分布式電源參與的配電網電能質量控制策略研究

康成功，李獻偉，張國軍

?

分布式電源參與的配電網電能質量控制策略研究

康成功1，李獻偉2，張國軍1

(1.遼寧工程技術大學，遼寧 葫蘆島 125105；2.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

考慮到并網逆變器與有源電力濾波器在拓撲結構、使用功能以及控制方法上的相似性，提出了一種將并網發(fā)電與電力有源濾波相結合的統(tǒng)一控制策略。在詳細分析統(tǒng)一控制系統(tǒng)結構與工作原理的基礎上，從諧波與無功電流檢測、電壓與電流控制等方面進行分析設計，實現了在旋轉坐標系下對系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。該控制策略使并網逆變器在并網發(fā)電的同時也能進行諧波抑制與無功補償，不僅充分發(fā)揮了分布式發(fā)電的優(yōu)越性，而且改善了電網的電能質量。最后通過仿真驗證了該控制策略的有效性與可行性。

諧波抑制；無功補償；分布式發(fā)電；電能質量

0 引言

隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展，電網中接入了大量的非線性和沖擊性負荷，使得電網的電能質量不斷下降，供用電設備的安全性降低，同時使電能的使用效率不斷下降，在電網和電氣設備上產生附加損耗，造成能源的浪費[1-2]。與此同時，分布式電源接入配電網的滲透率越來越高，這些分布式電源具有隨機性和波動性，引起了更為嚴重的電能質量問題。傳統(tǒng)的諸如無源濾波器之類的電能質量治理裝置已經越來越不能滿足電能質量的要求了，這就不得不通過加裝新的電能質量治理裝置來改善電網的運行，但是，這種方案不僅增加了系統(tǒng)成本而且維護難度也相應增加。

分布式電源需要通過并網逆變器接入到配電網中，然而分布式電源的隨機性和波動性使得裝置得不到充分利用[3-4]。以光伏發(fā)電系統(tǒng)為例，在光照充足的白天，并網逆變器的利用率能夠得到保證；如果在夜晚或陰雨天光照很弱或無光照的情況下，往往需要將發(fā)電裝置切離電網，這樣不僅影響并網逆變器的利用率，而且頻繁的投切也影響電網的穩(wěn)定運行[5]。對有源電力濾波器(APF)來說，雖然能夠對電網中的諧波和無功進行補償，但其功能單一、成本高的缺點卻嚴重影響其使用推廣，目前主要應用在三相大功率工業(yè)領域[6]。針對并網逆變器與APF的不足，并考慮到兩者在結構方面、功能方面、控制方面的相似性，可以考慮利用并網逆變器在并網發(fā)電的同時實現對電網的諧波、無功治理。目前，國內外學者開展了許多相關問題的研究[7-10]，給出了各種不同的控制策略，然而這些控制策略實現起來仍然存在各種不足，因此，該領域的研究仍有很大的發(fā)展空間。

本文通過在并網逆變器的控制系統(tǒng)中加入諧波與無功檢測環(huán)節(jié)，實現并網發(fā)電和諧波、無功治理的統(tǒng)一控制，最終達到采用一套系統(tǒng)同時實現并網逆變器與APF的功能，實現一機多用的效果。

1 系統(tǒng)結構與原理

圖1所示為本文所研究的分布式電源并網系統(tǒng)結構[11]。在光照充足，光伏陣列向外輸送電能時，并網逆變器的輸出電流包括兩部分：一部分是有功電流分量，為電網中的負載供電；另一部分是補償電流分量，抵消本地非線性負載產生的諧波與無功電流。其中，有功電流分量優(yōu)先為本地負載供電，多余的電能并入大電網，供給電網中的其他負載。在光照較弱，光伏陣列停止工作時，并網逆變器只輸出補償電流分量來抵消本地非線性負載產生的諧波與無功電流。系統(tǒng)沒有因治理諧波與無功而增加設備，只是加入了諧波與無功檢測環(huán)節(jié)，最終達到給并網逆變器增加諧波與無功治理功能的目的。

分布式電源以光伏陣列為例，系統(tǒng)采用最大功率點跟蹤方法，得到并網有功電流指令[12]。然后通過諧波與無功檢測環(huán)節(jié)，得到補償電流指令。最后將這兩種電流指令合成進行統(tǒng)一控制，使逆變器輸出相應的電流，同時實現并網發(fā)電與諧波、無功治理。

圖1 分布式電源并網系統(tǒng)結構和原理

根據基爾霍夫電壓定律對圖1所示的電路列電路方程，濾波電感與線路阻抗上的壓降為逆變器輸出電壓與電網電壓之差，即

在考慮三相平衡和變換前后功率不變原則的基礎上對式(1)進行正交派克變換，可得三相并網逆變器在坐標系下的狀態(tài)方程為

(2)

在本系統(tǒng)中，諧波無功檢測環(huán)節(jié)以及電流跟蹤環(huán)節(jié)均需要用到鎖相環(huán)(PLL)來獲取電網電壓的實時相位，以便進行有功、無功量的分離。本系統(tǒng)采用基于電網電壓合成矢量定向的閉環(huán)數字鎖相環(huán)技術[14]，通過對三相電網電壓的合成矢量的鎖相取代傳統(tǒng)的對單相電壓的鎖相，在電網電壓不對稱或畸變的情況下，依然能夠很好地跟蹤電網電壓。在鎖相完成之后有：，，實現了三相電壓綜合矢量與坐標系軸的完全同步。

2 諧波和無功電流的檢測

三相負載電流的瞬時值包括基波量和諧波量：

將三相靜止坐標系下的瞬時電流轉換到兩相旋轉坐標系下：

由上式可知，經坐標變換后，基波電流分量變成直流量，而各諧波電流分量的階次均降低1次。考慮到電網電流中多含有3次、5次、7次等奇次諧波，因此經坐標變換后這些奇次諧波均變?yōu)榕即沃C波。雖然正、余弦函數在一個周期內的積分為0，但會出現一個周期的延遲；另外考慮到選各次諧波周期的最小公倍數作為積分區(qū)間所得的積分值同樣為零。因此我們取積分周期為，使諧波信號積分值為0，最終得到基波電流。原理如圖2所示。

圖2 電流平均值模塊原理圖

最終的諧波和無功電流檢測原理框圖如圖3所示。K為無功補償開關，當K閉合時，檢測結果只有諧波電流；當K斷開時，檢測結果既包括諧波電流，又包括無功電流。

圖3 改進的檢測法

3 電壓與電流控制

3.1 直流側電壓控制

文獻[15]采用的是電壓PI控制策略來控制直流側電壓的，考慮到該方法容易使得系統(tǒng)表現出嚴重的非線性，而且還具有響應速度慢、超調量和靜差大、PI控制參數選擇困難且適應的區(qū)域較小等缺點，本系統(tǒng)采用能量PI控制策略[16]來控制直流側電壓，即將直流側電容的能量偏差作為電壓控制的輸人量，即

圖4 能量PI控制原理圖

Fig. 4 Power-PI control diagram

該方法可以根據具體要求來整定PI控制器的參數，從而擴大了PI控制對于系統(tǒng)運行狀態(tài)變化的適應范圍。并網電流有功分量按式(6)即可獲得。

3.2 電流解耦控制

(8)

同理可得逆變器工作在APF模式下的解耦控制方程。即

(10)

將上述兩種模式統(tǒng)一起來便可得到統(tǒng)一解耦控制方程，實現逆變器并網與諧波無功的統(tǒng)一控制。

(12)

通過上述過程，可以用統(tǒng)一的控制量進行PI調節(jié)以及空間電壓矢量調制，使得輸出電流能夠實時地跟蹤給定電流。統(tǒng)一解耦控制策略如圖5所示。

圖5 統(tǒng)一解耦控制原理圖

4 系統(tǒng)具體控制策略

本系統(tǒng)在控制過程中需要保證逆變器的輸出不超過其額定容量。由前文的分析可知，逆變器的輸出包括三部分：并網有功電流、負載無功電流以及諧波電流。因此，需要優(yōu)先保證光伏電池能夠以最大功率輸出并網有功電流的條件下，利用剩余的容量進行諧波電流和無功電流的補償。

圖6所示為并網發(fā)電與電力有源濾波的統(tǒng)一控制策略。當光照充足，光伏陣列向外輸送電能時，逆變器工作在并網發(fā)電和電力有源濾波的統(tǒng)一控制模式；當光照很弱或夜晚，光伏陣列不向外輸出功率時，逆變器工作在單一的有源濾波模式。結合分布式發(fā)電的實際工作情況，使逆變器在以上兩種模式下自由切換，便能使逆變器在并網供電和諧波、無功治理方面達到最佳效果。

5 仿真驗證

本文利用Matlab/Simulink對所提出的控制策略進行了仿真驗證。光伏陣列輸出的MPPT跟蹤采用恒壓法，設置為800 V；IGBT觸發(fā)脈沖通過SVPWM調制策略生成；用帶電阻負載的三相全控整流橋，將三相全控整流橋的觸發(fā)角設定為定值，用來產生諧波電流；用純電感負載產生無功電流。具體仿真參數設置如表1。

表1 仿真參數

圖7所示為系統(tǒng)工作在單獨并網發(fā)電模式下時A相的網側電壓與網側電流的仿真波形圖，系統(tǒng)接入三相對稱電阻負載，環(huán)境溫度一直為25，在0.2 s時將光照強度由600 W/m2變?yōu)?00 W/m2，A相網側電流畸變率由1.85%變?yōu)?.38%，均小于國標5%?？梢?，無論環(huán)境如何變化，二者的相位均能保持一致，逆變器均能實現單位功率因數并網。

圖6 統(tǒng)一控制策略原理圖

圖7 單獨并網發(fā)電模式下的A相仿真波形圖

圖8所示為系統(tǒng)工作在單獨有源濾波模式下的仿真波形圖，無功補償開關K保持閉合，光照強度設為0，系統(tǒng)接入不可控整流橋電阻負載。在0.14 s之前，非線性負載電流畸變嚴重，使得網側電流被嚴重污染，三相的總畸變率分別為26.68%、26.64%、26.61%。在0.14 s時對系統(tǒng)進行諧波補償，網側電流波形明顯改善，三相的總畸變率分別為3.54%、3.50%、3.56%，均小于國標5%。

圖9所示為系統(tǒng)工作在并網發(fā)電與有源濾波統(tǒng)一控制模式下的仿真波形圖，無功補償開關K保持閉合，將光照強度設為600 W/m2，系統(tǒng)接入不可控整流橋電阻負載。在0.14 s之前，系統(tǒng)只進行并網發(fā)電，網側電流由于非線性負載的存在被嚴重污染，三相的總畸變率分別達到52.50%、49.93%、51.48%。在0.14 s時對系統(tǒng)進行并網與濾波的統(tǒng)一控制，三相的總畸變率分別為5.23%、5.18%、5.21%，非線性負載對網側電流的影響得到了有效控制。

圖8 單獨有源濾波模式下的仿真波形圖

圖9 并網發(fā)電與有源濾波統(tǒng)一控制模式下的仿真波形圖

圖10所示為系統(tǒng)工作在并網發(fā)電與諧波、無功治理統(tǒng)一控制模式下的仿真波形圖，斷開無功補償開關K，光照強度仍設為600 W/m2，系統(tǒng)接入不可控整流橋電阻負載和電感負載。在0.14 s之前，系統(tǒng)只進行并網發(fā)電，網側電流畸變嚴重，三相的總畸變率分別達到131.5%、132.3%、131.8%。在0.14 s時對系統(tǒng)進行統(tǒng)一控制，三相的總畸變率分別為3.05%、3.08%、3.06%，網側電流波形明顯改善。

圖10 并網發(fā)電與諧波、無功治理統(tǒng)一控制模式下的仿真波形圖

6 結論

本文根據并網逆變器與APF在各方面的相似性，在不改變拓撲結構的情況下，通過在并網逆變器控制系統(tǒng)中加入諧波與無功檢測環(huán)節(jié)，將并網逆變器與APF的功能相融合，使并網逆變器同時實現并網供電和諧波、無功治理，在兼顧二者功能與優(yōu)點的同時也提高了裝置利用率。整個控制系統(tǒng)的分析和設計是在旋轉坐標系下進行的，算法簡單，易于實現；在諧波電流檢測環(huán)節(jié)用平均值模塊代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低通濾波器，使得該環(huán)節(jié)的檢測速度和精度得到提高；電壓環(huán)采用能量PI控制策略，簡化了對PI控制器的設計要求；最后通過電流解耦控制，實現有功量與無功量的完全分離，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的同時也簡化了設計。最后通過仿真驗證了控制策略的有效性。

[1] XU Xianyong, LUOAn, FANGHouhui. Study on novel technologies for electrical energy saving in distribution network and its engineering applications[C] // International Conference on Sustainable Power Generation and Supply, 2009: 1-7.

[2] 余貽鑫. 科學地建設我國的智能電網[J]. 電器與能效管理技術, 2014(9): 1-9.

YU Yixin. Building China’s smart grid scientifically[J]. Electrical & Energy Management Technology, 2014(9): 1-9.

[3] 方景輝, 溫鎮(zhèn). 分布式光伏就地自適應電壓控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(23): 49-55.

FANG Jinghui, WEN Zhen. Research on local adaptive voltage control strategy based on distributed PV[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(23): 49-55.

[4] 劉赟甲,劉偉,閆濤, 等. 光儲聯合運行模式下的儲能變流器及控制策略研究[J]. 電器與能效管理技術, 2015(3): 62-66.

LIU Yunjia, LIU Wei, YAN Tao, et al.Study on energy storage equipment and the control strategies of photovoltaic power and energy storage hybrid[J]. Electrical & Energy Management Technology, 2015(3): 62-66.

[5] 張曉軍. 光伏發(fā)電系統(tǒng)協調控制研究[D]. 秦皇島: 燕山大學, 2014.

ZHANG Xiaojun. Research on coordinated control of photovoltaic system[D]. Qinhuangdao: Yanshan University, 2014.

[6] 杜輝. 并網混合型有源濾波器的研究[D]. 無錫: 江南大學, 2013.

DU Hui. Research on shunt hybrid active power filter[D]. Wuxi: Jiangnan University, 2013.

[7] 楊秋霞, 劉大鵬, 王海臣, 等. 光伏并網發(fā)電與電能質量調節(jié)統(tǒng)一控制系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(5): 69-74.

YANG Qiuxia, LIU Dapeng, WANG Haichen, et al. A combined control approach for grid-connected photovoltaic and power quality regulatory systems[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(5): 69-74.

[8] HAN B, BAE B, KIM H, et al. Combined operation of unified power quality conditioner with distributed generation[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(1): 330-338.

[9] KIM J H, LEE S W, LEE S R, et al. Power quality control using the Goertzel algorithm for grid-connected system[C] // 31st International Telecommunications Energy Conference, 2009: 1-3.

[10] 黃冬冬, 吳在軍, 竇曉波, 等. 光伏規(guī)模化并網的電能質量復合控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(3): 107-112.

HUANG Dongdong, WU Zaijun, DOU Xiaobo, et al.A power quality composite control strategy based on large-scale grid-connected photovoltaic power generation [J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(3): 107-112.

[11] 王成山. 微電網分析與仿真理論[M]. 北京: 科學出版社, 2013.

[12] 王曉, 羅安, 鄧才波, 等. 基于光伏并網的電能質量控制系統(tǒng)[J]. 電網技術, 2012, 36(4): 68-73.

WANG Xiao, LUO An, DENG Caibo, et al. A power quality control system based on grid-connected photovoltaic power generation[J]. Power System Technology, 2012, 36(4): 68-73.

[13] 姚金順. 分布式發(fā)電系統(tǒng)并網逆變器控制技術研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2013.

YAO Jinshun. The control strategies for grid-connected inverter in distributed power system[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[14] 王力. 分布式電網用有源濾波型并網逆變器的研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2013.

WANG Li. Research on grid-connected inverter with harmonic compensation for distributed power system[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.

[15] 耿乙文, 伍小杰, 周德佳, 等. 基于改進型比例諧振控制器的三相四線制光伏發(fā)電和有源濾波器系統(tǒng)[J]. 電工技術學報, 2013, 28(8): 142-148.

GENG Yiwen, WU Xiaojie, ZHOU Dejia, et al. Research on three phase four wire PV-AF system based on improved proportional resonant controllers[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(8): 142-148.

[16] 曾雨竹, 張仲超, 曾繼倫, 等. 改善有源電力濾波器系統(tǒng)動態(tài)性能的電壓控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2006, 30(13): 43-46.

ZENG Yuzhu, ZHANG Zhongchao, ZENG Jilun, et al. Novel voltage control strategy to improve the dynamic performances of active power filter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(13): 43-46.

[17] 邱燕. 三相并網逆變器濾波及鎖相技術研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2012.

QIU Yan. Research on filtering and phase lock method based on three phase grid-connected inverter[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012.

(編輯 姜新麗)

Research on power quality control strategyincorporatingdistributed generation

KANG Chenggong1, LI Xianwei2, ZHANG Guojun1

(1. Liaoning Technical University, Huludao 125105, China; 2. XJ Group Corporation, Xuchang 461000, China)

Considering the similarity in structures, using functions and control methods of the grid-connected inverter and active power filter, a unified control strategy is proposed.This strategy can realize both grid-connected power generation and active power filtering.Based onthe analysis of the architecture and principle of the unified control system, harmonic and reactive current detection, voltage and current control method are designed for the system. Finally, the system can be controlled in the revolving coordinate reference frame. Using this unified control strategy, grid-connected generation, harmonics suppression and reactive power compensation are achieved at the same device,which exerts the advantage of distributed generation and improves grid power quality. At last, simulation results verify the validity and feasibility of the proposed strategy.

harmonics suppression; reactive power compensation; distributed generation; power quality

10.7667/PSPC151496

2015-08-24；

2015-10-16

康成功(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向為分布式能源發(fā)電及電力電子技術；E-mail: kcg0618@163.com李獻偉(1982-)，男，工程師，主要研究方向為分布式能源接入及微電網穩(wěn)定控制運行；張國軍(1960-)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化。