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非线性负载下微电网主电力专用逆变器输出侧电能质量控制策略

针对微电网主电力专用逆变器输出侧电能质量易受其所连交流母线上非线性负载影响的问题,提出了一种适用于三相四线制微电网主电力专用逆变器的高电能质量控制策略。

首先,分析了非线性负载造成主电力专用逆变器输出侧电压畸变的原因,得到了孤网运行状态下主电力专用逆变器输出侧电压谐波抑制机理。其次,解析了传统电力专用逆变器的谐波抑制方法及其物理机理,并指出了该类抑制方法的不足。然后,提出了一种基于虚拟谐波阻抗的新型谐波抑制策略,能同时适用于电流型谐波源和电压型谐波源,分析了该方法的可行性。

最后,仿真结果和实验结论验证了该控制策略的有效性,该方法有效地改善了主电力专用逆变器输出电压的畸变率。

微电网作为平抑分布式电源(Distributed Generation, DG)间歇性与波动性,实现DG友好接入的重要组网形式,近年来备受关注[1-3]。微电网通常通过静态开关与大电网相连[4],对于采用主从控制的微电网,脱离了大电网支撑,连接在其交流母线上的主电力专用逆变器输出侧电压易受到非线性负荷的影响而出现畸变。

电压的畸变将直接影响微电网内部接入的所有DG并网变流器以及负荷的安全稳定运行。因此,确保在非线性负载下的优质供电是微电网研究不可回避的重要课题[5,6]。

目前针对微电网主电力专用逆变器输出侧的电压谐波问题,提出了通过一个DG或多个DG共同治理谐波等方法。但这类方法多针对电流型谐波源展开研究[7-12],较少涉及电压型谐波源。在电流型谐波治理方面,文献[7,8]提出将DG输出电压变换到d-q坐标系下进行PI控制,在跟踪参考电压信号的同时抑制各次谐波成分,但文中的控制策略只能针对5、7次等谐波进行抑制,所提方法普遍可适用性较低。

文献[9-11]提出了一种多谐振控制器的谐波抑制方法,但文中过大的控制器增益给系统稳定带来了挑战。文献[12]提出利用谐波电流旁路法抑制输出电压中的谐波成分,但文中参数选取偏复杂,需要合理权衡参数才能达到较好效果。

在电压型谐波治理方面,文献[13-15]提出了一种分担谐波负荷功率的下垂控制策略,减小了电压的畸变率(Total Harmonics Distortion,THD)。但文中控制器依赖于阻抗类型,需测量各谐波频率下的阻抗类型以确定所选用的下垂控制方程。

文献[16,17]提出了一种谐波下垂控制策略,避免了控制器依赖阻抗类型的问题,但各次谐波下垂系数计算较为复杂,实际匹配难度较大。需要指出的是,现有研究对DG输出电压畸变机理分析依然较少,缺乏能同时适用于电流型谐波源和电压型谐波源的谐波抑制策略。

本文在现有文献研究基础上,首先利用谐波负荷等效模型对主电力专用逆变器电压谐波产生的原因进行了系统的分析,得到了量化而直观的结论,并针对造成谐波裂化的实际情况提出了相应的抑制策略。针对文献[9-11]中多谐振控制器的增益太大会造成系统不稳定的现象,提出了一种基于虚拟谐波阻抗与多谐振控制器相结合的控制方法,在明显降低控制器的增益的同时就能取得较好的谐波抑制效果。理论分析显示本文所提控制方法能够有效地改善微电网主电力专用逆变器输出侧电压质量,仿真和实验验证了本文理论分析的正确性。

图1  电力专用逆变器主电路控制拓扑结构
非线性负载下微电网主电力专用逆变器输出侧电能质量控制策略

结论
本文在分析微电网主电力专用逆变器输出侧电压畸变的机理上,通过理论分析与推导,提出了一种谐波抑制策略,并通过PSCAD仿真和实验验证得出以下结论:
1)谐波电流在电力专用逆变器谐波阻抗上产生的谐波压降是造成电力专用逆变器输出电压畸变的原因。
2)通过引入虚拟谐波阻抗能减小电力专用逆变器在各次频率处的谐波阻抗值,从而有效降低了电力专用逆变器输出侧电压的畸变率。
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