储能系统在微电网谐波抑制中的应用

冯 尧，苑 舜,2，董鹤楠,，张佳斌

(1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.国家能源局，北京 100824；3. 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

专论

储能系统在微电网谐波抑制中的应用

冯 尧1，苑 舜1,2，董鹤楠1,3，张佳斌3

(1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2.国家能源局，北京 100824；3. 国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

微电网中大量电力电子器件的使用以及非线性负荷的投切等，使微电网中存在着大量的谐波问题。为了减少专门滤波设备的投入，利用微电网储能系统和有源滤波器拓扑结构相似的特点，提出了关于微电网在并网状态下储能系统的一种综合控制策略。文中先介绍了储能系统的运行特点以及滤波原理。然后，结合功率调节和谐波抑制原理给出了储能系统的综合控制指令框图。最后，在Matlab/Simulink平台对该储能系统的综合控制策 略进行了建模仿真分析。结果表明，运用该控制策略，储能系统不但可以调节微电网的功率，维持系统频率，而且能抑制微电网的谐波，提高系统电能质量。

微电网；储能系统；综合控制；谐波抑制；SOC

近年来，微电网作为大电网的有力补充，在电力系统中扮演着越来越重要的角色[1-3]。但同时也伴随着电能质量的问题。微电网的并网、电力电子器件的大量使用、非线性负荷的投切等不可避免地给电网带来了大量谐波，使微电网的电能质量受到严重污染。谐波会造成微电网并网失败，引发串并联谐振，干扰通信信号等问题。

针对微电网的谐波抑制问题，目前提出的抑制方法大体上分为两个方面：①从电路上，基于谐波抑制的原理，补偿或者吸收微电网中的各次谐波，主要是装设各类滤波装置，例如LCL无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器等；②对于逆变器的控制，通过改进传统下垂控制的方法来抑制微电网的谐波，例如虚拟阻抗法、下垂控制器法等。

在微电网中运用各类滤波装置来抑制谐波的方法已比较成熟，效果也很明显。但是，无源滤波器只能滤除特定次数的谐波，有源滤波器的容量越大，价格也越高。而在电网中投入新的装置设备，也会增加额外的经济成本。因此，本文提出利用微电网的储能系统，在维持系统功率平衡、调节频率的同时，抑制负荷侧非线性负荷注入的谐波电流，减少额外滤波装置的投入[4]。

微电网存在孤岛和并网两种典型的稳态运行状态。孤岛运行时，电压和频率一般由微网内部的储能系统来维持，V/f(电压/频率)控制，保证系统的稳定运行。而并网运行时，由大电网提供电压和频率支撑，微电网只需关注能量和功率的交换[5]。因此本文仅对并网状态下储能系统参与谐波抑制进行研究。

1 储能系统的运行及滤波控制原理

1.1 储能系统的运行

图1为简单的并网状态下微电网结构图，由分布式电源、储能系统和负载组成。储能装置通过逆变器与微电网连接，通过调节变流器调节储能系统的电压幅值和相角来实现储能系统与微网之间功率交换[6]。

图1 微电网结构图

1.2 滤波控制原理

储能系统的主电路结构与有源滤波器相似，都包括直流侧电压、逆变器等，都是通过逆变器将直流电转化为三相交流电输送给微电网。区别仅仅在于储能系统的直流侧为直流电源，而有源滤波器的直流侧为电容器。因此，可以借鉴有源滤波器的滤波原理，利用储能系统的剩余容量,通过逆变器输出与谐波电流大小相等，方向相反的量来补偿微电网中非线性负荷注入的谐波电流，提高电能质量。用公式描述为

(1)

式中：ico为补偿电流；iLf为负荷电流基波分量；iLh为负荷电流谐波分量[7]。

2 储能系统的结构

图2为储能系统参与滤波的总体框图。电网中接有非线性负荷，向电网中注入了谐波电流。储能单元通过逆变器与负荷并联接入电网，输出有功功率和无功功率平抑电网的功率波动，并补偿负荷侧输出的谐波电流。Us为电网电压，UL与iL分别为负荷侧的电压和电流，ic是储能系统注入电网的谐波补偿电流，L2为逆变器的滤波电感，滤除ic中含有的高频开关谐波分量。

系统检测电网的电压电流，并输入到功率计算模块和谐波计算模块。将得到的信号与参考信号比较，得到三相电流参考信号，利用脉冲宽度调制对逆变器进行控制。

图2 储能系统的总体框图

3 储能系统的综合控制策略

当电网出现功率变化引起频率波动时，一般由微电源根据有功-频率(P-f)特性曲线输出适当的有功功率。但每个电源都有允许输出的功率极限，当需要电源输出的功率大于极限功率时，就需要储能系统参与调节，维持微电网的功率平衡。图3为储能系统功率控制指令形成框图。

图3 功率控制指令框图

图中，ULa，ULb，ULc为储能装置逆变器并联接入点的三相负荷电压，ω为接入点角频率。Cdq为Park变换矩阵，即：

(2)

式中：Preq和Qreq分别为电网实际需要得到的功率；Pmax和Qmax为允许微电源输出的最大有功功率和无功功率，经过式(3)计算可得到需要储能输出的有功和无功功率，从而得到输出功率的电流参考值idr和iqr，再经过Park逆变换得到abc坐标系下逆变器输出相应的电流指令信号iar,ibr和icr。

(3)

同时，由于非线性负荷的投入，电网中存在谐波电流，通过储能系统进行谐波抑制。其储能抑制谐波的指令形成框图如图4所示。

图4 储能抑制谐波指令框图

图4中，iLa，iLb，iLc为负荷侧的三相电流，其中含有大量谐波分量。通过Park变换，将三相负荷电流中的基波分量由abc坐标系下的交流量变换到dq0旋转坐标系下从而呈现直流状态。LPF为低通滤波器。PLL为锁相环，产生与电网电压基波同相位的正余弦信号，同时消除电网畸变电压对检测结果的影响。ica，icb，icc即为谐波电流的补偿指令信号。

(4)

将两种信号指令综合，即得到微电网储能系统的综合控制信号框图，如图5所示。

图5 储能系统综合控制信号框图

值得注意的是，没有考虑储能装置自身的运行特性和约束条件，比如电池的荷电状态SOC(state of charge)，实际运行中，储能系统可能发生功率输出超限的现象。一方面可能会影响储能装置功率调节和谐波抑制的效果，另一方面也会影响储能装置的使用寿命[8]。所以，需要通过判断储能装置的剩余电量，去判断储能系统能否同时承担系统频率调节和抑制谐波的任务。数值上，SOC可定义为电池剩余容量与同条件下总容量的比值。

(5)

式中：Qc为电池剩余容量；CI表示电池以恒定电流放电拥有的容量[9]。

一般以SOC为1表示电池已充满，SOC为0说明电池处于全放电状态。可运用电量累积法对SOC进行估算，通过累计电池在充电或放电时的电量来估算电池SOC，并根据电池的温度和放电率对SOC进行补偿[10]。

(6)

式中：SOC0为初始荷电状态；CI为电池额定容量；I为充放电电流；η为充放电效率。

4 综合控制策略的Matlab仿真分析

利用Matlab/Simulink对微电网中综合控制策略下的储能系统进行仿真，仿真系统电路如图2所示。孤岛运行时，光伏、风能等微电源由于自身发电量不稳定，所以一般采用PQ控制，从而最大限度地提高能源利用率。而对储能系统采用V/f控制，维持系统的电压和频率。因此微电网在孤岛运行时不采用储能装置进行滤波，只在微电网并网运行的背景下进行仿真分析。表1为仿真参数的设定。

表1 仿真参数设定

仿真过程中控制储能装置在1 s时投入运行。系统电压、电流变化波形如图6所示。

图6 电压电流波形补偿前后仿真图

从图6可以看出，1 s前系统电流波形畸变严重，电压也存在一定程度畸变。在1 s时控制储能装置投入工作。参与滤波后，能够很快跟踪电流变化，补偿谐波电流。电流在1.02 s后已基本变为正弦波，说明储能装置谐波抑制效果很好。

图7为谐波电流补偿前后的频谱分析，从图中可以看出：补偿前，电网电流的谐波总畸变率THD(total harmonic distortion)值为26.3%，畸变程度比较大。由储能装置参与补偿后，电流THD值降到1.98%，电流质量得到了明显改善。

图7 谐波电流补偿前后频谱分析

图8为储能系统参与调节前后系统频率变化。

从图8可以看出，调节前由于系统功率不平衡导致微电网的频率跌落。控制储能系统在1 s时参与功率调节，从而将微电网的频率稳定在50.02 Hz左右。由仿真验证得到，储能系统在调节微电网频率，维持电网功率平衡的同时，也很好抑制了非线性负荷注入电网的谐波电流，提高了电网的电能质量。

图8 系统频率变化图

5 结束语

本文提出了可以利用储能系统参与微电网谐波治理的思路，并给出了储能系统的一种综合控制策略。文中从储能装置的并网逆变器和有源滤波器拓扑结构相似出发，应用调频和滤波原理，将2个控制策略进行结合，并通过Matlab/Simulink进行建模仿真分析。仿真结果表明，在该综合控制策略下，储能系统既能维持电网的功率平衡，保证系统频率稳定，同时可以有效地抑制非线性负荷注入的谐波电流，提高电网的电能质量。

另外，本文提出应该对储能的荷电状态进行计算来判断实际中储能系统能否同时承担调节频率和抑制谐波两项任务，为进一步研究提供一定参考。

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Application on Microgrid Harmonic Suppression in Energy Storage System

FENG Yao1，YUAN Shun1,2，DONG Henan1,3，ZHANG Jiabin3

(1.School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China;2.National Energy Administration，Beijing 100824，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

Due to a large number of power electronics technology and switching of nonlinear loads, microgrid harmonic problem is getting worse. In order to reduce the cost of specialized filtering equipment, a comprehensive control strategy of microgrid energy storage system is proposed by the characterstic for similarity topological structure of energy storage system and APF. The operating characteristics of the energy storage system and the principle of filter are introduced. Comprehensive control chart of energy storage system by way of power regulating and harmonic suppression principle is presented, this system is modeled and simulated by using Matlab/Simulink. Simulation results show that the energy storage system not only keep power balance, but also compensate harmonic currents and improve electric energy quality.

microgrid; energy storage system;comprehensive control;harmonic suppression; SOC

TM935

A

1004-7913(2017)02-0001-04

2016-12-01)

冯 尧 (1989)，男，硕士在读，研究方向为微电网电能质量。