微网电能质量综合治理方法

魏承志，郭成，涂春鸣，陈晶，覃日升

(1.南方电网科学研究院，广州 510080；2.云南电力科学研究院，昆明 650217；3.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)

微网电能质量综合治理方法

魏承志1，郭成2，涂春鸣3，陈晶2，覃日升2

(1.南方电网科学研究院，广州 510080；2.云南电力科学研究院，昆明 650217；3.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)

针对微网电能质量问题的复杂性和多样性，提出了基于目标配置的多目标广义比例积分误差校正控制方法的微网SVG电能质量综合控制装置，实现了最优补偿目标确定和最佳容量分配，解决了传统PI控制方法对变化的交流信号跟踪效果欠佳的问题。仿真分析和实验结果表明，所提方法实现了电能质量综合控制装置对微网电能质量问题的多目标复合控制，有效解决微源和各种新型负荷带给微网的多种能质量问题。

微网；电能质量；综合控制装置；多目标配置，广义比例积分控制

0 前言

微网是一个非线性的复杂系统，微源受制于自然条件，具有间歇性、不确定性特点，容易引起微网无功不足、电压波动、三相不平衡、谐波含量超标等电能质量问题。在确保微网正常运行的同时，如何保证微网的电能质量满足要求，是研究微网技术的关键问题之一[1-4]。

对于微网电能质量治理问题，文献 [5]提出在微网接入有源电能质量调节器，改善微网电能质量，该策略实现微源逆变器的复用，不但实现微源并网，而且有效治理微网电能质量问题，但其存在变流器控制策略复杂、对微源逆变设备要求高等不足，实现较难。文献 [6]提出采用有源滤波器和静止无功补偿装置联合运行的方式来提高孤立运行的微网电能质量，这种方案存在设备投资成本高，运行复杂等问题。文献 [7]介绍了一种综合型电能质量调节方案。通过调节器串联部分抑制电压质量问题，利用调节器的并联侧消除谐波电流问题。该方案电能质量治理设备的控制较为复杂，也不易实现。

静止无功发生器 (static var generator，SVG)主要用于系统的动态无功补偿、电压支撑方面[8]；有源电力滤波器 (active power filter，APF)主要用于电网谐波抑制和不平衡治理等方面[9]。由于SVG与APF的拓扑结构是相同的，将有源滤波器与静止无功发生器的功能结合起来，组成电能质量多目标复合控制装置，实现对多种电能质量问题的综合治理。

本文将电能质量多目标复合控制装置引入微网系统，实现一套装置综合解决微网运行产生的所有电能质量问题，有效降低电网损耗、提高电能利用率，有助于微网吸纳更多的新能源。

1 多目标控制方案

文中采用的电能质量综合控制装置的拓扑结构如图1所示，该装置采用三相四线制拓扑结构，通过控制注入电网的电流，实现对电能质量问题的治理。电能质量控制器在进行多目标控制时，传统的方法是对包括无功、谐波和不平衡电流补偿信号进行简单叠加形成总参考信号，并采用传统PI控制方法进行参考电流跟踪控制方法，如图2a)所示。将电能质量综合控制装置输出的三相电流信号，与三相多补偿目标的电流参考信号，经PI比较后形成PWM调制波信号，驱动装置主电路，仿真结果如图2b)所示。从仿真过程来看，由于电能质量综合控制装置控制目标繁多，控制策略复杂，补偿判据不清晰，容量分配不合理等原因，电能质量综合控制装置难以针对系统中存在的最突出的电能质量问题进行重点治理；同时当参考补偿容量超过电能质量综合控制装置的实际补偿容量时，若对电能质量综合控制装置输出容量不加以控制，极有可能造成功率器件过流而导致烧坏的事故。因此电能质量综合控制装置在进行多目标复合控制时，首要解决的问题是如何根据当前的工况确定电能质量综合控制装置最优补偿目标和最佳容量分配问题。从仿真结果来看，由于参考电流信号是由无功电流参考信号、谐波电流参考信号和负序电流参考信号经加法运算后产生的，是周期性变化的参考信号，若采用传统PI控制策略，无法实现对参考电流的精确跟踪。传统PI控制方法只能对直流信号进行无差控制，对变化的交流信号却无能为力，因此必须寻求一种新的电流跟踪控制方法实现对交流信号的有效跟踪。

图1 电能质量综合控制装置的拓扑结构

图2 参考信号简单叠加的电能质量综合控制装置多目标复合控制方法

1.1 多目标复合控制整体方案

在需要进行多种电能质量综合治理的情况下，电能质量综合控制装置的容量往往不足以满足全方位补偿需求，必须在电能质量综合控制装置不过载的前提下根据实时补偿任务重点要求进行补偿容量的合理分配，即目标配置。

图3 基于目标配置的广义比例积分变结构控制策略

以下提出一种基于目标配置的广义比例积分变结构控制策略应用于微网多目标电能质量综合控制装置，其整体控制框图如图3所示。该控制策略包括目标配置规则、广义比例积分控制算法和变结构控制器三大部分。其中，目标配置规则是根据当前实时任务目标，计算电能质量综合控制装置的最优补偿信号。广义比例积分控制算法和变结构控制器共同完成将电能质量综合控制装置补偿电流指令信号转变为功率器件脉冲信号的任务，并通过闭环控制保障电能质量综合控制装置实际输出的补偿电流跟踪其指令信号。

1.2 目标配置规则

电能质量综合控制装置以实时电压偏差、实时功率因数、电流谐波、不平衡电流等指标作为补偿目标。电能质量综合控制器有两种补偿模式，电压补偿模式和综合补偿模式：补偿的优先级以电压支撑最高，综合补偿模式次之。当电网电压波动超过阈值时，电能质量综合控制器进入高优先级的电压补偿模式，用其全部容量有效抑制微网的电压波动，同时还可以联合微网中的储能装置协同抑制微网的电压波动问题[10]；复合补偿模式用来解决微网中存在的无功不足、谐波畸变、三相不平衡等问题，其优先级别较低，是正常运行情况下电能质量综合控制器所处的补偿模式，这三者之间的优先级以是否突破安全阈值来判断，在均为突破安全阈值的情况下以无功补偿优先级高于谐波补偿，谐波补偿高于不平衡补偿。

目标配置规则流程如图4所示，首先在保证直流侧电容电压稳定的前提下，确定电能质量综合控制装置安全容量约束，安全容量约束=装置设计容量-容量安全裕度-直流侧电容电压维稳容量。根据国家电能质量相关标准确定各项指标阈值。图4中的补偿系数，是指在上述电能质量综合控制装置安全容量约束的前提下，计算指令电流的补偿系数，若此时指令电流的幅值在安全容量约束之内，则补偿系数为1，并根据容量剩余情况，确定优先级低的补偿目标的容量。若指令电流幅值超过安全容量约束，也就是说电能质量综合控制装置不可能产生足够大的补偿电流，则补偿系数＜1，并等于电能质量综合控制装置等效最大补偿电流除以计算得出的指令电流。

电能质量综合控制装置在进行补偿时，首先判断微网电压偏差是否超过阈值，若超过阈值，则将无功、谐波和三相不平衡的补偿系数置为0，补偿器将全部容量用于抑制电网电压波动；若微网电压未超过阈值，则根据当前的工况确定补偿器的综合补偿目标，补偿的优先级顺序是：无功功率，谐波电流，不平衡电流。补偿目标根据图4确定：

1)功率因数不在0.9至0.99之间，此时表明系统的功率因数严重偏低或者是系统过补偿，将各次谐波的比例积分系数置零后进入具体控制算法，相当于系统将全部容量仅用于对无功的补偿；

2)功率因数在0.9至0.99之间，判断各次谐波电流是否超标，若超标，则选取超标的谐波，将无偿补偿和其余谐波补偿系数置零，全力补偿超标谐波电流；

3)若各次谐波均为超标，则判断负序和零序电流是否超标，若超标，则将无偿补偿和谐波补偿系数置零，全力补偿不平衡电流；

4)若无功功率、谐波电流和不平衡电流均未超标，则根据各个电能质量指标含量与各自标准的比值确定补偿系数，对各种电能质量问题进行综合治理，同时保证恶化程度最严重的电能质量指标得到优先治理。

图4 目标配置规则流程图

1.3 变结构控制策略

在确定好各电能质量指标的补偿系数后，即可进入变结构控制算法，实现对补偿电流的精确跟踪。变结构控制策略包括双位控制结构和广义比例积分控制结构，共同完成将电能质量综合控制装置补偿电流指令信号转变为功率器件脉冲信号的任务，并通过闭环控制保障电能质量综合控制装置实际输出的补偿电流跟踪其指令信号。其中，在电能质量综合控制装置实际输出电流偏差较大时，变结构控制器直接采用双位控制结构快速减小偏差；在偏差减小到一定范围后，双位控制难以实现周期性信号的无差跟踪，此时变结构控制器采用广义比例积分控制结构，实现对不同频率周期信号 (包括基波及主要特征谐波)的无差跟踪。变结构控制框图如图5所示，其控制率如下：

式中，边带e＞Δ，按照实际系统的要求 (谐波指标、电网谐波含量、电流跟踪速度、控制周期大小等)确定。这可以降低对控制周期的要求，降低控制器实现的难度和逆变器的开关频率(从而降低开关损耗)。

图5 变结构控制器

图6 仿真模型

2 综合补偿仿真研究

根据上述研究内容搭建如图6所示的仿真模型、对本项目所提的基于目标配置的微网多目标电能质量综合控制装置广义比例积分误差校正控制方法进行仿真研究。

仿真结果如下所示，控制器根据微网当前工况计算得出综合补偿参考信号，在0.3 s时刻，投入电能质量综合控制装置装置，对该补偿参考信号实现精确跟踪，如图7所示。由该仿真图形可以看出，通过0到0.04 s的预充电，电能质量综合控制装置直流侧电压得到稳定控制，对参考信号跟踪效果良好，发出能满足当前工况要求的补偿量。

图7 电能质量综合控制装置运行状态量仿真效果

观察图8可以看出电能质量综合控制装置对当前工况下的负荷实现精确的无功补偿，系统中的3、5、7次谐波得到有效抑制，零序和负序电流也得到相应的补偿，三相电流有效值趋于平衡，变压器中性线电流也变小，电网电流波形也趋近于正弦波，系统电能质量情况明显变好。

图8 电能质量综合控制装置综合补偿仿真结果图

为验证所提控制方法的准确性，在某微网投入电能质量综合控制装置，通过对电能质量综合控制装置投运前后该微网母线上的电能质量状况进行测试对比，反应电能质量综合控制装置投运后对微网电能质量情况的改善作用，装置在微网实际安装位置如图9所示。

电能质量综合控制装置设备设置完成后，启动设备，实验结果如表4.1和图10所示。

实验结果表明，电能质量综合控制装置很好地改善了微网供电系统的电能质量情况。

3 结束语

针对如何确定电能质量综合控制装置最优补偿目标和最佳容量分配方法及传统PI控制方法对变化的交流信号跟踪效果不好的问题，本文提出了基于目标配置的微网多目标广义比例积分误差校正控制方法应用于电能质量综合控制装置。目标配置可以根据当前的工况条件计算得出适合的补偿参考信号；广义比例积分误差校正控制方法能有效跟踪变化的交流信号，解决传统比例积分控制方法对交流信号不能精确跟踪的弊病。仿真和实验结果表明，所提方法实现了电能质量综合控制装置对微网电能质量问题的多目标复合控制，有效解决微源和各种新型负荷带给微网的多种能质量问题，实现一套装置解决微网多种电能质量问题的目的。

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Research on Comprehensive Power Quality Management and Engineering Application in Micro-grid

WEI Chengzhi1，GUO Cheng2，TU Chunming3，CHEN Jing2，QIN Risheng2
(1.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

Aim at the complexity and diversity of power quality in the micro-grid，the generalized proportional-integral controller based on multi-goal optimization is proposed in this paper，which is applied to the comprehensive control device of power quality to realize the optimal compensation aim and the optimal allocation of compensation capacity.The problem that traditional PI control method is unable to track the ac reference signal is solved as well.The simulation model based on PSCAD and physical test platform are put up to demonstrate the effectiveness of the proposed methods.The simulation and physical results show that the all the issue of the micro-grid power qualities are managed by the comprehensive control device of power quality with the proposed methods.The purpose of all the issue of the micro-grid power qualities are managed by a device only.

micro-grid；power quality；comprehensive control device；multi-goal optimization；generalized Proportionintegral control；

TM76

B

1006-7345(2015)03-0060-05

2014-10-20

魏承志 (1984)，男，硕士，工程师，南方电网科学研究院，从事柔性直流输电及电能质量研究工作 (e-mail)dazhi32＠163.com。

郭成 (1978)，男，博士，高级工程师，云南电网有限责任公司电力科学研究院，主要从事电能质量分析与控制，电力系统分析研究工作。

涂春鸣 (1976)，男，博士，博士生导师，湖南大学，主要研究方向为电力电子技术、谐波抑制及无功功率补偿。