電力電子設(shè)備的大量應(yīng)用加劇了對(duì)電網(wǎng)的污染，電力系統(tǒng)的無功及諧波問題日益嚴(yán)重，傳統(tǒng)的諧波抑制方法已難以滿足現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需要。目前，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡(jiǎn)稱APF）在提高電能質(zhì)量方面得到廣泛的應(yīng)用。而電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，BESS）投資相對(duì)較小、便于安裝，具有快速功率吞吐和四象限運(yùn)行的能力，越來越多地應(yīng)用在微電網(wǎng)中。它可以根據(jù)微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)情況吸收多余的能量或者為微電網(wǎng)提供缺額功率，但在實(shí)際情況中，其功能并沒有得到充分應(yīng)用，很多時(shí)候會(huì)有冗余容量，甚至經(jīng)常處于閑置狀態(tài)，所以將有源電力濾波器和儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)合使用，具有經(jīng)濟(jì)性和很高的實(shí)用價(jià)值。

本文將儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率指令和APF的諧波無功指令合成，對(duì)二者進(jìn)行統(tǒng)一控制，在一種裝置上實(shí)現(xiàn)多種功能，既能治理微網(wǎng)諧波，又能調(diào)節(jié)微網(wǎng)的有功和無功平衡，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的利用率，且成本較低，實(shí)現(xiàn)較容易。

儲(chǔ)能系統(tǒng)與APF的運(yùn)行原理

儲(chǔ)能系統(tǒng)

儲(chǔ)能裝置和電力電子變換器組成儲(chǔ)能系統(tǒng)。儲(chǔ)能裝置和微電網(wǎng)用逆變橋鏈接，可以完成微電網(wǎng)組網(wǎng)和運(yùn)行模式無縫切換并且使能量可以進(jìn)行雙向流動(dòng)。通過調(diào)整變流器來控制電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，使電壓的幅值和相角得到合適的調(diào)整，以便實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與微電網(wǎng)系統(tǒng)之間有功、無功的交換。

有源電力濾波器與儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)合基礎(chǔ)

有源電力濾波器主要抑制諧波和補(bǔ)償無功。儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能是吸收或釋放有功電能，維持電網(wǎng)功率動(dòng)態(tài)平衡，從本質(zhì)上講都為微電網(wǎng)注入電能。對(duì)比可知，APF和儲(chǔ)能系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及連接電網(wǎng)方式相同，不同的是APF的直流側(cè)是電容器，想要補(bǔ)償諧波和無功，要求有很大的系統(tǒng)容量。儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流側(cè)相當(dāng)于直流電源，要想為微電網(wǎng)提供電能，需經(jīng)過大容量的逆變器轉(zhuǎn)化為三相交流電，因此可以將二者進(jìn)行組合。

圖1為有源電力濾波與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合后的總體原理框圖。將儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在APF的直流側(cè)，然后通過逆變器輸出。將非線性負(fù)載的電流和逆變器并聯(lián)接入點(diǎn)的電壓送到功率、諧波計(jì)算單元，計(jì)算出兩者的合成信號(hào)，與給定的信號(hào)比較，利用比較輸出的指令信號(hào)得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，再控制變流器產(chǎn)生補(bǔ)償電流。

傳統(tǒng)的有源電力濾波器直流側(cè)用電容器作為儲(chǔ)能元件，在快速跟蹤微電網(wǎng)諧波的同時(shí)，易產(chǎn)生開關(guān)損耗，而且會(huì)從系統(tǒng)中吸收一定有功功率，如此會(huì)引起電容器上電壓波動(dòng)，使有源電力濾波器的直流側(cè)出現(xiàn)欠壓或過壓情況，從而影響APF的正常工作，情況危急的時(shí)候甚至?xí)?duì)其使用安全造成影響。因此將有源電力濾波與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，提高了直流側(cè)電壓穩(wěn)定性，增加了APF的安全性且適當(dāng)減小其容量。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率提高，使其增加治理諧波的功能。

控制策略

指令信號(hào)的合成

在微電網(wǎng)中，由于事故或負(fù)荷的投切導(dǎo)致微電網(wǎng)功率變化時(shí)，各微電源輸出的功率需要合理分配，當(dāng)需要微電源輸出的有功超過其實(shí)際允許的有功功率極限值Pmax時(shí)，微電網(wǎng)電壓的頻率偏差將不滿足其正常運(yùn)行時(shí)對(duì)電壓頻率的要求，這時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)就注入適當(dāng)?shù)挠泄β蕘矸€(wěn)定微電網(wǎng)頻率。要實(shí)現(xiàn)這一功能可以控制圖1逆變器注入主電路的補(bǔ)償電流ic。該補(bǔ)償電流指令信號(hào)生成如圖2所示。

采用基于瞬時(shí)無功功率的ip-iq檢測(cè)法，圖2中PLL是數(shù)字鎖相環(huán)，用于獲取A相電壓的相位并產(chǎn)生的正、余弦信號(hào)。三相負(fù)載電流iLa、iLb、iLc經(jīng)過矩陣變換C32和C可以計(jì)算出ip、iq，經(jīng)低通濾波器得到其直流分量、。

Pref和Qref是需要儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的有功和無功功率， 設(shè)Qref=0，Pref為：

（1）

式中，preq是負(fù)荷變化時(shí)計(jì)算得到微電源需要輸出的有功功率，Pmax是實(shí)際允許其輸出的有功極限值。在儲(chǔ)能系統(tǒng)需要的功率確定后，可以通過式（2）-（5）得到其對(duì)應(yīng)電流的給定值。逆變器輸出的三相電壓表示為：

（2）

由（2）式通過park變換，從靜止abc坐標(biāo)變換到旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)：

（3）

對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)逆變器接入點(diǎn)的電壓UL進(jìn)行park變換，使Uq和Ud實(shí)現(xiàn)解耦，可得：

（4）

經(jīng)過park變換，逆變器輸出的d軸和q軸電流分別為id、iq，而Uq=0，所以當(dāng)逆變器輸出有功功率和無功功率分別為Pref、Qref時(shí)，逆變器輸出的參考電流為：

（5）

這樣就將對(duì)逆變器輸出功率的控制轉(zhuǎn)換為對(duì)電流的控制。將idf與檢測(cè)到的無功、諧波指令信號(hào)直流分量經(jīng)式（6）-（7）合成。

（6）

（7）

式中：

C23、C-1為坐標(biāo)變換矩陣，與C32、C互為逆矩陣，w為角頻率。

由式（7）可知，前一部分是負(fù)載的諧波和無功電流分量，后一部分是控制儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出的指令電流的基波電流，通過逆變器把合成的指令信號(hào)注入電網(wǎng)便可補(bǔ)償無功和諧波，并且使儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出所需功率，實(shí)現(xiàn)組合裝置的功能。

組合裝置的控制策略

本文將有源電力濾波器與儲(chǔ)能系統(tǒng)相結(jié)合，采用三相橋式變流電路，而變流器根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓源型變流電路;直流側(cè)是電流源的稱為電流源型變流電路，電壓源型變流器按照控制技術(shù)不同又分為電壓源電壓控制和電壓源電流控制兩大類。本文采用電壓源型變流器?？刂茊卧歉鶕?jù)補(bǔ)償電流的補(bǔ)償信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的相互關(guān)系，使變流器輸出電流跟蹤給定的指令電流，此時(shí)變流器控制方法屬于電壓源型變流器的電流控制方法。電流跟蹤型PWM控制方式主要有三種方法：瞬時(shí)值比較方式、滯環(huán)控制、三角波控制方式。

本文采用的滯環(huán)控制方法是目前應(yīng)用較廣泛的一種電流跟蹤控制法，硬件電路簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)快，它的原理是以檢測(cè)模塊計(jì)算出的電網(wǎng)諧波電流作為指令值，與實(shí)際的補(bǔ)償電流相減，誤差進(jìn)入滯環(huán)控制器與設(shè)定環(huán)寬相比較，當(dāng)誤差大小超過環(huán)寬值，改變主電路中逆變器開關(guān)的通斷，從而達(dá)到控制電流的目的。根據(jù)此原理，將之前諧波電流和有功功率參考電流合成的總電流指令信號(hào)與變流器實(shí)際產(chǎn)生的電流信號(hào)進(jìn)行做差后送入滯環(huán)比較環(huán)節(jié)，最終產(chǎn)生六路通斷的PWM控制信號(hào)，控制變流器產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，達(dá)到補(bǔ)償目的。

仿真分析驗(yàn)證

利用Matlab/Simulink軟件對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)與APF組合裝置進(jìn)行仿真與分析，將儲(chǔ)能系統(tǒng)等效成直流源，忽略系統(tǒng)阻抗，其輸出電壓為750V，等效內(nèi)阻R為0.2Ω。系統(tǒng)的線電壓為380V，頻率為50Hz。線路內(nèi)阻Rs=1Ω，電感Ls=1mH。非線性負(fù)載用三相不可控整流橋來模擬，負(fù)載電阻為20Ω，負(fù)載電感為1mH。變流器輸出電感為2mH，直流側(cè)電容為6800μF，低通濾波器的截止頻率為30Hz，并且設(shè)有功功率給定值Pref=2kW，無功功率給定值Qref=0Var。仿真過程中，利用SIMULINK電力系統(tǒng)模塊提供的powergui這一圖形用戶界面工具進(jìn)行FFT分析，仿真結(jié)果如圖3-圖7。

圖3為補(bǔ)償前電源電壓和電流波形圖，圖4為補(bǔ)償后電源電壓和電流波形圖。由圖3可知在非正弦負(fù)載作用下，電源電流發(fā)生了嚴(yán)重的畸變，含有大量諧波，電壓和電流之間存在相位差。由圖5可知電源電流中含有1、5、7、11、13、17、19次諧波，電流總畸變率THD=21.79%。從圖4可以看出補(bǔ)償后電流波形已基本接近正弦波，電壓和電流波形達(dá)到同相位。由圖6知電源諧波含量下降到3.96%，補(bǔ)償后5次、7次和11次以及其他高次諧波有了明顯的減少，達(dá)到預(yù)期的效果。由圖7可知，投入組合裝置后，0.01s左右功率發(fā)生的缺額被補(bǔ)償，并且有功波動(dòng)減小，基本穩(wěn)定在2kW，無功功率經(jīng)過調(diào)節(jié)也趨近與0，進(jìn)而平滑微電網(wǎng)的無功和有功。

本文將微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和有源電力濾波器進(jìn)行組合，分析了兩者的結(jié)合基礎(chǔ)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)并聯(lián)在APF的直流側(cè)，不僅有效利用了儲(chǔ)能系統(tǒng)的冗余容量，而且整個(gè)裝置使用一套逆變器，節(jié)約了投資成本。該組合裝置不僅可以對(duì)微電網(wǎng)中存在的諧波進(jìn)行有效治理，還能有效調(diào)節(jié)微電網(wǎng)中的功率平衡。最后用Matlab對(duì)該組合裝置進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了結(jié)論的合理性和有效性，為微電網(wǎng)中降低諧波治理成本提高儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率提供有價(jià)值的參考。（作者供職于遼寧工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院）