康成功，李獻(xiàn)偉，張國(guó)軍

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分布式電源參與的配電網(wǎng)電能質(zhì)量控制策略研究

康成功1，李獻(xiàn)偉2，張國(guó)軍1

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

考慮到并網(wǎng)逆變器與有源電力濾波器在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、使用功能以及控制方法上的相似性，提出了一種將并網(wǎng)發(fā)電與電力有源濾波相結(jié)合的統(tǒng)一控制策略。在詳細(xì)分析統(tǒng)一控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理的基礎(chǔ)上，從諧波與無(wú)功電流檢測(cè)、電壓與電流控制等方面進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下對(duì)系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。該控制策略使并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)也能進(jìn)行諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)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(wǎng)的電能質(zhì)量。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該控制策略的有效性與可行性。

諧波抑制；無(wú)功補(bǔ)償；分布式發(fā)電；電能質(zhì)量

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)中接入了大量的非線(xiàn)性和沖擊性負(fù)荷，使得電網(wǎng)的電能質(zhì)量不斷下降，供用電設(shè)備的安全性降低，同時(shí)使電能的使用效率不斷下降，在電網(wǎng)和電氣設(shè)備上產(chǎn)生附加損耗，造成能源的浪費(fèi)[1-2]。與此同時(shí)，分布式電源接入配電網(wǎng)的滲透率越來(lái)越高，這些分布式電源具有隨機(jī)性和波動(dòng)性，引起了更為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題。傳統(tǒng)的諸如無(wú)源濾波器之類(lèi)的電能質(zhì)量治理裝置已經(jīng)越來(lái)越不能滿(mǎn)足電能質(zhì)量的要求了，這就不得不通過(guò)加裝新的電能質(zhì)量治理裝置來(lái)改善電網(wǎng)的運(yùn)行，但是，這種方案不僅增加了系統(tǒng)成本而且維護(hù)難度也相應(yīng)增加。

分布式電源需要通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入到配電網(wǎng)中，然而分布式電源的隨機(jī)性和波動(dòng)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(wǎng)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(wú)光照的情況下，往往需要將發(fā)電裝置切離電網(wǎng)，這樣不僅影響并網(wǎng)逆變器的利用率，而且頻繁的投切也影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[5]。對(duì)有源電力濾波器(APF)來(lái)說(shuō)，雖然能夠?qū)﹄娋W(wǎng)中的諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，但其功能單一、成本高的缺點(diǎn)卻嚴(yán)重影響其使用推廣，目前主要應(yīng)用在三相大功率工業(yè)領(lǐng)域[6]。針對(duì)并網(wǎng)逆變器與APF的不足，并考慮到兩者在結(jié)構(gòu)方面、功能方面、控制方面的相似性，可以考慮利用并網(wǎng)逆變器在并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的諧波、無(wú)功治理。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了許多相關(guān)問(wèn)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(shí)現(xiàn)起來(lái)仍然存在各種不足，因此，該領(lǐng)域的研究仍有很大的發(fā)展空間。

本文通過(guò)在并網(wǎng)逆變器的控制系統(tǒng)中加入諧波與無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和諧波、無(wú)功治理的統(tǒng)一控制，最終達(dá)到采用一套系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)逆變器與APF的功能，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的效果。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

圖1所示為本文所研究的分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11]。在光照充足，光伏陣列向外輸送電能時(shí)，并網(wǎng)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(wǎng)中的負(fù)載供電；另一部分是補(bǔ)償電流分量，抵消本地非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波與無(wú)功電流。其中，有功電流分量?jī)?yōu)先為本地負(fù)載供電，多余的電能并入大電網(wǎng)，供給電網(wǎng)中的其他負(fù)載。在光照較弱，光伏陣列停止工作時(shí)，并網(wǎng)逆變器只輸出補(bǔ)償電流分量來(lái)抵消本地非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的諧波與無(wú)功電流。系統(tǒng)沒(méi)有因治理諧波與無(wú)功而增加設(shè)備，只是加入了諧波與無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)，最終達(dá)到給并網(wǎng)逆變器增加諧波與無(wú)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(diǎn)跟蹤方法，得到并網(wǎng)有功電流指令[12]。然后通過(guò)諧波與無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)，得到補(bǔ)償電流指令。最后將這兩種電流指令合成進(jìn)行統(tǒng)一控制，使逆變器輸出相應(yīng)的電流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與諧波、無(wú)功治理。

圖1 分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

根據(jù)基爾霍夫電壓定律對(duì)圖1所示的電路列電路方程，濾波電感與線(xiàn)路阻抗上的壓降為逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓之差，即

在考慮三相平衡和變換前后功率不變?cè)瓌t的基礎(chǔ)上對(duì)式(1)進(jìn)行正交派克變換，可得三相并網(wǎng)逆變器在坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程為

(2)

在本系統(tǒng)中，諧波無(wú)功檢測(cè)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(lái)獲取電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)相位，以便進(jìn)行有功、無(wú)功量的分離。本系統(tǒng)采用基于電網(wǎng)電壓合成矢量定向的閉環(huán)數(shù)字鎖相環(huán)技術(shù)[14]，通過(guò)對(duì)三相電網(wǎng)電壓的合成矢量的鎖相取代傳統(tǒng)的對(duì)單相電壓的鎖相，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱(chēng)或畸變的情況下，依然能夠很好地跟蹤電網(wǎng)電壓。在鎖相完成之后有：，，實(shí)現(xiàn)了三相電壓綜合矢量與坐標(biāo)系軸的完全同步。

2 諧波和無(wú)功電流的檢測(cè)

三相負(fù)載電流的瞬時(shí)值包括基波量和諧波量：

將三相靜止坐標(biāo)系下的瞬時(shí)電流轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下：

由上式可知，經(jīng)坐標(biāo)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?？紤]到電網(wǎng)電流中多含有3次、5次、7次等奇次諧波，因此經(jīng)坐標(biāo)變換后這些奇次諧波均變?yōu)榕即沃C波。雖然正、余弦函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)的積分為0，但會(huì)出現(xiàn)一個(gè)周期的延遲；另外考慮到選各次諧波周期的最小公倍數(shù)作為積分區(qū)間所得的積分值同樣為零。因此我們?nèi)》e分周期為，使諧波信號(hào)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(wú)功電流檢測(cè)原理框圖如圖3所示。K為無(wú)功補(bǔ)償開(kāi)關(guān)，當(dāng)K閉合時(shí)，檢測(cè)結(jié)果只有諧波電流；當(dāng)K斷開(kāi)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果既包括諧波電流，又包括無(wú)功電流。

圖3 改進(jìn)的檢測(cè)法

3 電壓與電流控制

3.1 直流側(cè)電壓控制

文獻(xiàn)[15]采用的是電壓PI控制策略來(lái)控制直流側(cè)電壓的，考慮到該方法容易使得系統(tǒng)表現(xiàn)出嚴(yán)重的非線(xiàn)性，而且還具有響應(yīng)速度慢、超調(diào)量和靜差大、PI控制參數(shù)選擇困難且適應(yīng)的區(qū)域較小等缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用能量PI控制策略[16]來(lái)控制直流側(cè)電壓，即將直流側(cè)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(jù)具體要求來(lái)整定PI控制器的參數(shù)，從而擴(kuò)大了PI控制對(duì)于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化的適應(yīng)范圍。并網(wǎng)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(lái)便可得到統(tǒng)一解耦控制方程，實(shí)現(xiàn)逆變器并網(wǎng)與諧波無(wú)功的統(tǒng)一控制。

(12)

通過(guò)上述過(guò)程，可以用統(tǒng)一的控制量進(jìn)行PI調(diào)節(jié)以及空間電壓矢量調(diào)制，使得輸出電流能夠?qū)崟r(shí)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(guò)程中需要保證逆變器的輸出不超過(guò)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(wǎng)有功電流、負(fù)載無(wú)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(wǎng)有功電流的條件下，利用剩余的容量進(jìn)行諧波電流和無(wú)功電流的補(bǔ)償。

圖6所示為并網(wǎng)發(fā)電與電力有源濾波的統(tǒng)一控制策略。當(dāng)光照充足，光伏陣列向外輸送電能時(shí)，逆變器工作在并網(wǎng)發(fā)電和電力有源濾波的統(tǒng)一控制模式；當(dāng)光照很弱或夜晚，光伏陣列不向外輸出功率時(shí)，逆變器工作在單一的有源濾波模式。結(jié)合分布式發(fā)電的實(shí)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(wǎng)供電和諧波、無(wú)功治理方面達(dá)到最佳效果。

5 仿真驗(yàn)證

本文利用Matlab/Simulink對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。光伏陣列輸出的MPPT跟蹤采用恒壓法，設(shè)置為800 V；IGBT觸發(fā)脈沖通過(guò)SVPWM調(diào)制策略生成；用帶電阻負(fù)載的三相全控整流橋，將三相全控整流橋的觸發(fā)角設(shè)定為定值，用來(lái)產(chǎn)生諧波電流；用純電感負(fù)載產(chǎn)生無(wú)功電流。具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1。

表1 仿真參數(shù)

圖7所示為系統(tǒng)工作在單獨(dú)并網(wǎng)發(fā)電模式下時(shí)A相的網(wǎng)側(cè)電壓與網(wǎng)側(cè)電流的仿真波形圖，系統(tǒng)接入三相對(duì)稱(chēng)電阻負(fù)載，環(huán)境溫度一直為25，在0.2 s時(shí)將光照強(qiáng)度由600 W/m2變?yōu)?00 W/m2，A相網(wǎng)側(cè)電流畸變率由1.85%變?yōu)?.38%，均小于國(guó)標(biāo)5%。可見(jiàn)，無(wú)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(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

圖6 統(tǒng)一控制策略原理圖

圖7 單獨(dú)并網(wǎng)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(dú)有源濾波模式下的仿真波形圖，無(wú)功補(bǔ)償開(kāi)關(guān)K保持閉合，光照強(qiáng)度設(shè)為0，系統(tǒng)接入不可控整流橋電阻負(fù)載。在0.14 s之前，非線(xiàn)性負(fù)載電流畸變嚴(yán)重，使得網(wǎng)側(cè)電流被嚴(yán)重污染，三相的總畸變率分別為26.68%、26.64%、26.61%。在0.14 s時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行諧波補(bǔ)償，網(wǎng)側(cè)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(guó)標(biāo)5%。

圖9所示為系統(tǒng)工作在并網(wǎng)發(fā)電與有源濾波統(tǒng)一控制模式下的仿真波形圖，無(wú)功補(bǔ)償開(kāi)關(guān)K保持閉合，將光照強(qiáng)度設(shè)為600 W/m2，系統(tǒng)接入不可控整流橋電阻負(fù)載。在0.14 s之前，系統(tǒng)只進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，網(wǎng)側(cè)電流由于非線(xiàn)性負(fù)載的存在被嚴(yán)重污染，三相的總畸變率分別達(dá)到52.50%、49.93%、51.48%。在0.14 s時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行并網(wǎng)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(xiàn)性負(fù)載對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的影響得到了有效控制。

圖8 單獨(dú)有源濾波模式下的仿真波形圖

圖9 并網(wǎng)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(wǎng)發(fā)電與諧波、無(wú)功治理統(tǒng)一控制模式下的仿真波形圖，斷開(kāi)無(wú)功補(bǔ)償開(kāi)關(guān)K，光照強(qiáng)度仍設(shè)為600 W/m2，系統(tǒng)接入不可控整流橋電阻負(fù)載和電感負(fù)載。在0.14 s之前，系統(tǒng)只進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，網(wǎng)側(cè)電流畸變嚴(yán)重，三相的總畸變率分別達(dá)到131.5%、132.3%、131.8%。在0.14 s時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，三相的總畸變率分別為3.05%、3.08%、3.06%，網(wǎng)側(cè)電流波形明顯改善。

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

6 結(jié)論

本文根據(jù)并網(wǎng)逆變器與APF在各方面的相似性，在不改變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的情況下，通過(guò)在并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)中加入諧波與無(wú)功檢測(cè)環(huán)節(jié)，將并網(wǎng)逆變器與APF的功能相融合，使并網(wǎng)逆變器同時(shí)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)供電和諧波、無(wú)功治理，在兼顧二者功能與優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)也提高了裝置利用率。整個(gè)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)是在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下進(jìn)行的，算法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；在諧波電流檢測(cè)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(cè)速度和精度得到提高；電壓環(huán)采用能量PI控制策略，簡(jiǎn)化了對(duì)PI控制器的設(shè)計(jì)要求；最后通過(guò)電流解耦控制，實(shí)現(xiàn)有功量與無(wú)功量的完全分離，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的同時(shí)也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了控制策略的有效性。

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(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?yàn)榉植际侥茉窗l(fā)電及電力電子技術(shù)；E-mail: kcg0618@163.com李獻(xiàn)偉(1982-)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榉植际侥茉唇尤爰拔㈦娋W(wǎng)穩(wěn)定控制運(yùn)行；張國(guó)軍(1960-)，男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)及其自動(dòng)化。