王 鶴，趙建軍，金 一，張 健，孫建平，金儒孔

(1.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古豐鎮(zhèn)012100;3.國電吉林龍華長春熱電一廠，吉林長春130114;4.國網(wǎng)吉林省電力有限公司調(diào)控中心，長春130000;5.吉林松花江熱電有限公司，吉林吉林132012)

隨著高新技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的需求越來越高。特別是在0.4 kV電壓等級線路，負(fù)荷多樣性和分散程度較高，管理的專業(yè)技術(shù)力度相對薄弱，未來無功補償和電能質(zhì)量管理方面的發(fā)展前景十分廣闊［1］。分布式發(fā)電技術(shù)是近年來相關(guān)領(lǐng)域的一個研究熱點，這些電源中有很大一部分通過逆變器并入配電網(wǎng)，并且在配電網(wǎng)中分散存在。利用這些逆變型分布式電源來管理配電網(wǎng)的電能質(zhì)量，能夠節(jié)省專門的電能質(zhì)量管理設(shè)備投資，而且其分布式屬性能夠有效地處理負(fù)荷和諧波源的分散性，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景［2－3］。

文獻［4］將逆變型分布式電源模仿電力有源濾波器運行，向配電網(wǎng)注入附加的諧波電流來抵消諧波源諧波、改善電壓波形。文獻［5］提出了一種基于分布式電源逆變器控制的微電網(wǎng)電能質(zhì)量管理方法，能夠有效降低電壓的不平衡度和諧波畸變率。文獻［6］提出了一種能夠根據(jù)用戶需求靈活定制電能質(zhì)量的獨立控制和綜合補償方法，具有很好的實際意義和應(yīng)用前景。

本文研究基于逆變型分布式電源的電能質(zhì)量管理方法。首先分析分布式電源逆變器的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，給出使逆變型分布式電源在輸出基波功率的同時輸出附加補償諧波的控制方法。最后，對該電能質(zhì)量管理方法在配電網(wǎng)中應(yīng)用所需解決的關(guān)鍵問題進行了深入的分析。仿真結(jié)果證明了本文提出方法的有效性。

1 分布式電源逆變器的數(shù)學(xué)模型

逆變型分布式電源的接口電路如圖1所示，圖中udc為等效直流電壓源電壓，逆變器通過LC濾波器與負(fù)載或配電網(wǎng)相連，ZL為等效的連接線路阻抗，L1和C1分別為濾波器的濾波電感和電容。圖中u1abc和i1abc分別為逆變器輸出的三相電壓和電流，usabc和isabc分別為逆變器經(jīng)濾波后輸出的三相電壓和電流，i2abc是濾波器電容支路流過的三相電流。

圖1 分布式電源逆變器接口電路

在圖1中，根據(jù)基爾霍夫定律，可得

將式(1)和(2)變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系，可得

從式(3)和(4)可以看出，逆變器輸出電壓、電流的d軸和q軸分量之間存在耦合關(guān)系，需要解耦。分布式電源的逆變器一般采用電壓、電流雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，適用于所有常用的PQ、Vf和Droop控制等多種控制方式。外部的電壓控制環(huán)實現(xiàn)電壓的無靜差控制，內(nèi)部的電流控制環(huán)實現(xiàn)對參考電流的快速跟蹤，獲得較高的動態(tài)響應(yīng)性能。在雙閉環(huán)控制基礎(chǔ)上增加不同的功率控制外環(huán)，就構(gòu)成了不同的多環(huán)反饋控制方法［7－8］。

2 基于逆變器控制的電能質(zhì)量管理

2.1 補償電流設(shè)計

基于逆變器控制的電能質(zhì)量管理原理框圖如圖2所示，該方法可以靈活的選擇電能質(zhì)量管理的目標(biāo)節(jié)點，不局限在接入點處。在多環(huán)反饋控制方法上增加補償電流生成環(huán)節(jié)，電流控制環(huán)中最終的參考電流值由功率設(shè)定值給定的參考電流和電能質(zhì)量管理補償電流兩部分組成，逆變型分布式電源輸出補償電流實現(xiàn)對電能質(zhì)量的管理。

設(shè)計補償電流首先需要提取電能質(zhì)量干擾分量?；谒矔r無功功率理論，可以檢測逆變型分布式電源接入點處電流isabc的諧波分量ihabc、負(fù)序分量ifabc和零序分量 i0［9－10］。再加上需要補償?shù)臒o功分量iqabc，就可以對配電網(wǎng)中的無功、各種諧波和不平衡進行補償。

不同電能質(zhì)量干擾分量的阻抗參數(shù)不同，所需的補償增益也有所區(qū)別。此外，電能質(zhì)量干擾中各種分量是不斷變化的，所以本文對各種電能質(zhì)量干擾分量分別獨立控制，然后疊加在一起進行綜合補償，總的補償電流由各個干擾分量補償電流綜合而成，最終的補償參考電流如下式

圖2 基于逆變器控制的電能質(zhì)量管理原理框圖

其中，g1、g2、g3、g4分別是無功、負(fù)序、零序和諧波分量的補償增益，各項補償分量的和構(gòu)成了總的補償電流;iset是逆變器基波功率設(shè)定值確定的輸出電流。

確定補償增益需要提取電能質(zhì)量控制目標(biāo)節(jié)點電壓utabc中的各種電能質(zhì)量干擾分量。由于utabc的檢測分量不直接參與解耦控制，utabc中諧波分量的檢測可以通過快速傅里葉變換得到，無功功率需求可以通過測量電壓有效值得到，負(fù)序和零序分量可以利用對稱分量法直接求出。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)utabc中干擾分量的變化就可以自動調(diào)整各補償量的補償增益g1、g2、g3和g4。

2.2 多逆變型分布式電源協(xié)調(diào)控制

當(dāng)多個逆變型分布式電源同時獨立進行諧波補償時，每個逆變電源都是將多輸入多輸出系統(tǒng)當(dāng)作單輸入單輸出系統(tǒng)來控制，此時多個逆變電源之間的交互影響不能忽略。單個逆變電源獨立運行時非常好的控制方法采用在多個逆變電源同時運行時效果會明顯變差。

考慮如圖3所示的諧波等效簡化電路，圖3中iS為等效諧波源，將2個逆變型分布式電源等效成諧波補償源 iC1和 iC2。R3、L3和 R4、L4為等效線路諧波阻抗，R1、L1和 R2、L2為補償源處等效諧波阻抗，R5、L5為諧波源處等效諧波阻抗。選擇諧波源處電壓u作為系統(tǒng)的輸出，補償電流iC1和iC2作為系統(tǒng)的輸入。

圖3 諧波等效簡化電路

配電網(wǎng)中的多個逆變型分布式電源同時進行諧波控制，為了避免負(fù)的交互影響，需要首先選擇一個諧波控制的目標(biāo)節(jié)點。實際復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中目標(biāo)節(jié)點可以選擇網(wǎng)絡(luò)中度較大或流過的潮流較大的節(jié)點。不失一般性，選擇圖3中諧波源所在節(jié)點為目標(biāo)節(jié)點，有

其中 U、IC1、IC2、IS分別是 u、iC1、iC2和 iS的相量形式，Z1、Z2分別是補償源節(jié)點與目標(biāo)節(jié)點之間的互阻抗，ZS是目標(biāo)節(jié)點的自阻抗。諧波控制的目標(biāo)就是使目標(biāo)節(jié)點的諧波電壓U=0，此時由兩個補償源發(fā)出的諧波完全抵消目標(biāo)節(jié)點處的諧波電壓。

當(dāng)檢測到目標(biāo)節(jié)點的諧波電壓為ΔU時，諧波控制的目標(biāo)就是協(xié)調(diào)控制補償源輸出諧波電流ΔIC1和ΔIC2，使

圖4 諧波電壓電流相量圖

補償電流ΔIC1和ΔIC2的相角θ1、θ2可以通過檢測補償源本地的初始諧波電流得到。在阻抗Z1和Z2已知的情況下，U1和U2的相角可以直接確定;在此基礎(chǔ)上將ΔU分解就可以確定所需的補償量增量和。諧波電壓電流相量圖見圖4所示。

圖5 輻射型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

圖6 不同情況下節(jié)點3電壓對比分析

3 仿真實驗分析

本文采用PSCAD/EMTDC軟件對基于逆變型分布式電源協(xié)調(diào)的配電網(wǎng)諧波管理方法進行仿真。仿真采用如圖5所示的輻射型配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其中線路參數(shù) R=0.641 Ω/km，X=0.101 Ω/km。節(jié)點1 和節(jié)點9之間主線路上節(jié)點間距離為40 m，節(jié)點2和節(jié)點10距離200 m，節(jié)點3和節(jié)點15距離160 m，其余各條線路的長度均為50 m。節(jié)點10和節(jié)點17處安裝有逆變型分布式電源，逆變電源1和逆變電源2。節(jié)點13、15、18 處接有三相整流負(fù)荷，節(jié)點 6、14、15、16、17、18處接有三相對稱負(fù)荷。選擇流過潮流和度都較大的節(jié)點3作為電能質(zhì)量管理的目標(biāo)節(jié)點。

采用本文提出的方法，對逆變電源1和2進行協(xié)調(diào)控制，電能質(zhì)量管理投入運行前后各節(jié)點的諧波畸變率對比情況如表1所示?？梢钥闯龈鞴?jié)點的諧波畸變率都有所下降，全部降到原來的50%以下。選擇節(jié)點3作為目標(biāo)節(jié)點時，以節(jié)點15處的電能質(zhì)量為代價，節(jié)點15的諧波畸變率只降低到2.4%。

圖6給出了不同情況下節(jié)點3的電壓波形對比。第1個子圖是沒有進行電能質(zhì)量管理的情況，第2個子圖是逆變電源1和2同時進行獨立補償?shù)那闆r，第3個子圖是2個逆變電源采用本文的方法協(xié)調(diào)補償?shù)那闆r。從圖中可以看出，補償后的電壓波形有了很大的改善，但是逆變電源1、2同時獨立補償時殘留的電壓諧波含量較多，這是2個逆變電源之間負(fù)的交互影響造成的。嚴(yán)重時還可能在2個逆變電源之間出現(xiàn)諧波環(huán)流導(dǎo)致諧波管理失敗。本文提出的方法能夠有效的協(xié)調(diào)2個逆變型分布式電源對配電網(wǎng)中的諧波進行管理。目標(biāo)節(jié)點的諧波殘留少于單個逆變電源和2個逆變電源分別獨立補償?shù)那闆r，避免了負(fù)的交互影響。

表1 各節(jié)點諧波畸變率對比

4 結(jié) 論

本文對基于逆變型分布式電源控制的電能質(zhì)量管理方法進行研究。采用獨立控制綜合補償?shù)姆椒軌蜢`活的選擇電能質(zhì)量管理的目標(biāo)節(jié)點和各種干擾分量的補償水平。多個逆變型分布式電源同時進行獨立補償時存在交互影響，影響電能質(zhì)量管理效果。本文提出的控制方法通過目標(biāo)節(jié)點諧波電壓相量分解和補償量分配來實現(xiàn)多個逆變電源之間的協(xié)調(diào)。仿真實驗結(jié)果表明:本文提出的方法能夠避免多個分布式電源之間出現(xiàn)負(fù)的交互影響，有效地實現(xiàn)協(xié)調(diào)運行。

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