微电网中电能质量问题及解决策略

孟 良，段晓波，孟令明，胡文平

（1.国网河北省电力公司电力科学研究院，石家庄 050021；2.华北电力大学，保定 071003）

引言

微电网作为实现多元化新能源利用的有效手段，日益得到社会的重视。其既可与大电网联通进行联网运行，也可在电网故障或需要时与主网断开孤岛运行。对于一个成熟的微电网而言，良好的电能质量是其必备特性之一［1］。但由于分布式电源的波动性及微网中大量的电力电子装置等因素，微电网更加容易产生电能质量问题［2］。本文针对微电网电能质量管理，提出了一种新型有源电力滤波器APF（active power filter）控制原理，依据该控制方法，实现无功补偿与谐波抑制的多目标控制，解决微电网中不同类型的电能质量问题。通过在Matlab／Simulink仿真环境下建模，并将仿真数据应用于实际微电网，验证该控制方法的实用性。

1 微电网内电能质量问题的危害

微电网的电能质量问题主要来自两方面：一是分布式电源DG（distributed generation）及微网负荷无功需求不平衡造成的电压波动；二是分布式电源的整流逆变器和非线性负荷运行带来的谐波污染。

利用新能源的分布式电源往往受光照、温度与气候等自然条件影响，其输出有功功率具有较大的波动性，而DG本身往往既非恒压源又非恒流源，其连接于微电网运行时，倘若未加任何补偿措施，会给微电网带来较大的冲击与波动，导致系统电压频率波动，降低微电网电能质量［3］。同时，DG备用容量不足、调节惯性较小的特点，使系统对负荷侧的扰动更加敏感。倘若微电网中存在冲击性负荷，而微电网无功电源容量不足时，负荷的容量变化幅值相对于系统容量相对较大，将引起微电网系统频率连续振荡；这些负荷的自然投入使系统电压下降，退出时使系统电压升高，导致系统电压波动频繁和闪变，严重时甚至导致系统失稳。典型的，如微电网中大容量电动机的使用。电动机作为现代社会中的动力载体，是微电网不可避免的负载类型，其起停过程具有典型的冲击性，如果不采取合理的起停策略，大量电动机的应用将严重威胁微电网的电能质量［4］。

微电网中通过整流、逆变过程实现新能源的接入与利用，该过程中使用了大量不同类型的电力电子装置，这些设备是典型的非线性负荷，运行中产生的谐波导致微网电压电流畸变。这严重威胁到微网设备尤其是精密设备的正常运行，甚至导致保护动作而致使一些设备退出工作，同时这也会使微电网网损加大，降低了微电网的供电质量［5］。

2 新型APF控制原理

APF作为一种动态谐波补偿装置，通过实时检测系统中谐波含量，采用合理的控制方法，实现向系统注入补偿分量。本文以图1所示的微电网系统为例进行讨论，该微电网系统由250 kW锂电池储能系统、190 kW光伏电池发电系统、20 kW照明普通负荷和2台分别为55 kW及37 kW的水泵冲击性负荷组成，微电网通过连接线及公共连接点开关接到配电网，APF配置于微电网母线上。

图1 微电网系统Fig.1 Micro-grid system

本文所提出的新型APF运行控制灵活，既可以工作在电压补偿模式，又可以电流补偿模式运行，在不同的运行模式下，采取不同的控制策略进行控制。

2.1 电压补偿模式控制原理

微电网既可作为分布式电源并网，也可作为负荷接入主电网。当微电网电能充足时，通过公共连接点，将富余的电能输送到大电网；当微电网电能缺失时，通过公共连接点，从大电网汲取电能。由此带来的公共连接点功率波动会造成并网点电压波动，降低微电网的电能质量。以微电网算例计算，当微电网与配电网的功率交换在-200～200 kW之间转换时，PCC并网点电压在 421～372.5 V之间变化，变化率高达12.8%，仿真波形如图2所示，波动范围较大，影响供电质量。

图2 微电网电压波动曲线Fig.2 Voltage fluctuation curve of micro-grid

通过本文所述新型APF可实现PCC点电压波动补偿，此时APF采用电压补偿模式。该补偿方式控制原理如图3所示，利用锁相环控制回路提取接入点电压有效值Ud，Ud与接入点电压给定值Ud_ref比较后经PI调节器输出为id_ref。iq_ref与APF直流侧控制环给定值id_ref通过Park反变换，得到内环电流控制的给定电流id_ref，通过内环电流控制生成指令电流i，从而完成对APF控制。可见，该控制方法能够实现对补偿点的电压量进行补偿，实现将补偿点电压锁定为设定值。

图3 电压补偿模式控制框图Fig.3 Voltage compensation mode control block diagram

2.2 电流补偿模式控制原理

微电网一般容量较小，对负荷扰动更加敏感。当微电网接入变频电机等大容量谐波源负荷时，微电网系统受到谐波电流冲击，造成系统电压畸变，电能质量降低。为保证微电网中众多精密设备的安全运行，微网中广泛配置了继电保护装置，倘若系统畸变电流未能得到有效补偿，会造成电压畸变严重，引起大量继电保护装置动作，造成设备退出工作。微电网电压保护波形如图4所示。由图可见，此时，系统中谐波电流或冲击电流更能直观反映出微电网所需补偿量。因此，APF采用电流补偿模式，能够更直接地补偿畸变量，保障微电网的安全稳定运行。

图4 微电网电压保护波形Fig.4 Voltage protection curve of micro-grid

以补偿5次谐波分量为例，其电流补偿模式控制原理如图5所示。当补偿5次谐波电流时，对采样点的系统电流i_s进行提取5次分量的Park变换，将d轴和q轴输出分别经过低通滤波器后与零值进行比较，经过PI调节器及Park反变换后输出谐波电流补偿值ik_ref，与APF直流侧控制环补偿值idc_ref相加后作为电流内环的给定值，通过内环电流控制生成指令电流i，从而完成对APF控制。该方法将控制算法由对电网开环改进为对电网闭环，从而提高了APF的补偿精度及响应速度。当需补偿其他次谐波电流时，对谐波电流给定值进行累加即可取得较理想的补偿效果。

2.3 APF直流侧控制原理

除了控制回路，补偿电流发生电路也是APF重要环节。为保证APF具有理想的补偿电流跟随性能，必须将补偿电流发生电路直流侧电容电压值控制为一适当值，且该电压稳定与否直接影响到APF补偿精度与响应速度。

为了便于PI调节器参数计算及控制环节相应速度，本文提出了采用直流侧电压幅值平方为控制量的控制方法。分别对APF交流及直流侧功率流动进行分析，APF交流侧功率可表示为

图5 电流补偿模式控制框图Fig.5 Current compensation mode control blocle diagram

式中：Pac为 APF交流侧瞬时功率；Ud、Uq分别为交流侧电压经Park变换后d轴分量与q轴分量；id、iq分别为交流侧电流经Park变换后d轴分量与q轴分量。

APF直流侧功率可表示为

式中：Pdc为APF直流侧瞬时功率；Udc为直流侧电容电压值；C为直流侧电容器电容值；R为直流侧电容器损耗等效电阻值。

由功率平衡可知

根据式（3），可将系统中的U2dc作为变量来进行控制［6］。

3 基于RTW的仿真模型的建立与结果分析

根据上述控制原理，利用Matlab软件，建立新型APF仿真系统模型，如图6所示。其中，APF控制环节采用IQ16数据格式进行建模，主回路部分采用模拟数据格式进行建模。

图6 新型APF仿真模型Fig.6 Simulation model of new APF

设置仿真参数如下：仿真时间为2 s，采样时间为10-6s，微电网母线电压为380 V，APF直流侧电压为700 V，负荷为整流负载，R为20Ω，L为0.66 mH。

3.1 电压补偿模式控制策略仿真

采用上述电压补偿模式控制策略，以图1所示微电网结构为例进行仿真分析，通过对比投入APF前后公共连接点电压值，验证该控制方法效果。

仿真微电网为负荷状态、微网通过公共连接点从大电网汲取有功功率150 kW及无功功率50 kvar时，在0.67 s投入APF装置对系统电压进行补偿，仿真结果如图7所示。仿真结果显示，当微电网处于功率缺损状态，内部功率不足，虽然通过汲取大电网功率维持了系统的功率平衡，但微电网母线电压下降为365 V，与标准值380 V偏差较大；投入APF后，电压值得到有效补偿，该母线电压准确稳定于380 V。故该控制方法准确有效，能够保证APF实现理想的补偿效果。

仿真微电网为电源状态、微电网通过公共连接点向大电网输送有功功率150 kW及无功功率50 kvar时，在0.67 s投入APF装置对系统电压进行补偿，仿真结果如图8所示。仿真结果显示，当微电网处于功率富余状态时，内部功率充裕，微电网母线电压攀升为400 V，产生了20 V的电压偏差；投入APF后，电压值得到有效控制，该母线电压准确稳定于380 V，管理效果十分理想。

图7 消耗有功及无功功率时微电网母线电压波形Fig.7 Bus voltage of active and reactive power shortage

图8 发出有功及无功功率时微电网母线电压波形Fig.8 Bus voltage of active and reactive power excess

3.2 电流补偿模式控制策略仿真

微电网系统谐波主要以5次、7次、11次、13次等特征次谐波分量为主，以补偿5次、7次系统谐波为例，对采用电流补偿模式控制策略APF进行仿真分析，仿真波形如图9、图10所示。

图9 补偿前微电网电流波形及分析Fig.9 Current curves before compensation and FFT analysis

图10 APF补偿后微网电流波形及FFT分析Fig.10 Current curves after APF compensation and FFT analysis

由图可见，投入APF补偿前，系统电流含有较多谐波分量，畸变严重。对畸变电流的傅里叶分析显示，系统电流谐波含有量高达16.29%；投入APF对电流进行补偿后，系统电流基本为正弦波。傅里叶分析显示，系统电流谐波含有量降为5.67%，满足国标规定的电能质量标准；各次谐波FFT分析数据列于表1，数据显示采用电流补偿模式控制策略的APF补偿效果良好。

采用RTW工具箱，可将控制策略应用于实际微电网系统，在实际系统中进行验证分析。把建立的Simulink仿真模型在Simulation菜单中的Configuration Parameters中设置Solver选项和Real-time Workshop选项参数，执行编译［7-10］。 使用RTW 将Simulink模型转换为可执行的C语言代码，此代码直可接下载到目标机，在实际系统中运行，从而将仿真控制系统与实际系统融为一体，实现半实物实时仿真。

表1 APF补偿前后系统电流谐波FFT分析数据Tab.1 FFT analysis of current harmonics in the system before and after APF compensation %

运用上述可执行的C语言代码，在实际微电网中投入新型APF进行补偿对比实验，系统实测电流波形如图11、图12所示。对比图11、图12可以看出，新型APF较好地补偿了微电网中的谐波电流；结合图9、图10，APF实际补偿效果与仿真波形基本一致。

图11 实际微网中补偿前电流波形Fig.11 Actual current curves before compensation

图12 实际微网中APF补偿后电流波形Fig.12 Actual current curves after APF compensation

4 结语

本文针对微电网中的电能质量问题，提出利用新型APF进行电能质量控制的方法。该方法采用电压补偿模式控制策略、电流补偿模式控制策略及新型直流侧稳压控制策略，能够实现APF准确输出补偿量，且具备响应速度快的特点。在Matlab＼Simulink仿真环境下，搭建微电网及APF仿真模型，仿真新型APF在微网中的应用；在仿真基础上，通过使用实时代码生成工具RTW，将仿真参数生成可执行的C语言代码，并将该代码应用于实际微电网系统中的目标机，实现控制策略在实际系统中的应用。通过上述仿真与试验数据证明，新型APF对微电网电压波动及系统谐波的补偿效果良好，在微电网中使用新型APF可以有效地抑制分布式电源、冲击负荷及非线性负载等对微电网电能质量的危害。

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