采用APF和SVC改善微網(wǎng)電能質(zhì)量

吳艷娟

(天津理工大學自動化學院， 天津 300384)

采用APF和SVC改善微網(wǎng)電能質(zhì)量

吳艷娟

(天津理工大學自動化學院， 天津 300384)

采用有源濾波器和靜止無功補償裝置聯(lián)合運行的方式來提高孤立運行的微網(wǎng)電能質(zhì)量，其中有源濾波器接在分布式電源逆變器出口側(cè)，濾除諧波電流，其電流檢測采用ip-iq法，跟蹤控制采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調(diào)制的方法；靜止無功補償裝置，由晶閘管控制的電抗器和晶閘管投切的電容器組成，安裝在微網(wǎng)負荷側(cè)，隨負荷需求供給無功，維持負荷側(cè)電壓穩(wěn)定，減小系統(tǒng)網(wǎng)損，并提高電能質(zhì)量。經(jīng)實驗證明了該聯(lián)合系統(tǒng)對提高微網(wǎng)電能質(zhì)量是有效的。

微網(wǎng)； 電能質(zhì)量； 有源電力濾波器； 靜止無功補償裝置； 分布式電源

在能源需求與環(huán)境保護的雙重壓力下，既清潔又可再生的分布式發(fā)電技術(shù)獲得了極大的發(fā)展；與此同時，分布式電源DG(distributed generation)的接入也帶來了不小的負面影響，它發(fā)電的間斷性，增加了配電網(wǎng)潮流的不確定性，影響電壓的穩(wěn)定性，同時產(chǎn)生諧波等[1～3]?，F(xiàn)在分布式發(fā)電供能系統(tǒng)多以微網(wǎng)方式接入電網(wǎng)并網(wǎng)或孤立運行。它是從系統(tǒng)角度將分布式發(fā)電單元與負載組成單一的可控單元，是集成多個DG和負荷的獨立系統(tǒng)。微網(wǎng)在一定程度上克服了分布式電源的缺陷。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，微網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)和運行特點，以及包含其中的眾多儲能設(shè)備、檢測控制設(shè)備都使微網(wǎng)電能質(zhì)量問題有了許多新的特點[4～6]。本文采用有源電力濾波器APF(active power filter)和靜止無功補償裝置SVC(static var compensator)聯(lián)合補償?shù)姆绞?，對微網(wǎng)進行電能質(zhì)量的改善。另外本文假設(shè)微網(wǎng)在孤島模式下也能夠提供負載所需的有功功率，所以微網(wǎng)頻率始終可以保持穩(wěn)定。通過在天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室微網(wǎng)實驗室實驗結(jié)果證明了電能質(zhì)量改善系統(tǒng)的有效性。

1 APF的檢測和控制

1.1APF的工作原理

APF按接入電網(wǎng)的方式，分串聯(lián)型、并聯(lián)型、串-并聯(lián)型三種結(jié)構(gòu)[7，8]，本文采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，并聯(lián)型APF投切靈活，各種保護也相應(yīng)簡單，技術(shù)上比較成熟。并聯(lián)型APF的工作原理為：通過產(chǎn)生與檢測電流中的諧波和無功分量大小相等、相位互差180°的補償電流注入電網(wǎng), 使網(wǎng)側(cè)電流成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波,從而達到凈化電網(wǎng)的目的[9，10]。因此并聯(lián)型APF技術(shù)的關(guān)鍵在于補償電流的檢測和補償電流跟蹤控制兩個環(huán)節(jié)。其工作原理圖如圖1所示。

圖1 APF原理

1.2APF的 檢測方法

目前最常用的諧波檢測技術(shù)都是基于三相電路瞬時無功功率理論[11]，主要的檢測方法有兩種p-q法和ip-iq法。由于電網(wǎng)電壓含有畸變和不對稱分量時，p-q法得到的有功電流將是與電壓具有相同頻率、相位和波形的畸變波形，而ip-iq法中電網(wǎng)電壓不對稱造成的正弦信號相位偏差對不對稱分量對諧波的補償沒有影響。本文采用后者作為諧波檢測方法。具體原理如圖2所示。

圖2 ip-iq電流檢測法

電流諧波檢測系統(tǒng)首先利用PLL(phase locked loop)鎖相環(huán)節(jié)獲得與電網(wǎng)a相電壓同頻同相位的正弦信號sinωt和對應(yīng)的余弦信號cosωt，通過矩陣將電流從abc靜止坐標系變換到dq0旋轉(zhuǎn)坐標系，IpIq經(jīng)過低通濾波器LPF后獲基波對應(yīng)的ipiq，經(jīng)過反變換最終獲得基波電流ifabc，諧波電流值可通過含諧波的電流與基波電流差值得到。

1.3APF的電流跟蹤控制方法

APF在獲得指令電流信號后，產(chǎn)生的實際補償電流應(yīng)能實時跟蹤指令電流的變化，這就要求APF的控制方法有很好的實時性。基于并聯(lián)型APF的電流控制方法比較多，本文采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM(space vector pulse width modulation)結(jié)合的方法。

無差拍控制是數(shù)字系統(tǒng)特有的一種控制方式，容易數(shù)字化，性能較傳統(tǒng)方法有很大的提高，效果是在每一個采樣點上系統(tǒng)的輸出都與其指令完全一致，沒有任何相位滯后和幅值偏差。數(shù)字系統(tǒng)能實現(xiàn)無差拍控制是因為系統(tǒng)下一拍的輸出量總是可以表示為當前時刻的輸入控制量與系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合[12]。例如，一個系統(tǒng)用方程描述為

(1)

式中：x為狀態(tài)量；u為輸入量；y為輸出量。

下一拍的輸出量可以表示為

y(k+1)=Cx(k+1)=CAx(k)+CBu(k)

(2)

令下一拍的指令為

r(k+1)=CAx(k)+CBu(k)

(3)

從而得

y(k)=r(k)，?k

(4)

以上表明，系統(tǒng)的輸出在每一拍都與指令相等，即達到無差拍的效果。

無差拍控制這個環(huán)節(jié)在功能上實現(xiàn)了把對電流諧波的跟蹤控制轉(zhuǎn)換為對電壓諧波的跟蹤控制，從而為后面的SVPWM提供了可供跟蹤的電壓參考量，原理框圖如圖3所示。

圖3 無差拍控制原理

SVPWM與傳統(tǒng)的調(diào)制方式相比，電流畸變率小，直流電壓利用率高，補償效果好，尤其是非常適合數(shù)字化和實時控制，其具體模型圖如圖4所示。

圖中各個子系統(tǒng)作用依次是：“N1”判斷電壓參考向量在六邊形(針對三相三線制線路)的哪個扇區(qū)；“XYZ”選定開關(guān)向量；“Subsystem”計算各個開關(guān)向量的作用時間；“Subsystem1”選定開關(guān)向量的作用順序；“produce PWM”發(fā)出觸發(fā)脈沖。

2 SVC的工作原理

SVC裝置一般并聯(lián)于電路中，可以快速連續(xù)的調(diào)節(jié)無功功率來維持線路電壓水平恒定，具有性價比高、技術(shù)成熟和可靠性高等優(yōu)良性能[13]。

SVC的構(gòu)成形式很多，但基本元件是晶閘管控制的電抗器TCR(thyristor controlled reactor)和晶閘管投切的電容器TSC(thyristor switched capacitor)。圖5為SVC基本構(gòu)成，濾波器的引入是為了消除系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。

圖5 SVC基本構(gòu)成

晶閘管控制電抗器(TCR型) 是根據(jù)母線上無功功率的變化, 控制晶閘管的觸發(fā)角a調(diào)節(jié)電抗器的感性無功。晶閘管投切電容器(TSC型)是根據(jù)負荷感性無功功率的變化，通過反并聯(lián)晶閘管來投入或切除電容器。SVC將TCR和TSC共同配合，克服了之前單靠電容器投切的進行無功補償?shù)牟贿B續(xù)性，利用晶閘管作為固態(tài)開關(guān)來控制接入系統(tǒng)的電抗器和電容器的容量，使所需無功功率作隨機調(diào)整，從而維持系統(tǒng)或負荷側(cè)電壓的穩(wěn)定。

3 實驗算例

在天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室的微網(wǎng)實驗室做實驗結(jié)果如下。

(1)構(gòu)建的孤立運行模式下的微網(wǎng)系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 孤島模式下微網(wǎng)參數(shù)

在負荷無功需求為Q=100var時，故障錄波儀所得系統(tǒng)電壓(a相)和電流(a相)波形如圖6所示。由圖可知，系統(tǒng)電壓基本滿足要求，但電流畸變度達7.25%。

將電能質(zhì)量改善系統(tǒng)添加到微網(wǎng)后，所得系統(tǒng)電壓(a相)和電流(a相)波形，如圖7所示。由圖可知系統(tǒng)的電流畸變度降至1.55%，電流電能質(zhì)量得到提高。

由圖6和圖7可以明顯看出將電能質(zhì)量改善系統(tǒng)應(yīng)用于孤島模式下的微網(wǎng)后，系統(tǒng)電壓可穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)電流畸變程度大大降低，微網(wǎng)整體電能質(zhì)量有較大的提高。

(2)微網(wǎng)在并網(wǎng)運行時，由于大電網(wǎng)的影響，所組成系統(tǒng)的電流畸變度達2.5%，加上本文所提其電能質(zhì)量改善系統(tǒng)后，電流畸變度降至1.21%。

圖6 微網(wǎng)孤立運行時系統(tǒng)電壓電流波形

圖7 聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)用于微網(wǎng)后系統(tǒng)電壓電流波形

4 結(jié)語

本文微網(wǎng)(運行于孤島模式)進行電能質(zhì)量研究，在綜合考慮電能質(zhì)量改善的效果和經(jīng)濟性后，采用APF接在分布式電源側(cè)快速實時實現(xiàn)諧波濾除功能。實驗結(jié)果表明，加入電能質(zhì)量改善系統(tǒng)的微網(wǎng)系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定，電流畸變大大降低，微網(wǎng)電能質(zhì)量有了明顯提高，從而驗證了電能質(zhì)量改善系統(tǒng)的有效性。

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吳艷娟(1973-)，女，講師，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化與控制, 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析。Email:wuyanjuan12@126.com

CombinedSystemofAPFandSVCforPowerQualityImprovementinMicrogrid

WU Yan-juan

(School of Automation, Tianjin University of Technology, Tianjin 300384, China)

This paper introduces a combined system of active power filter (APF) and static var compensator (SVC) to improve power quality of microgrid. In the combined system, APF, installed at the outlet of the micro source inverter, mitigates harmonic current. Its current detection method isip-iq, and tracking method is deadbeat control and space vector pulse width modulation (SVPWM); SVC, which is set near the load of microgrid, comprising thyristor controlled reactor (TCR) and thyristor switched capacitor (TSC), supplies reactive power, relives voltage variation, and reduces power loss on the transmission lines. APF and SVC, performing respectively, improve the power quality of microgrid together. Simulation results show the effectiveness of the combined system later in this paper.

microgrid； power quality； APF； SVC； distributed generation

TM711

A

1003-8930(2012)01-0147-05

2011-10-02；

2011-11-29