涂春鳴， 肖 凡， 蘭 征， 袁靖兵

(國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心， 湖南大學(xué)， 湖南 長(zhǎng)沙 410082)

1 引言

隨著光伏、風(fēng)電等新能源的大力發(fā)展，其波動(dòng)性、間歇性、隨機(jī)性等對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)[1,2]。為了大量可靠地消納新能源，將分布式新能源與本地負(fù)荷構(gòu)成微電網(wǎng)成為目前消納新能源的主要方式之一。對(duì)于微電網(wǎng)而言，電力電子變壓器(Power Electronic Transformer, PET)為其提供了多種形式電能同時(shí)接入與消納的能力，從而使得電力電子變壓器作為微電網(wǎng)接口成為研究的熱點(diǎn)[3]。

電力電子變壓器是一種將電力電子變流技術(shù)與高頻變壓技術(shù)相結(jié)合的全新一代智能變壓器，具備故障隔離、諧波隔離、無(wú)功補(bǔ)償和充當(dāng)微電網(wǎng)接口等功能。同時(shí)，電力電子變壓器較好地回避了傳統(tǒng)變壓器存在的磁飽和、直流偏磁、空載損耗大等問(wèn)題，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值[4,5]。目前，針對(duì)電力電子變壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-11]、功率控制[12,13]、均壓均流[14,15]等方面已有較多研究。電力電子變壓器作為微電網(wǎng)與主電網(wǎng)之間的樞紐裝備時(shí)，其能量管理與協(xié)調(diào)潛力也得到了廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[12]探討了基于電力電子變壓器的交直流混合微電網(wǎng)能量管理策略，對(duì)多電能形式微電網(wǎng)間的能量管理提供了較好的方案；文獻(xiàn)[16]研究了電力電子變壓器與光伏系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的控制策略；文獻(xiàn)[17,18]研究了電力電子變壓器與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)策略。

電力電子變壓器替代固態(tài)開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)變壓器后，由于其內(nèi)部多個(gè)直流環(huán)節(jié)的存在，使得微電網(wǎng)與主網(wǎng)間實(shí)現(xiàn)了完全的電氣隔離，且隔斷了微電網(wǎng)與主電網(wǎng)間的諧波交互通路。調(diào)研已有文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)針對(duì)基于電力電子變壓器的微電網(wǎng)的研究多集中在能量調(diào)節(jié)與管理，其作為微電網(wǎng)接口替代固態(tài)開(kāi)關(guān)或傳統(tǒng)變壓器后可能引起的供電電壓質(zhì)量問(wèn)題缺少關(guān)注。

雖然目前針對(duì)PET供電電壓質(zhì)量的研究較少，但針對(duì)其他變流器供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題已有大量研究[19-24]。文獻(xiàn)[21]提出了基于多諧振控制器的諧波抑制方法，對(duì)諧波電流與不平衡問(wèn)題提供了可行的治理方案。文獻(xiàn)[22]提出了一種諧波電流旁路法來(lái)抑制輸出電壓中的諧波成分，但所提控制策略的參數(shù)選取偏復(fù)雜，需要合理權(quán)衡參數(shù)才能達(dá)到較好效果。文獻(xiàn)[23]提出通過(guò)阻抗匹配與下垂控制結(jié)合減小微電網(wǎng)PCC點(diǎn)電壓畸變率的方法，但所提方法較依賴負(fù)荷阻抗類(lèi)型，需測(cè)量各頻次諧波阻抗確定下垂控制方程。文獻(xiàn)[24]所提的諧波下垂控制策略雖然不依賴阻抗類(lèi)型，但各次諧波下垂系數(shù)計(jì)算復(fù)雜，匹配難度較大。這些研究對(duì)變流器供電系統(tǒng)的電壓質(zhì)量問(wèn)題解決提供了較多方案，但PET在供電系統(tǒng)中的位置和作用與其他變流器存在明顯差異，在選擇控制策略時(shí)須有特殊的偏重。

基于以上分析，本文充分挖掘了PET電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)的機(jī)理，提出了一種適用于PET的電壓質(zhì)量控制策略。所提方法無(wú)需考慮PCC點(diǎn)非線性負(fù)荷類(lèi)型與分布情況，調(diào)節(jié)效果對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)不敏感。本文首先介紹了PET的基本原理，并詳細(xì)分析了PET作為微電網(wǎng)接口后其輸出側(cè)PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量的特征；然后，分析了PET調(diào)控PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量的機(jī)理，提出了考慮PET輸出級(jí)采樣特點(diǎn)與容量等因素的高供電電壓質(zhì)量控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量的有效調(diào)節(jié)；仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了本文理論研究的正確性與可行性。

2 基于PET的微電網(wǎng)諧波特性分析

2.1 PET簡(jiǎn)介

三級(jí)式PET是目前研究的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖 1 所示。該拓?fù)浒ㄝ斎爰?jí)、中間級(jí)和輸出級(jí)三個(gè)部分。輸入級(jí)主要包括級(jí)聯(lián)H橋(Cascaded H-Bridge，CHB)[8,9]和模塊化多電平變流器(Modular Multilevel Converter，MMC)[10,11]兩種主流拓?fù)?，?shí)際中各級(jí)聯(lián)單元硬件參數(shù)差異所導(dǎo)致的直流側(cè)電壓不相等和各級(jí)傳輸功率不均衡等已成為現(xiàn)有研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[15]。對(duì)于中間級(jí)，現(xiàn)有拓?fù)涠嗖捎秒p主動(dòng)橋(Dual Active Bridge，DAB)[25,26]或者單主動(dòng)橋(Single Active Bridge，SAB)[27]。其中DAB的雙向功率傳輸能力，對(duì)于PET多個(gè)端口間的能量管理與協(xié)調(diào)具有重要意義。輸出級(jí)普遍采用電壓源型逆變(Voltage Source Inverter，VSI) 結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)輸出側(cè)交流系統(tǒng)與PET低壓直流母線間能量的靈活交互。

圖1 三級(jí)式PET結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Topology of PET with three stages

三級(jí)式PET的控制策略主要包括四種：①輸入級(jí)控制并網(wǎng)電流和高壓直流側(cè)總電壓(HVDC)，中間級(jí)控制低壓直流母線電壓、各DAB間的功率平衡、高壓側(cè)各模塊的電壓平衡，輸出級(jí)控制輸出電壓或電流；②輸入級(jí)控制并網(wǎng)電流和低壓直流電壓，中間級(jí)控制高壓側(cè)各模塊電壓和各DAB間的功率平衡，輸出級(jí)控制低壓輸出電壓或者電流；③輸入級(jí)控制并網(wǎng)電流，中間級(jí)控制高壓側(cè)各級(jí)電壓和各DAB間的功率平衡，輸出級(jí)控制低壓直流母線電壓和輸出側(cè)并網(wǎng)電流；④輸入級(jí)控制并網(wǎng)電流，中間級(jí)控制低壓直流母線電壓和各DAB間的功率平衡，輸出級(jí)控制高壓直流側(cè)的總電壓和輸出的交流并網(wǎng)電流。

策略1、2與策略3、4的一個(gè)主要區(qū)別在于輸出級(jí)控制為電壓源或者電流源，本文將針對(duì)PET作為主電源供電情況下的供電電壓質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析與研究，輸出級(jí)的控制策略采用電壓源型控制策略，后文將不再進(jìn)行相關(guān)的解釋。

2.2 PET接入微電網(wǎng)后的電壓質(zhì)量問(wèn)題分析

傳統(tǒng)變壓器常用于連接兩個(gè)電壓等級(jí)不同的系統(tǒng)，其負(fù)荷可分為線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷兩大類(lèi)。進(jìn)行電壓等級(jí)歸一化后，傳統(tǒng)變壓器可以近似等效為一個(gè)感抗。圖2(a)為PET代替?zhèn)鹘y(tǒng)變壓器后的配電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。電力電子變壓器內(nèi)部多個(gè)直流環(huán)節(jié)的存在使得諧波電流難以穿過(guò)PET流入高壓交流側(cè)，諧波將在低壓配電網(wǎng)內(nèi)部流動(dòng)，如圖2(b)所示。

圖2 含PET的系統(tǒng)諧波域等效圖Fig.2 Equivalent harmonic circuit of grid with PET

此時(shí)PCC點(diǎn)諧波電壓可表示為:

(1)

式中，VPCC為PCC點(diǎn)電壓；Vh為諧波電壓；Ih為諧波電流；ZL_V和ZL_C分別為電壓源與電流源內(nèi)阻；ZL為線性負(fù)荷等效阻抗；ZPET為PET等效阻抗。由式(1)可見(jiàn)， PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量與PET輸出級(jí)的等效諧波阻抗直接相關(guān)。圖3為PET輸出級(jí)的經(jīng)典控制框圖。其中，iout為PET輸出電流，包括基波分量iof與諧波分量ioh。根據(jù)圖3可得PET的輸出模型為：

Uout(s)=GV(s)Uref-Zof(s)iof-Zoh(s)ioh

(2)

式中

(3)

(4)

其中，GU(s)為電壓環(huán)增益函數(shù)，采用PI控制；GI(s)為電流環(huán)比例增益函數(shù)；KPWM為調(diào)制增益；Zof(s)為PET輸出側(cè)的基波等效輸出阻抗，即基波阻抗；Zoh(s)為PET諧波等效輸出阻抗，即諧波阻抗，其表達(dá)式與Zof(s)相同。式(2)中第一部分與第二部分均為基波分量，不會(huì)產(chǎn)生諧波電壓；式(2)的第三部分包含諧波電流與諧波阻抗兩個(gè)部分，是造成PET輸出側(cè)PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量下降的主要因素。

圖3 PET輸出級(jí)控制框圖Fig.3 Control sketch of output-stage

2.3 無(wú)電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)下的PET仿真分析

圖4為采用PI控制的PET與主電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗對(duì)比圖，共對(duì)比了三種不同等效電抗值下的主電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗與PET阻抗在全頻域上的分布差異。可以看出，在一定頻率范圍內(nèi)主電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗都明顯小于PET的阻抗，此時(shí)PET供電電壓質(zhì)量將比傳統(tǒng)變壓器差。為了直觀分析PET替代固態(tài)開(kāi)關(guān)接入交流系統(tǒng)后高、低壓側(cè)的電壓、電流情況，利用MATLAB仿真軟件對(duì)圖2(a)所示電路進(jìn)行仿真。仿真模型中高壓系統(tǒng)為10kV，低壓系統(tǒng)為400V，線性負(fù)荷電阻為1.5Ω，非線性整流負(fù)荷電阻為2Ω，主電網(wǎng)系統(tǒng)(包括主電網(wǎng)、傳統(tǒng)變壓器)的等效電抗為0.18mH。

圖4 PET與主電網(wǎng)系統(tǒng)的等效阻抗圖Fig.4 Equivalent impedance of PET and main grid (MG)

圖5(a)和圖5(b)分別為采用固態(tài)開(kāi)關(guān)與傳統(tǒng)變壓器時(shí)微電網(wǎng)與主電網(wǎng)高、低壓側(cè)電壓電流波形。對(duì)比電壓波形可以發(fā)現(xiàn)，由于主電網(wǎng)等效阻抗與傳統(tǒng)變壓器等效電感的存在，低壓側(cè)電壓發(fā)生畸變，THD為8.2%。對(duì)比電流波形可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)高、低壓側(cè)電流波形形狀基本一致，說(shuō)明傳統(tǒng)變壓器不能隔離配電網(wǎng)高、低壓側(cè)間的諧波電流。

圖5 采用固態(tài)開(kāi)關(guān)的微電網(wǎng)電壓電流波形圖Fig.5 Voltage and current waveforms of microgrid with SSW

圖6(a)和圖6(b)分別為PET替代傳統(tǒng)變壓器后高、低壓側(cè)電壓電流波形。對(duì)比電流波形可以發(fā)現(xiàn)高、低壓側(cè)電流波形不一致， PET實(shí)現(xiàn)了高、低壓之間的諧波電流隔離。對(duì)比圖5(b)與圖6(b)的電壓波形可發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)變壓器低壓側(cè)波形(THD為8.2%)優(yōu)于PET低壓側(cè)的電壓波形(THD為15.7%)。

圖6 采用PET時(shí)微電網(wǎng)電壓電流波形圖Fig.6 Voltage and current waveforms of microgrid with PET

由以上分析可知，當(dāng)PET輸出側(cè)不采取任何電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)措施且沒(méi)有其他電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)設(shè)備配合時(shí)，PET存在劣化PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量的可能，而這一問(wèn)題以往沒(méi)有得到足夠的重視。

3 電力電子變壓器電壓質(zhì)量控制

3.1 PET電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)本質(zhì)分析

配電網(wǎng)非線性諧波負(fù)荷可以分為電壓源型諧波負(fù)荷與電流源型諧波負(fù)荷兩種。圖7為PET同時(shí)接線性負(fù)荷、電壓源型非線性負(fù)荷和電流源型非線性負(fù)荷的系統(tǒng)等效圖。其中，諧波電壓源的物理模型可以簡(jiǎn)化為理想諧波電壓源VSh與等效并聯(lián)阻抗ZVh串聯(lián)而成；ISh表示諧波電流源中的諧波成分；ZPET表示諧波等效輸出阻抗；ZL表示接在PCC點(diǎn)上的線性負(fù)載。

圖7 含非線性諧波負(fù)荷的系統(tǒng)等效圖Fig.7 Equivalent circuit with non-linear load

由圖7可得：

(5)

(6)

(7)

(8)

I1=I2+I3+I4-ISh

(9)

綜合式(5)～式(9)可得：

(10)

式中

YPET(s)=1/ZPET(s)，YL=1/ZL

Y∑=YPET+YVh+YCh+YL

YVh=1/ZVh，YCh=1/ZCh

此時(shí)PET輸出級(jí)參考電壓Uref為不含諧波的正弦電壓，PCC點(diǎn)電壓畸變的原因主要來(lái)源于式(10)第2項(xiàng)和第3項(xiàng)的影響。因此VSh與ISh前面系數(shù)的大小直接決定了PCC點(diǎn)電壓畸變的程度。諧波源的阻抗一般較小，因此其導(dǎo)納一般很大，當(dāng)負(fù)載阻抗ZL不變時(shí)，可通過(guò)減小PET諧波阻抗，即增大YPET的方法來(lái)減小諧波源對(duì)VPCC點(diǎn)電壓造成的影響?？紤]到PET輸出級(jí)可用于電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)的容量存在限制，實(shí)際治理時(shí)滿足Yoh>(YL+YVh)就可明顯降低VPCC點(diǎn)電壓畸變率。

綜合分析PET面對(duì)諧波電壓源負(fù)荷與諧波電流源負(fù)荷時(shí)的電路特性可以發(fā)現(xiàn)，改變PET輸出級(jí)諧波阻抗可調(diào)節(jié)PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量。現(xiàn)有文獻(xiàn)已對(duì)虛擬阻抗法開(kāi)展了大量研究，用于解決并聯(lián)環(huán)流與諧振等問(wèn)題，同時(shí)虛擬阻抗法在解決分布式微電源并聯(lián)系統(tǒng)線路阻抗差異帶來(lái)的諧波功率不均分問(wèn)題[23,24]中得到了一定的關(guān)注。但將虛擬阻抗法用于PET還需要規(guī)避其對(duì)負(fù)荷阻抗特性敏感等問(wèn)題，并且相關(guān)控制方法的選擇需要滿足PET實(shí)際采樣與運(yùn)行特點(diǎn)。

3.2 PET輸出級(jí)電壓質(zhì)量控制策略

綜合考慮PET實(shí)際采樣與容量的諸多限制，本文提出了一種PET直接電壓控制與虛擬阻抗控制結(jié)合的策略，如圖8所示。

本文所提控制策略包括電壓控制環(huán)節(jié)和虛擬阻抗環(huán)節(jié)兩部分。本文控制策略的提出還充分考慮以下三個(gè)問(wèn)題：

(1)電壓指令基準(zhǔn)的選擇問(wèn)題：電壓包括幅值與相位兩個(gè)重要組成部分，電壓指令基準(zhǔn)的選擇直接關(guān)系到調(diào)節(jié)效果和可用容量的使用效率。

圖8 PET輸出級(jí)直接電壓控制框圖Fig.8 Direct voltage control sketch of output-stage

(2)電壓控制器選擇問(wèn)題：目前PI控制器使用較多，其具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但PI控制器對(duì)交流信號(hào)的響應(yīng)特性差，參數(shù)設(shè)計(jì)敏感；若使用PI控制器對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行控制需多次信號(hào)提取、直流濾波與d-q轉(zhuǎn)換，這將占用數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor，DSP)大量的計(jì)算時(shí)間。

(3)補(bǔ)償容量受限問(wèn)題：實(shí)際運(yùn)行中，保障基波功率供給是PET運(yùn)行的前提，因此進(jìn)行供電電壓質(zhì)量控制時(shí)考慮PET容量限制是不可回避的問(wèn)題。

3.2.1 電壓控制環(huán)節(jié)分析

針對(duì)問(wèn)題1和問(wèn)題2，PET電壓指令采用PCC點(diǎn)采樣電壓，直接電壓反饋降低了控制系統(tǒng)對(duì)負(fù)載阻抗變化的敏感度，有利于動(dòng)態(tài)跟隨系統(tǒng)變化而做出反應(yīng)。電壓控制器采用PR諧振控制器而非PI控制器，PR控制器的優(yōu)勢(shì)在于適用于交流信號(hào)的直接控制，可直接將PCC點(diǎn)電壓作為控制系統(tǒng)的輸入；其次，PR控制器在諧振頻率附近具有較大增益，在非諧振頻率處響應(yīng)差，可實(shí)現(xiàn)基波環(huán)節(jié)和各個(gè)諧波環(huán)節(jié)的解耦而無(wú)需考慮諧波對(duì)基波控制帶來(lái)的影響；最后，PR控制器的諧振特性使得其能夠?qū)Ψ侵C振點(diǎn)外的信號(hào)進(jìn)行濾波，在進(jìn)行多次諧波綜合治理時(shí)無(wú)需多次d-q變換來(lái)提取諧波電壓，簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)字信號(hào)處理器的計(jì)算量。

(11)

式中

其中，Uout_h(k-1)為k-1時(shí)刻PET輸出電壓中的諧波分量；Mh為諧波電壓幅值的調(diào)節(jié)系數(shù)，可以通過(guò)調(diào)整補(bǔ)償系數(shù)對(duì)諧波電壓指令進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

采用PR控制器的PET輸出電壓表達(dá)式為：

(12)

式中，GU(s)為電壓外環(huán)多諧振控制器的傳遞函數(shù)；GI(s)為電流內(nèi)環(huán)比例增益函數(shù)；KPWM為PET控制器調(diào)制增益。GU(s)的表達(dá)式為：

(13)

式中，KPV為比例增益系數(shù)；Krh為諧振控制器增益系數(shù)；ωch為截止頻率；ω0為基波頻率。

3.2.2 考慮容量限制的虛擬阻抗控制環(huán)節(jié)分析

在僅采用電壓外環(huán)的情況下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PCC點(diǎn)供電電壓質(zhì)量的有效控制，但是PET的主要任務(wù)依然是保證基波能量的供給，因此在進(jìn)行供電電壓質(zhì)量控制時(shí)考慮PET的可用補(bǔ)償容量是不可回避的問(wèn)題，即問(wèn)題3如何解決?；诖?，本文提出了通過(guò)引入虛擬阻抗環(huán)節(jié)來(lái)動(dòng)態(tài)跟隨PET實(shí)際剩余容量調(diào)節(jié)供電電壓質(zhì)量的新方法。

對(duì)式(12)分析可以發(fā)現(xiàn)，改變iout在控制環(huán)節(jié)的正向增益是改變PET等效阻抗的可行方法?；谶@一機(jī)理，本文在直接電壓控制的基礎(chǔ)上提出采用虛擬阻抗環(huán)節(jié)調(diào)節(jié)PET等效輸出阻抗，其控制部分如圖8所示。PET輸出電流iout的正向增益為GIR，表達(dá)式為：

(14)

(15)

此時(shí)PET輸出電壓調(diào)整為：

Uout(s)=GU(s)Uref-Zof(s)iof-(1-k)Zoh(s)ioh

(16)

式中，k為補(bǔ)償系數(shù)。補(bǔ)償系數(shù)的引入可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供電電壓質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)治理。當(dāng)k=1時(shí)，諧波阻抗為0，此時(shí)為全補(bǔ)償；當(dāng)k=0時(shí)，系統(tǒng)處于無(wú)補(bǔ)償狀態(tài)。隨著k值的增加，諧波阻抗不斷減小，PCC點(diǎn)電壓得到改善；隨著k值的減小，諧波阻抗不斷增大，PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量將逐漸下降。

補(bǔ)償系數(shù)k的取值方法如式(17)所示：

k=k*-m(S0-S)

(17)

式中，S0為PET可用補(bǔ)償容量；S為實(shí)際PET的諧波輸出容量。S0和S的表達(dá)式為：

(18)

(19)

Sout=Uout_rmsIout_rms

(20)

式中，SN為PET輸出級(jí)的額定容量；Sout為PET輸出級(jí)運(yùn)行的視在功率，包含基波視在功率與諧波視在功率；Uout_rms為輸出電壓有效值；Iout_rms為輸出電流有效值。

式(17)中，k*為當(dāng)S0=S時(shí)的補(bǔ)償系數(shù)，取值范圍為[0,1]。m為諧波電壓改善率，其表達(dá)式為：

m=(kmax-k*)/S0

(21)

當(dāng)S=0時(shí)kmax=1。由式(17)可以發(fā)現(xiàn)，PET輸出級(jí)基波功率較少時(shí)，補(bǔ)償系數(shù)k可取較大的值，此時(shí)對(duì)PCC點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。相反，當(dāng)PET基波功率交換較多時(shí)，補(bǔ)償系數(shù)k的取值范圍將縮小，PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量的調(diào)節(jié)能力下降。

通過(guò)虛擬阻抗環(huán)節(jié)與補(bǔ)償系數(shù)的綜合作用，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)PET運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其供電電壓質(zhì)量。

3.3 響應(yīng)特性分析

由控制器傳遞函數(shù)可以得到PET的電壓響應(yīng)傳遞函數(shù)與阻抗傳遞函數(shù)分別為：

(22)

(23)

為了凸顯本文所提控制策略的有效性，針對(duì)式(22)和式(23)分別對(duì)比分析了電壓環(huán)采用PI控制與PR控制的響應(yīng)特性，以及PET輸出級(jí)的阻抗特性，結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 電壓指令信號(hào)響應(yīng)圖

圖10 PET輸出級(jí)等效阻抗Fig.10 Equivalent impedance of output-stage

圖9為電壓環(huán)增益函數(shù)GU(s)采用PI控制和PR控制時(shí)指令電壓的響應(yīng)特性曲線?？梢?jiàn)，采用PR控制器時(shí)在基波和各次諧波頻率處增益接近0dB與0°，表明PR控制器不僅能實(shí)現(xiàn)基波指令的準(zhǔn)確跟蹤，還能實(shí)現(xiàn)特定諧波頻率處指令的準(zhǔn)確跟蹤。采用PI控制時(shí)，其各頻次處的幅頻響應(yīng)特性顯然比PR控制差。因此，采用PR控制的指令電壓響應(yīng)特性優(yōu)于PI控制的響應(yīng)特性。

圖10為采用PI控制與PR控制時(shí)的PET等效諧波阻抗?？梢?jiàn)，PR控制下的等效諧波阻抗相比PI控制小，且特定諧波處有非常大的差距。因此從等效阻抗值上亦可以看出直接電壓PR控制具有更好的諧波控制能力。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證所提PET輸出級(jí)電壓質(zhì)量控制策略，對(duì)圖2的供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。PET輸出側(cè)的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。PET輸出級(jí)的控制器采用TI公司的DSP TMS320F2812，采樣頻率與IGBT的開(kāi)關(guān)頻率均為10kHz。

表1 PET輸出側(cè)參數(shù)Tab.1 Parameters of output-stage

(1)工況1(無(wú)補(bǔ)償)

圖11為無(wú)補(bǔ)償(補(bǔ)償系數(shù)k=0)時(shí)的PET輸出側(cè)電壓電流波形圖。由圖11(b)可以看出，當(dāng)PET輸出級(jí)不進(jìn)行任何電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)時(shí)，輸出側(cè)PCC點(diǎn)電壓波形畸變較大，與第2節(jié)的理論分析一致。此時(shí)電壓總畸變率約為17.5%，相比第2節(jié)仿真中的15.7%的畸變率略有增大，這與實(shí)際控制器為離散型控制器存在一定的關(guān)系。

圖11 無(wú)補(bǔ)償時(shí)電壓電流波形Fig.11 Voltage and current waveforms without compensation

(2)工況2(全補(bǔ)償)

圖12為諧波補(bǔ)償率為100%(補(bǔ)償系數(shù)k=1)時(shí)的PET輸出側(cè)電壓電流波形圖。對(duì)比圖12(b)和圖11(b)可以看出，全補(bǔ)償時(shí)PET輸出側(cè)PCC點(diǎn)電壓相比無(wú)補(bǔ)償時(shí)波形整體更加平滑，電壓畸變得到了明顯改善。在圖12(b)中圓圈等處可以看出依然含有高頻諧波與極少量的低頻諧波，但此時(shí)電壓畸變率已由無(wú)補(bǔ)償時(shí)的17.5%降低到3.2%左右，治理效果較明顯。從整體的治理效果來(lái)看，本文提出的方法能夠有效改善PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量，實(shí)驗(yàn)證明了所提方法的有效性。

圖12 全補(bǔ)償時(shí)電壓電流波形Fig.12 Voltage and current waveforms with full compensation

5 結(jié)論

含PET的微電網(wǎng)電能質(zhì)量與其他類(lèi)型的微電網(wǎng)存在一定差異，本文對(duì)比分析了兩種類(lèi)型微電網(wǎng)的電能質(zhì)量差異，并針對(duì)PET的特點(diǎn)提出了一種適用于PET的電壓質(zhì)量控制策略。本文的相關(guān)研究可得到以下結(jié)論：

(1)PET替代傳統(tǒng)變壓器或固態(tài)開(kāi)關(guān)后，若不進(jìn)行電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)則易受微電網(wǎng)內(nèi)部非線性負(fù)荷影響，從而導(dǎo)致PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量劣化，因此對(duì)PET的電壓質(zhì)量控制策略開(kāi)展研究具有重要意義。

(2)所提PET電壓控制策略具備全局管理PCC點(diǎn)電壓質(zhì)量的能力，可以兼顧抑制電流型諧波負(fù)荷與電壓型諧波負(fù)荷。

(3)所提出的基于虛擬阻抗控制的電壓控制策略考慮了PET補(bǔ)償容量限制，控制方式靈活可控且易于實(shí)現(xiàn)，符合PET實(shí)際應(yīng)用的需求；同時(shí)，所提控制策略具有較好的可移植性，可適用于其他電壓源型變流器或電流源型變流器。

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