馮 堯，苑 舜,2，董鶴楠,，張佳斌

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.國家能源局，北京 100824；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

專論

儲(chǔ)能系統(tǒng)在微電網(wǎng)諧波抑制中的應(yīng)用

馮 堯1，苑 舜1,2，董鶴楠1,3，張佳斌3

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.國家能源局，北京 100824；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

微電網(wǎng)中大量電力電子器件的使用以及非線性負(fù)荷的投切等，使微電網(wǎng)中存在著大量的諧波問題。為了減少專門濾波設(shè)備的投入，利用微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似的特點(diǎn)，提出了關(guān)于微電網(wǎng)在并網(wǎng)狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種綜合控制策略。文中先介紹了儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)以及濾波原理。然后，結(jié)合功率調(diào)節(jié)和諧波抑制原理給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制指令框圖。最后，在Matlab/Simulink平臺(tái)對(duì)該儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制策 略進(jìn)行了建模仿真分析。結(jié)果表明，運(yùn)用該控制策略，儲(chǔ)能系統(tǒng)不但可以調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的功率，維持系統(tǒng)頻率，而且能抑制微電網(wǎng)的諧波，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。

微電網(wǎng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)；綜合控制；諧波抑制；SOC

近年來，微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有力補(bǔ)充，在電力系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色[1-3]。但同時(shí)也伴隨著電能質(zhì)量的問題。微電網(wǎng)的并網(wǎng)、電力電子器件的大量使用、非線性負(fù)荷的投切等不可避免地給電網(wǎng)帶來了大量諧波，使微電網(wǎng)的電能質(zhì)量受到嚴(yán)重污染。諧波會(huì)造成微電網(wǎng)并網(wǎng)失敗，引發(fā)串并聯(lián)諧振，干擾通信信號(hào)等問題。

針對(duì)微電網(wǎng)的諧波抑制問題，目前提出的抑制方法大體上分為兩個(gè)方面：①從電路上，基于諧波抑制的原理，補(bǔ)償或者吸收微電網(wǎng)中的各次諧波，主要是裝設(shè)各類濾波裝置，例如LCL無源濾波器、有源濾波器、混合濾波器等；②對(duì)于逆變器的控制，通過改進(jìn)傳統(tǒng)下垂控制的方法來抑制微電網(wǎng)的諧波，例如虛擬阻抗法、下垂控制器法等。

在微電網(wǎng)中運(yùn)用各類濾波裝置來抑制諧波的方法已比較成熟，效果也很明顯。但是，無源濾波器只能濾除特定次數(shù)的諧波，有源濾波器的容量越大，價(jià)格也越高。而在電網(wǎng)中投入新的裝置設(shè)備，也會(huì)增加額外的經(jīng)濟(jì)成本。因此，本文提出利用微電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，在維持系統(tǒng)功率平衡、調(diào)節(jié)頻率的同時(shí)，抑制負(fù)荷側(cè)非線性負(fù)荷注入的諧波電流，減少額外濾波裝置的投入[4]。

微電網(wǎng)存在孤島和并網(wǎng)兩種典型的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)。孤島運(yùn)行時(shí)，電壓和頻率一般由微網(wǎng)內(nèi)部的儲(chǔ)能系統(tǒng)來維持，V/f(電壓/頻率)控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。而并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，由大電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，微電網(wǎng)只需關(guān)注能量和功率的交換[5]。因此本文僅對(duì)并網(wǎng)狀態(tài)下儲(chǔ)能系統(tǒng)參與諧波抑制進(jìn)行研究。

1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行及濾波控制原理

1.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行

圖1為簡單的并網(wǎng)狀態(tài)下微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，由分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)載組成。儲(chǔ)能裝置通過逆變器與微電網(wǎng)連接，通過調(diào)節(jié)變流器調(diào)節(jié)儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓幅值和相角來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與微網(wǎng)之間功率交換[6]。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 濾波控制原理

儲(chǔ)能系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)與有源濾波器相似，都包括直流側(cè)電壓、逆變器等，都是通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電輸送給微電網(wǎng)。區(qū)別僅僅在于儲(chǔ)能系統(tǒng)的直流側(cè)為直流電源，而有源濾波器的直流側(cè)為電容器。因此，可以借鑒有源濾波器的濾波原理，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余容量,通過逆變器輸出與諧波電流大小相等，方向相反的量來補(bǔ)償微電網(wǎng)中非線性負(fù)荷注入的諧波電流，提高電能質(zhì)量。用公式描述為

(1)

式中：ico為補(bǔ)償電流；iLf為負(fù)荷電流基波分量；iLh為負(fù)荷電流諧波分量[7]。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2為儲(chǔ)能系統(tǒng)參與濾波的總體框圖。電網(wǎng)中接有非線性負(fù)荷，向電網(wǎng)中注入了諧波電流。儲(chǔ)能單元通過逆變器與負(fù)荷并聯(lián)接入電網(wǎng)，輸出有功功率和無功功率平抑電網(wǎng)的功率波動(dòng)，并補(bǔ)償負(fù)荷側(cè)輸出的諧波電流。Us為電網(wǎng)電壓，UL與iL分別為負(fù)荷側(cè)的電壓和電流，ic是儲(chǔ)能系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波補(bǔ)償電流，L2為逆變器的濾波電感，濾除ic中含有的高頻開關(guān)諧波分量。

系統(tǒng)檢測電網(wǎng)的電壓電流，并輸入到功率計(jì)算模塊和諧波計(jì)算模塊。將得到的信號(hào)與參考信號(hào)比較，得到三相電流參考信號(hào)，利用脈沖寬度調(diào)制對(duì)逆變器進(jìn)行控制。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的總體框圖

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制策略

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)功率變化引起頻率波動(dòng)時(shí)，一般由微電源根據(jù)有功-頻率(P-f)特性曲線輸出適當(dāng)?shù)挠泄β?。但每個(gè)電源都有允許輸出的功率極限，當(dāng)需要電源輸出的功率大于極限功率時(shí)，就需要儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，維持微電網(wǎng)的功率平衡。圖3為儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制指令形成框圖。

圖3 功率控制指令框圖

圖中，ULa，ULb，ULc為儲(chǔ)能裝置逆變器并聯(lián)接入點(diǎn)的三相負(fù)荷電壓，ω為接入點(diǎn)角頻率。Cdq為Park變換矩陣，即：

(2)

式中：Preq和Qreq分別為電網(wǎng)實(shí)際需要得到的功率；Pmax和Qmax為允許微電源輸出的最大有功功率和無功功率，經(jīng)過式(3)計(jì)算可得到需要儲(chǔ)能輸出的有功和無功功率，從而得到輸出功率的電流參考值idr和iqr，再經(jīng)過Park逆變換得到abc坐標(biāo)系下逆變器輸出相應(yīng)的電流指令信號(hào)iar,ibr和icr。

(3)

同時(shí)，由于非線性負(fù)荷的投入，電網(wǎng)中存在諧波電流，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行諧波抑制。其儲(chǔ)能抑制諧波的指令形成框圖如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能抑制諧波指令框圖

圖4中，iLa，iLb，iLc為負(fù)荷側(cè)的三相電流，其中含有大量諧波分量。通過Park變換，將三相負(fù)荷電流中的基波分量由abc坐標(biāo)系下的交流量變換到dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下從而呈現(xiàn)直流狀態(tài)。LPF為低通濾波器。PLL為鎖相環(huán)，產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓基波同相位的正余弦信號(hào)，同時(shí)消除電網(wǎng)畸變電壓對(duì)檢測結(jié)果的影響。ica，icb，icc即為諧波電流的補(bǔ)償指令信號(hào)。

(4)

將兩種信號(hào)指令綜合，即得到微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合控制信號(hào)框圖，如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)綜合控制信號(hào)框圖

值得注意的是，沒有考慮儲(chǔ)能裝置自身的運(yùn)行特性和約束條件，比如電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)，實(shí)際運(yùn)行中，儲(chǔ)能系統(tǒng)可能發(fā)生功率輸出超限的現(xiàn)象。一方面可能會(huì)影響儲(chǔ)能裝置功率調(diào)節(jié)和諧波抑制的效果，另一方面也會(huì)影響儲(chǔ)能裝置的使用壽命[8]。所以，需要通過判斷儲(chǔ)能裝置的剩余電量，去判斷儲(chǔ)能系統(tǒng)能否同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)和抑制諧波的任務(wù)。數(shù)值上，SOC可定義為電池剩余容量與同條件下總?cè)萘康谋戎怠?/p>

(5)

式中：Qc為電池剩余容量；CI表示電池以恒定電流放電擁有的容量[9]。

一般以SOC為1表示電池已充滿，SOC為0說明電池處于全放電狀態(tài)?？蛇\(yùn)用電量累積法對(duì)SOC進(jìn)行估算，通過累計(jì)電池在充電或放電時(shí)的電量來估算電池SOC，并根據(jù)電池的溫度和放電率對(duì)SOC進(jìn)行補(bǔ)償[10]。

(6)

式中：SOC0為初始荷電狀態(tài)；CI為電池額定容量；I為充放電電流；η為充放電效率。

4 綜合控制策略的Matlab仿真分析

利用Matlab/Simulink對(duì)微電網(wǎng)中綜合控制策略下的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真系統(tǒng)電路如圖2所示。孤島運(yùn)行時(shí)，光伏、風(fēng)能等微電源由于自身發(fā)電量不穩(wěn)定，所以一般采用PQ控制，從而最大限度地提高能源利用率。而對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用V/f控制，維持系統(tǒng)的電壓和頻率。因此微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行時(shí)不采用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行濾波，只在微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的背景下進(jìn)行仿真分析。表1為仿真參數(shù)的設(shè)定。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

仿真過程中控制儲(chǔ)能裝置在1 s時(shí)投入運(yùn)行。系統(tǒng)電壓、電流變化波形如圖6所示。

圖6 電壓電流波形補(bǔ)償前后仿真圖

從圖6可以看出，1 s前系統(tǒng)電流波形畸變嚴(yán)重，電壓也存在一定程度畸變。在1 s時(shí)控制儲(chǔ)能裝置投入工作。參與濾波后，能夠很快跟蹤電流變化，補(bǔ)償諧波電流。電流在1.02 s后已基本變?yōu)檎也?，說明儲(chǔ)能裝置諧波抑制效果很好。

圖7為諧波電流補(bǔ)償前后的頻譜分析，從圖中可以看出：補(bǔ)償前，電網(wǎng)電流的諧波總畸變率THD(total harmonic distortion)值為26.3%，畸變程度比較大。由儲(chǔ)能裝置參與補(bǔ)償后，電流THD值降到1.98%，電流質(zhì)量得到了明顯改善。

圖7 諧波電流補(bǔ)償前后頻譜分析

圖8為儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)前后系統(tǒng)頻率變化。

從圖8可以看出，調(diào)節(jié)前由于系統(tǒng)功率不平衡導(dǎo)致微電網(wǎng)的頻率跌落。控制儲(chǔ)能系統(tǒng)在1 s時(shí)參與功率調(diào)節(jié)，從而將微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定在50.02 Hz左右。由仿真驗(yàn)證得到，儲(chǔ)能系統(tǒng)在調(diào)節(jié)微電網(wǎng)頻率，維持電網(wǎng)功率平衡的同時(shí)，也很好抑制了非線性負(fù)荷注入電網(wǎng)的諧波電流，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖8 系統(tǒng)頻率變化圖

5 結(jié)束語

本文提出了可以利用儲(chǔ)能系統(tǒng)參與微電網(wǎng)諧波治理的思路，并給出了儲(chǔ)能系統(tǒng)的一種綜合控制策略。文中從儲(chǔ)能裝置的并網(wǎng)逆變器和有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相似出發(fā)，應(yīng)用調(diào)頻和濾波原理，將2個(gè)控制策略進(jìn)行結(jié)合，并通過Matlab/Simulink進(jìn)行建模仿真分析。仿真結(jié)果表明，在該綜合控制策略下，儲(chǔ)能系統(tǒng)既能維持電網(wǎng)的功率平衡，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，同時(shí)可以有效地抑制非線性負(fù)荷注入的諧波電流，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

另外，本文提出應(yīng)該對(duì)儲(chǔ)能的荷電狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算來判斷實(shí)際中儲(chǔ)能系統(tǒng)能否同時(shí)承擔(dān)調(diào)節(jié)頻率和抑制諧波兩項(xiàng)任務(wù)，為進(jìn)一步研究提供一定參考。

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Application on Microgrid Harmonic Suppression in Energy Storage System

FENG Yao1，YUAN Shun1,2，DONG Henan1,3，ZHANG Jiabin3

(1.School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China;2.National Energy Administration，Beijing 100824，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

Due to a large number of power electronics technology and switching of nonlinear loads, microgrid harmonic problem is getting worse. In order to reduce the cost of specialized filtering equipment, a comprehensive control strategy of microgrid energy storage system is proposed by the characterstic for similarity topological structure of energy storage system and APF. The operating characteristics of the energy storage system and the principle of filter are introduced. Comprehensive control chart of energy storage system by way of power regulating and harmonic suppression principle is presented, this system is modeled and simulated by using Matlab/Simulink. Simulation results show that the energy storage system not only keep power balance, but also compensate harmonic currents and improve electric energy quality.

microgrid; energy storage system;comprehensive control;harmonic suppression; SOC

TM935

A

1004-7913(2017)02-0001-04

2016-12-01)

馮 堯 (1989)，男，碩士在讀，研究方向?yàn)槲㈦娋W(wǎng)電能質(zhì)量。