微电网的电能质量及改善方法研究

黎金英，艾欣，邓玉辉

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，北京102206)

0 引言

微电网是包括分布式电源(Distributed generation，DG)、储能装置、能量变换装置、负载、保护装置集中而成的小型电力系统［1］。很多因素导致微电网存电能质量问题［2，3］;微电源的运行特性及控制方法、微电源的接人点和容量、微电网运行方式和控制方法、一般采用的电力电子装置、储能设备和负载特性都会影响电能质量，从而导致微电网电能质量的检测、分析、评估、改善和主电网相比更是困难复杂。微电网的电能质量特殊性是由微电源、负载和微电网运行与控制方法共同决定的。其中，微电网电能质量控制有如下要求［4，5］:(1)无功电压控制;(2)频率稳定;(3)不平衡控制;(4)谐波抑制。目前，改善电能质量的微电网采用电力电子技术。电力电子技术在微电网中的应用，可以分成两种类型［6，7］:一种是根据柔性交流输电系统(Flexible alternative current transmission systems，FACTS)技术，如配网静止同步补偿器(Distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)、静止无功补偿器(Static var compensator，SVC)、有源滤波器(Active power filter，APF)、动态电压恢复器(Dynamic voltage restorer，DVR)、统一电能质量调节器(Unified power quality conditioner，UPQC)等装备在微电网中的应用;另一种是针对微电网内部的电源，主要是电力电子并网接口的控制升级与先进控制策略的设计及其应用。根据以上论述，本文提出一种APF 和SVC 联合补偿的方法、分析了联合系统的稳定性，对微电网进行电能质量的改善。通过Matlab/ Simulink 仿真结果证明了电能质量改善系统的有效性。

1 APF 与SVC 联合系统

在联合运行系统中，不仅要考虑有源滤波器与静止无功补偿器各自的运行性能，还要考虑两者联合运行时系统的稳定性。图1 为有源滤波器与静止无功补偿器构成的联合系统结构。其中，isa、isb、isc分别是A、B、C 相系统输入电流;iLa、iLb、iLc分别是A、B、C 相非线性负载电流;vdc为直流电容电压;N 为三相系统的中性点;N' 为电流侧电容的负极。

图1 电能质量联合系统结构图

图1 中，静止无功补偿器构成有多种形式，但基本元件是TCR 和TSC。静止无功补偿器基本构成，通过滤波器(Filter)的引入就是为了消除系统产生的谐波。晶闸管控制的电抗器将按照母线上无功功率的变化而变化。通过控制晶闸管的触发角α，控制电抗器的感性无功功率。晶闸管投切的电容器将按照负载感性无功功率的变化，通过反并联晶闸管来接入或者切除电容器。有源滤波器主电路采用PWM 电压型逆变器(Voltage source inverter，VSI)通过连接电感Lf和负载并联接入系统，逆变器开关器件一般采用自带驱动的IGBT 模块。根据以上分析，在微电网中应用有源滤波器和静止无功补偿器联合电能质量改善系统［8］。其中，有源滤波器装设在DG 出口进行滤波并进行小容量的无功电流补偿;静止无功补偿器装设在负载侧实现大容量无功功率的就地补偿。有源滤波器可以实现快速跟踪补偿，弥补静止无功补偿器对快速变化无功功率反应较慢的缺点。静止无功补偿器可以弥补有源滤波器补偿容量不足的缺点，两者互为补充。

2 APF 与SVC 联合补偿的方法

2.1 APF 的数学模型

按照图1 定义的电压、电流参考正方向，忽略线路电阻与电源侧的线路电感。根据基尔霍夫(Kirchhoff)电压定理，对于有源滤波器的交流侧电路，可以表示为［9］:

式中:ica、icb、icc分别为A、B、C 相补偿电流;vsa、vsb、vsc分别为A、B、C 相微电网电压;va、vb和vc为PWM 输出电压;R 为输出电感的等效电阻;L 为滤波电感。从式(1)可以看出，将静止abc 坐标系到dq 坐标的电流之间存在交叉耦合项，可以表示为:

在微电网系统的控制中，考虑d 轴和q 轴电流控制回路存在相互耦合项。为了使d 轴和q 轴电流控制回路在阶跃响应下也可以独立控制，并抵消电流控制回路耦合项的影响，采用状态反馈交叉解耦的方法。同时，采用传统的PI 控制器调节减小电流跟踪误差。可以得到d 轴和q 轴解耦电流，电流的控制器输出应当消除输出电感的影响［10］，可以表示为:

式中:ω 为母线电压的角频率，由式(2)和式(3)，可得式(4)。

因此，通过控制vd和vq可以独立控制id和iq。图2 所示为电流交叉解耦项的PI 控制器结构。图2 中，虚线右边为控制对象，左边为控制器结构。其中，KIP，KII 分别为电流控制中PI 控制的比例参数和积分参数;分别为在d 和q 坐标系下计算所得谐波指令;vsd，vsq分别为系统电压在d 和q 坐标系下的值。

图2 电流环控制的结构框图

2.2 基于瞬时无功理论的谐波检测算法

以三相电路瞬时无功功率理论为基础，并以计算p-q 或者ip-iq为出发点［11］，可得出三相电路谐波与无功电流检测的两种方法，分别称之为p-q方法和ip-iq方法。本文采用为谐波检测方法(ipiq方法)，原理如图3 所示。

图3 ip-iq 检测法的原理图

假设三相负载电流为:

式中:n=3k±1;k 为整数，当k=0 时，n=3 k±1 只取+号，即只取n=1;各次电流的有效值和初相角分别为In、φn。如图3 所示为基于检测负载谐波分量的ip-iq检测方法。其中，iα、iβ分别是三相负载电流iLa、iLb和iLc经过3-2 变换后的电流;分别是iα、iβ的基波电流;和分别是i、i和i;C为3-2 变换的变换矩阵;LaLbLc32C23为2-3 变换的变换矩阵;C32和C23互为逆矩阵。图3 中，通过矩阵将电流从abc 静止坐标系变换到旋转的dq 坐标系，得到瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq，可以表示为:

式中:当n=1，7，13，时取上符号;当n=5，11，17，时取下符号。C32、C23和C 的表达式分别为:

式中:sinωt 和cosωt 都是通过锁相环(Phaselocked loop ，PLL)得到的与电源电压ea同相的信号。和经低通滤波器(Low pass filter，LPF)得到基波电流有功分量与基波电流无功分量和，可以表示为:

根据以上分析，可见ip-iq运算方式可以准确地计算出iaf、ibf和icf，从而计算出三相谐波分量和，可以表示为:

2.3 SVC 的控制策略

在静止无功补偿器中，负载正序无功功率和不平衡分量检测可以采用瞬时无功功率理论方法。本文采用对称分量法计算［12］，是分析电力系统三相不平衡的有效方法。为了除去微电网电压不平衡和畸变的影响，首先根据三相电路瞬时无功功率理论，可得到微电网电压转换到pq 坐标系下vp和vq。可利用LPF 去除负序分量和谐波分量，再经过坐标反变换得出和分别为正序电压。然后从abc 静止坐标系变换到αβ 坐标系，得到被测电流和微电网正序电压，经过组合相乘后，再经低通滤波器，可得到基波量信息分别为。其中，为基波负序分量实部;为基波负序分量虚部;为基波正序分量虚部(无功部分)。根据正序电压进行PQ-B 运算［13］，可以得到电纳值(符号B)，如图4 所示。

图4 SVC 控制系统框图

图4 中，PQ-B 算式如式(11)和式(12)所示:

根据对称分量法计算，可得出的电纳值分别为Bab、Bbc和Bca;可得出晶闸管控制电抗器所要产生的等效电纳。由于晶闸管控制电抗器的导通角θ 和晶闸管控制电抗器等效电纳之间的非线性关系，所以，可利用查表法进行线性化变换，同时，保证控制系统的线性特性不变，可以表示为:

其中，由于晶闸管控制电抗器的导通角θ 可得到触发角α:

式中:φ 为晶闸管控制电抗器该相线电压超前于相电压ea的相角;XL为晶闸管串联的电抗的感抗值。另外，晶闸管控制电抗器从系统吸收的无功功率［14］，可以表示为:

当晶闸管控制电抗器的导通角θ=π 时，晶闸管控制电抗器进入极限工作状态，可得到无功功率最大值，此时晶闸管控制电抗器表现纯电感特性，吸收无功功率将随微电网电压的升高而增大，这一点使得静止无功补偿器在抑制微电网电压的升高。针对晶闸管投切电容器，每级向系统输出的无功功率，可以表示为:

晶闸管投切电容器向系统输出的总无功功率，当电容器组全部投运时，晶闸管投切电容器将表现纯电容的特性，输入系统侧无功功率随微电网电压的降低而减少。从式(15)和式(16)可以得出，静止无功补偿器注入微电网系统的总无功功率，可以表示为:

由式(17)可以看出，当晶闸管控制电抗器的导通角为θ=0 或者π，可得到静止无功补偿器注入微电网系统侧无功功率值超出额定运行范围。因此，装置注入微电网系统侧无功功率将直接决定于微电网系统侧电压，将随微电网系统侧电压的降低减小。

3 APF 与SVC 联合系统运行的控制

图5 为APF 与SVC 联合运行系统控制框图。

图5 联合运行系统控制框图

有源滤波器对静止无功补偿器的影响主要是有源滤波器电流检测中的滤波器特性决定。当有源滤波器采用的ip-iq方法来检测谐波电流时，在静止坐标系中相当于中心频率为50 Hz 的带通滤波器，而静止无功补偿器要需对50 Hz 的基波无功功率运行控制，因此静止无功补偿器与有源滤波器之间的耦合就比较严重。为了减少有源滤波器对静止无功补偿器的影响，就需要对有源滤波器这一等效带通滤波器进行改善。通过理论分析，考虑采用的检测方法是只检测特定次谐波电流，这样有源滤波器就相当于以各次谐波是中心的多频带陷波器［15］，其中心频率距离50 Hz 比较远，所以对50 Hz 基波的动态特性基本上没有影响，这样便能消除了有源滤波器对静止无功补偿器的影响，系统也就能稳定运行。

4 仿真结果与分析

为了验证有源滤波器和静止无功补偿器联合系统对改善电能质量的微电网，利用Matlab/ Simulink 搭建系统仿真模型，仿真模型如图6 所示。系统的主电路参数为:电源线电压Vg=380 V，电网频率fg=50 Hz，直流电压vdc=650 V，滤波电感L1=L2=1．8 mH，滤波电容C=25 μF，开关频率3 kHz;非线性负载为三相不可控整流桥带纯阻性负载，R=8 Ω，整流桥进线电感L=2 mH。控制参数为:电压外环PI 控制器的比例和积分系数分别为0．01 和1，电流内环为KIP=1，KII=5。

图6 系统仿真模型

微电网有两种基本的运行方式包括孤岛运行和并网运行:(1)当微电网在孤岛运行时，微电网输出的电流、电压和无功功率如图7～9 所示。

通过图7～9 中的仿真结果可以得出，在t=0．1 s 之前(补偿前)，有源滤波器与静止无功补偿器联合系统还没有运行，系统电压基本满足要求。但电流波形发生畸变，此时，微电网输出的无功功率为8 kVar。在t=0．1 s 之后(补偿后)，将电能质量改善系统添加到微电网，电流稳定性和电能质量得到提高。同时，微电网输出的无功功率为24 kVar。此外，非线性负载对电流所产生的电流总谐波畸变率也满足＜5%的条件，如图10 所示。

图7 微电网输出电流波形

图8 微电网输出电压波形

图9 微电网输出无功功率

图10 补偿后电网电流频谱特性

(2)当微电网在并网运行时，微电网输出的电流、电压和无功功率如图11～13 所示。

图11 微电网输出电流波形

图12 微电网输出电压波形

图13 微电网输出无功功率

通过图11～13 中的仿真结果可以得出，在t=0．02 s 之前，将微电网和主电网进行并网，微电网还没有输出功率;在t=0．02 s 之后，微电网输出的无功功率为15 kVar。频率响应如图14 所示。包括电网频率fg、补偿前微电网频率f1和补偿后微电网频率f2。在0．02 s 到0．1 s 之间(补偿前)，由于主电网的影响，所组成系统的电流发生畸变。同时，微电网输出的频率偏差，根据IEEE1547 标准对于容量为0～500 kVA 的分布式电源，并网时允许频率偏差为0．3 Hz，电能质量到达标准。在t=0．1 s 之后，微电网输出的无功功率为45 kVar。因此，电能质量改善系统后，微电网的频率和主电网的频率为50 Hz，微电网的电压和主电网的电压为380 V，系统电流畸变程度降低，电能质量提高。

图14 频率响应

5 结论

本文对微电网存在的电能质量问题进行了分析，提出了一种基于有源滤波器和静止无功补偿器联合运行的控制方法，能同时进行无功功率补偿和谐波治理。通过分析联合系统的稳定性，有源滤波器采用接在分布式电源侧，实现谐波滤除功能。最后，深入分析了有源滤波器和静止无功补偿器的控制策略，利用Matlab/ Simulink 仿真，结果表明电能质量改善后的微电网系统电压保持稳定，电流畸变大大降低，电能质量提高。证明系统具有优越的无功功率补偿性能和谐波抑制性能，并且运行可靠，满足微电网对电能质量调节装置实时性的要求。

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