶的需要。一、三相不對稱物理量的復(fù)數(shù)表示三相電壓和電流可表示為復(fù)數(shù)向量。對稱的三相物理量為正序向量，可表示為正的單邊帶傅立葉頻譜，相量的運(yùn)動軌跡為復(fù)空間逆時鐘旋轉(zhuǎn)的圓。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制除了對稱的物理量外，在分布式電源的逆變器側(cè)出現(xiàn)由負(fù)序分量產(chǎn)生的不對稱物理量是很常見的。三相三橋臂逆變器應(yīng)使由不對稱物理量產(chǎn)生的零序分量不能出現(xiàn)在逆變器輸出端，變壓器應(yīng)采用D/yn連接方式，因此在三角形連接的逆變器側(cè)將僅有正序和負(fù)序分量。含有負(fù)序分量的不對稱物理量其向量在復(fù)平面的運(yùn)動軌跡為橢圓，其傅立葉頻譜將同時包含正和負(fù)的頻率邊帶，分別對應(yīng)于正序和負(fù)序分量。設(shè)系統(tǒng)中的電壓或電流信號用f表示，則a、b和c三相信號在復(fù)平面可表示為將f(t)表示為直角坐標(biāo)形式：13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制若正弦信號fa(t)、fb(t)和fc(t)對稱，其幅值為Ap，角頻率為ω，則上式的極坐標(biāo)表示形式為向量在復(fù)平面的軌跡為以恒定角頻率ω旋轉(zhuǎn)的圓。由于向量中僅包含正頻率復(fù)指數(shù)項，其傅立葉頻譜僅僅包含正的頻率邊帶。如果正弦信號fa(t)、fb(t)和fc(t)還具有負(fù)序分量，則其向量的極坐標(biāo)表達(dá)式為向量f(t)在復(fù)平面的軌跡為橢圓，其主軸和輔軸的長度分別為Ap+An和Ap-An。由于此時向量中同時具有正和負(fù)頻率的復(fù)指數(shù)項，因此其傅立葉頻譜將同時包含正和負(fù)的頻率邊帶。將主電路中濾波電容Cf的電壓和流過電感Lf和Lt的電流表示成復(fù)平面的向量。由于濾波器采用三相三線制，可用兩相變量表示三相系統(tǒng)。因此ab相和cb相之間濾波電容電壓可表示為ucf(t)，a相和c相濾波電感Lf和電抗器Lt的電流分別為iLf(t)和iLt(t)。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制復(fù)平面的電壓和電流向量可定義為二、復(fù)數(shù)傳遞函數(shù)不對稱的三相電壓和電流的復(fù)平面向量其幅值不相等，且對于零頻率點(diǎn)也不對稱。對于單獨(dú)的交流正序信號每相傅立葉頻譜的幅值相等且為零頻率對稱，正弦量Asin(ωt)和Acos(ωt)可分別表示為13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制交流信號實(shí)部分量的信號處理可采用傳遞函數(shù)的系數(shù)為復(fù)變量s的實(shí)系數(shù)濾波器實(shí)現(xiàn)。設(shè)低通濾波器的傳遞函數(shù)為該傳遞函數(shù)的幅值和相位分別為低通濾波器Grlpf(s)的幅頻特性和相頻特性如圖所示，截止頻率為ωc=2π(200)rad/s。實(shí)數(shù)傳遞函數(shù)以中心頻率ω=0對稱的。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制復(fù)數(shù)電壓和電流向量可采用復(fù)系數(shù)濾波器濾波。復(fù)數(shù)帶通濾波器的傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)Gcbpf(s)可通過線性變換s→s-jω0由低通濾波器Grlpf(s)獲得。復(fù)數(shù)帶通濾波器的幅頻和相頻特性如圖所示。當(dāng)分析微型電源的控制結(jié)構(gòu)時，可采用波特圖設(shè)計和分析控制器的性能。波特圖的頻率軸一般為對數(shù)坐標(biāo)，因此在同一圖上可能不適合表示負(fù)的頻率成分。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制因為波特圖只能給出正的頻率響應(yīng)，所以可將濾波器Gcbpf(s)的正序和負(fù)序分量的響應(yīng)分別以Gcbpf(jω)和Gcbpf(-jω)畫出。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制復(fù)數(shù)濾波器正序分量的帶寬為ωc+ω0=2π(300)rad/s，轉(zhuǎn)折頻率處的相位為-45度；而負(fù)序分量的帶寬為ωc-ω0=2π(100)rad/s，轉(zhuǎn)折頻率處的相位為45度。采用波特圖分析負(fù)序分量的頻率響應(yīng)的相位信息與正序分量的相反。三、控制結(jié)構(gòu)采用直角坐標(biāo)的微電源與電網(wǎng)的電力電子接口濾波器的方框圖13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制逆變器系統(tǒng)的控制可采用電壓源逆變器控制器的同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)變換設(shè)計方法。為得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的無差調(diào)節(jié)特性，通?？刹捎肞I控制器。當(dāng)微型電源并網(wǎng)運(yùn)行時，d-q坐標(biāo)變換的頻率是變化的，為保持逆變器的輸出信號的相位與線路信號的相位一致，需采用鎖相環(huán)(PLL)。由于考慮系統(tǒng)的不對稱，正序和負(fù)序分量的控制是分別采用不同的旋轉(zhuǎn)參考軸實(shí)現(xiàn)，使得系統(tǒng)的設(shè)計更復(fù)雜。下面采用一種不需進(jìn)行abc到d-q坐標(biāo)變換的高性能的電流調(diào)節(jié)方法。為保證系統(tǒng)的正序和負(fù)序分量控制性能，用于控制器的信號分別采用正序和負(fù)序濾波器對實(shí)時測量的信號進(jìn)行分離。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制為保證系統(tǒng)在時變、不對稱情況下的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，控制器采用分級控制方式。采用電壓反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)變壓器一次側(cè)電容濾波器的電壓Ucf(t)的控制，控制器采用合適性能的二階傳遞函數(shù)反饋控制。中心的控制器采用矢量調(diào)節(jié)器，為逆變器的IGBT通過所需要的占空比調(diào)節(jié)參考信號dinv(t)，輸入的參考信號為逆變器的電壓調(diào)節(jié)參考值Uinv*(t)。該控制器與直流電壓前饋傳遞函數(shù)合成，防止直流電壓擾動對調(diào)節(jié)器的動態(tài)性能的影響。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制更高層次的控制器為系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)電流調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)濾波器電感Lf的電流。為了將濾波電容電壓Ucf(t)和濾波電感電流iLf(t)解耦，將電容電壓Ucf(t)與電感電流iLf(t)在電流環(huán)的輸入端疊加。由于濾波電感電流不是最終的調(diào)節(jié)量，其穩(wěn)態(tài)性能不是很重要，因此電流環(huán)采用簡單的比例調(diào)節(jié)。為改善閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性，在電流環(huán)中加入電感Lt的前饋電流。該調(diào)節(jié)器結(jié)合了具有精確的電壓跟蹤能力和正弦擾動信號調(diào)節(jié)功能的控制器。最外層的控制器補(bǔ)償電抗器Lt兩端的電壓降Ucvm(t)，用它修改電容電壓控制器的參考電壓。電抗器Lt考慮了變壓器的漏抗。該電壓可將測量得到的電流與串聯(lián)電抗用合適的比例相乘得到。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制1.濾波電感電流調(diào)節(jié)器直角坐標(biāo)系下最內(nèi)環(huán)的Lf電流環(huán)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。電流調(diào)節(jié)器的輸出為逆變器矢量調(diào)節(jié)器的參考輸入信號。調(diào)節(jié)器采用恒定增益Ki的比例控制，其輸入為從ucf(t)中消去關(guān)聯(lián)電流iLf(t)的電壓信號。電流環(huán)控制器的凈傳遞函數(shù)為積分增益?zhèn)鬟f函數(shù)1/Lfs。電流環(huán)的帶寬ωci與增益Ki的關(guān)系為電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制開環(huán)傳遞函數(shù)Gi,op的正序和負(fù)序復(fù)數(shù)冪空間向量的波特圖。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制開環(huán)傳遞函數(shù)僅在零頻率處有一個極點(diǎn)，因此直流量的穩(wěn)態(tài)誤差為零僅出現(xiàn)在iLf,r。在工頻處的交流正序量的穩(wěn)態(tài)誤差取決于帶寬ωci。盡管正序和負(fù)序分量的幅頻特性相同，但相頻特性不同。正序分量的相位關(guān)系與空間向量相同，而負(fù)序分量的相位關(guān)系為空間向量的相位的負(fù)值。電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為內(nèi)部電流環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個一階的低通濾波器，其截止頻率等于電流環(huán)的帶寬ωci。2.濾波電容電壓調(diào)節(jié)器電壓ucf(t)的調(diào)節(jié)器設(shè)計中，考慮了電流iLt(t)的影響。其方法是將iLt(t)中低于電流環(huán)帶寬ωci的電壓消去。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制設(shè)Gcu(s)為電壓ucf(t)反饋調(diào)節(jié)器的開環(huán)傳遞函數(shù)，則電壓環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為如果電壓環(huán)的動態(tài)特性頻率限制在低于電流環(huán)的帶寬ωci，則上式中的傳遞函數(shù)Gi,cl(s)可以忽略。因此：與電流環(huán)不同，電壓環(huán)控制器Gcu(s)的穩(wěn)態(tài)特性必須是無差的。由于對具有積分增益的系統(tǒng)，若采用比例控制器，則對于交流正弦信號將實(shí)現(xiàn)不了無差穩(wěn)態(tài)特性，因此采用的控制器必須在給定的參考信號的頻率處具有奇點(diǎn)。如果正弦參考信號的頻率為ω0，則控制ucf(t)的正序復(fù)指數(shù)分量的反饋控制器的傳遞函數(shù)Gcup(s)為13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制實(shí)現(xiàn)上式復(fù)數(shù)傳遞函數(shù)的電壓調(diào)節(jié)器如圖所示。該傳遞函數(shù)可適用于僅僅包含正序分量的對稱三相系統(tǒng)。在微電網(wǎng)中由于負(fù)荷的不對稱可能產(chǎn)生負(fù)序分量，因此復(fù)數(shù)控制器的傳遞函數(shù)中對于ucf(t)中負(fù)序分量的控制也需要采用無差調(diào)節(jié)。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制對于復(fù)指數(shù)信號ucf(t)的控制其傳遞函數(shù)為控制器Gcun(s)的實(shí)現(xiàn)類似于Gcup(s)。傳遞函數(shù)Gcun(s)和Gcup(s)可分別獨(dú)立地采用預(yù)測-校正數(shù)值積分實(shí)現(xiàn)，預(yù)測器可采用前向歐拉算法實(shí)現(xiàn)，而校正器可采用梯形法實(shí)現(xiàn)。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制系統(tǒng)的波特圖無論是正序還是負(fù)序分量，在系統(tǒng)基波頻率具有無限增益。而正序和負(fù)序分量的相位邊界均大于45度。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制輸出阻抗可定義為電容電壓ucf(t)和電抗電流iLt(t)之比。若電壓調(diào)節(jié)中沒有控制器，則輸出阻抗G0(s)可由下式確定：上述電容電壓調(diào)節(jié)回路的設(shè)計基于電流回路的帶寬之上iLt(t)中不存在任何成分。而是將電流iLt(t)設(shè)置為輸入擾動信號。為確定擾動信號iLt(t)的抑制，應(yīng)該對分布式電源有和沒有控制器時的輸出阻抗進(jìn)行分析。當(dāng)濾波器的角頻率時，LfCf濾波器的輸出阻抗達(dá)到最大，為無限大，而當(dāng)角頻率為零時達(dá)到最小。當(dāng)控制器的Uload*(t)為零時，輸出阻抗可表示為：13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制多環(huán)控制器改善了系統(tǒng)的輸出阻抗。當(dāng)角頻率為零和±ω50時，控制器的輸出阻抗最小，這是因為Gcu(s)在角頻率為±ω50時的增益為無限大。當(dāng)時不具有無限大的增益，因此LfCf濾波器的并聯(lián)諧振被多環(huán)控制器消除。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制當(dāng)無控制器時，LfCf濾波器在頻率為933Hz時出現(xiàn)并聯(lián)諧振，正序和負(fù)序分量的響應(yīng)是一致的。當(dāng)采用內(nèi)部電流環(huán)中具有電容電壓前饋的比例控制器時，并聯(lián)諧振受到抑制。在外部電壓環(huán)中采用電感電流iL(t)前饋環(huán)節(jié)時，在電流環(huán)的帶寬之下所有頻率范圍內(nèi)具有較低的阻抗。在角頻率為±ω50處具有奇點(diǎn)的電壓調(diào)節(jié)器確保了iL(t)的復(fù)數(shù)空間矢量的正序和負(fù)序分量具有傳輸零點(diǎn)，這可從正序和負(fù)序分量中在基波頻率處具有較低的增益看出?？刂破鱃cu(s)除了具有對基本控制量的跟蹤能力外，還具有較好的抑制擾動的性能。3.控制電壓修正器按上述方法設(shè)計控制器可調(diào)節(jié)變壓器一次側(cè)濾波電容電壓。微型電源控制器的基本目標(biāo)是調(diào)節(jié)變壓器二次側(cè)的負(fù)荷母線電壓，使得在所有可能出現(xiàn)的負(fù)荷擾動情況下保持電壓在一定的范圍。13六月2023§4微型電源在不對稱負(fù)荷情況的運(yùn)行和控制應(yīng)估計變壓器漏磁感抗和電抗器Lt兩端電壓降Ucum(t)并疊加到電容電壓調(diào)節(jié)器輸入端，改善負(fù)荷母線電壓調(diào)節(jié)的性能?？刂齐妷盒拚鞯姆娇驁D如圖所示。電感電流i