李圣清， 張彬， 栗偉周， 李永安

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007;2.南京鈦能電氣有限公司，江蘇南京211800)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可再生能源得到越來越多的開發(fā)和應(yīng)用，導(dǎo)致低壓配網(wǎng)中出現(xiàn)大量的分布式發(fā)電裝置及并網(wǎng)的電力電子設(shè)備［1-6］，加之原有低壓配網(wǎng)中存在大量的電力電子器件和非線性負(fù)載，給配網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題［7-8］。同時(shí)，配網(wǎng)的容量一般較小，上一級電網(wǎng)的諧波向低壓電網(wǎng)的滲透也相對比較嚴(yán)重。這就導(dǎo)致微網(wǎng)高滲透率下的低壓配網(wǎng)諧波問題比普通配網(wǎng)更為嚴(yán)重［9-10］。

盡管分布式電源給系統(tǒng)帶來了許多不確定性，例如其波動(dòng)可能造成系統(tǒng)電壓閃變以及引進(jìn)大量諧波等，使電能質(zhì)量一些方面進(jìn)一步惡化，但其也存在改善電能質(zhì)量的潛力。因?yàn)楝F(xiàn)有改善電能質(zhì)量的技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)上的，而分布式發(fā)電也正是建立在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，這樣新型電力系統(tǒng)使得利用自身的電力電子轉(zhuǎn)換器成為可能，利用現(xiàn)有電力電子設(shè)備吸收或釋放有功、無功，從而不僅實(shí)現(xiàn)電能的傳輸轉(zhuǎn)換，而且改善了系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少系統(tǒng)的額外投資。文獻(xiàn)［11］建立了多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型，利用加權(quán)電流反饋方法設(shè)計(jì)了其并網(wǎng)電流跟蹤控制器，基于輸出濾波器中阻尼電阻功耗與阻尼比之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)了阻尼電阻。給出了一種包含并網(wǎng)功率跟蹤和電能質(zhì)量補(bǔ)償兩部分的指令電流生成算法。但是，該指令電流生成算法比較復(fù)雜。文獻(xiàn)［12］運(yùn)用光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器的統(tǒng)一控制思想，利用二者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性對系統(tǒng)功能進(jìn)行了進(jìn)一步拓展，提出光伏發(fā)電與有源濾波器的統(tǒng)一控制模型，該裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電、無功補(bǔ)償和諧波電流抑制，且能夠?qū)崿F(xiàn)后備式UPS功能，即在供電系統(tǒng)停電時(shí)可以緊急對重要負(fù)載供電，確保重要用戶不受系統(tǒng)斷電的影響。

本文詳細(xì)分析了分布式電源對原有配網(wǎng)電壓、電流電能質(zhì)量的作用機(jī)理，提出了含微網(wǎng)的配網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，使其發(fā)揮該環(huán)境下既能并網(wǎng)發(fā)電又能治理諧波和無功的功能，提高工作效率并降低投資成本。

1 分布式電源對配網(wǎng)電能質(zhì)量的影響機(jī)理

1.1 分布式電源對配電網(wǎng)電壓的影響機(jī)理

分布式電源的突變性、間歇性及隨機(jī)性對配電網(wǎng)其他用戶的供電電壓造成沖擊，使得配電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)、閃變等重大電壓質(zhì)量問題。分布式電源對其并入點(diǎn)的沖擊是最大的，因此研究對DG并入點(diǎn)的電壓影響最具代表性。

帶有分布式電源的配電網(wǎng)在DG接入點(diǎn)的等效電路如圖1所示。

當(dāng)分布式電源注入系統(tǒng)功率改變時(shí)，會使線路上的電流產(chǎn)生變化。由圖1所示等效電路，可估算分布式電源發(fā)電量波動(dòng)時(shí)，在DG接入點(diǎn)上的電壓變化值為

又有

代入式(1)，得

式中:ΔSn為分布式電源的注入功率變化;Sk為DG接入點(diǎn)處短路容量;Zs=(Rs+jXs)為電網(wǎng)等效阻抗;ΔI為線路電流變化量;α為從DG接入點(diǎn)看入的電網(wǎng)阻抗角;β為分布式電源功率因數(shù)角;u為DG接入點(diǎn)電壓。

圖1 分布式電源并網(wǎng)等效電路Fig.1 The gridconnected equivalent circuit of distributed generation

同一線路兩端的相位移不計(jì)時(shí)，可忽略垂直分量，則

式中，K表示分布式電源對系統(tǒng)電壓的沖擊程度。

由式(5)可得，分布式電源對系統(tǒng)供電電壓的沖擊與注入功率的變化、并入系統(tǒng)的短路容量及分布式電源的功率因數(shù)有關(guān)，這些因素是引起配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、閃變等重大電壓質(zhì)量問題的主要原因。

1.2 對配電網(wǎng)電流質(zhì)量的影響機(jī)理

隨著微網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，必將使原有低壓配網(wǎng)中出現(xiàn)小型燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池以及太陽能、風(fēng)能等分布式電源發(fā)電裝置，這些分布式電源輸出的能量通常是由電力電子器件構(gòu)成的并網(wǎng)逆變器向配網(wǎng)輸送，必將會帶來諧波污染。當(dāng)微網(wǎng)在配網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率增加，配網(wǎng)內(nèi)分布式電源規(guī)模足夠大時(shí)，多個(gè)諧波源疊加造成的諧波含量會嚴(yán)重影響配網(wǎng)電能質(zhì)量，不僅如此，多個(gè)諧振源還會在系統(tǒng)內(nèi)激發(fā)高次諧波的功率諧振，以及配網(wǎng)中原有用電設(shè)備中的非線性用電設(shè)備數(shù)量和比重迅速增大，必將導(dǎo)致配網(wǎng)電流諧波畸變率的進(jìn)一步惡化，威脅配網(wǎng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行。

2 含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

分布式電源并網(wǎng)逆變電路結(jié)構(gòu)與配網(wǎng)常規(guī)有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置一致，都具有逆變器，因而可用一套設(shè)備實(shí)現(xiàn)多種功能。本文設(shè)計(jì)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的單相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The system structure diagram

主要由檢測電路、控制電路、逆變電路、無源濾波器和儲能單元等構(gòu)成，由圖2可知:

1)與分布式電源并網(wǎng)發(fā)電裝置相比，該裝置僅增加了諧波、無功電流檢測環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)治理配網(wǎng)系統(tǒng)諧波。當(dāng)該裝置并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，可控制逆變器輸出與電網(wǎng)同頻同相的有功基波電流。而且分布式電源可與并網(wǎng)逆變器直接相連而不再需要升壓變換電路，從而提高了分布式電源并網(wǎng)發(fā)電的效率。

另外，電網(wǎng)基波電壓均施加在并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電力電容器上，最大限度地降低逆變器的容量，同時(shí)PPF組裝設(shè)在負(fù)載側(cè)實(shí)現(xiàn)就地補(bǔ)償，APF中直流側(cè)電壓遠(yuǎn)低于電網(wǎng)基波電壓，改善了因負(fù)載諧波電流注入引起的配網(wǎng)公共連接點(diǎn)處電能質(zhì)量問題，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

2)與常規(guī)有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置相比僅增加了一個(gè)DG單元，既結(jié)構(gòu)簡單，又具有電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的諸多優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)需要該裝置發(fā)揮電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的作用時(shí)，只要控制逆變器中的諧波與無功指令電流即可。并且當(dāng)并網(wǎng)逆變器因故障而不得己旁路后，無源濾波器仍可起到一定的諧波抑制及無功補(bǔ)償作用。

2.2 復(fù)合指令電流的合成運(yùn)算

諧波與無功電流的檢測是分布式電源并網(wǎng)逆變器發(fā)揮電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器功能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的p-q檢測方法有著廣泛的應(yīng)用，但這種方法僅僅適用于三相電壓波形無畸變的平衡系統(tǒng)，當(dāng)電壓波形有畸變時(shí)，檢測精度將得不到保證。由前面的分析可知，大量的分布式電源并網(wǎng)出力的改變將導(dǎo)致原有配網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)與畸變，p-q諧波檢測方法將不再適用。鑒相原理諧波電流檢測法是基于通訊技術(shù)中的相位鑒別方法，其特點(diǎn)是各相獨(dú)立進(jìn)行檢測，沒有三相帶來的誤差，因而在三相電網(wǎng)電壓波動(dòng)或畸變時(shí)都能準(zhǔn)確檢測諧波電流。在此種方法中，采用與配網(wǎng)母線電壓同頻的單位余弦、正弦信號分別與電網(wǎng)電流直接相乘，并經(jīng)低通濾波器后得到電網(wǎng)電流中的瞬時(shí)基波有功及無功電流，進(jìn)而得到瞬時(shí)諧波電流。另外，傳統(tǒng)基于鑒相原理的諧波電流檢測法是開環(huán)系統(tǒng)，其檢測精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能很大程度上取決于低通濾波器參數(shù)的設(shè)計(jì)，截止頻率和階數(shù)的設(shè)計(jì)比較困難。而且系統(tǒng)穩(wěn)定性能低，魯棒性差，易受系統(tǒng)其他參數(shù)的影響。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)性能，本文在檢測鑒相支路增加比例積分調(diào)節(jié)器，考慮到一個(gè)n階低通濾波器與積分單元通過閉環(huán)形式可以構(gòu)造n+1階低通濾波器，將開環(huán)電路模型設(shè)置成閉環(huán)電路來改善其魯棒性，采用積分環(huán)節(jié)來代替低通濾波器，降低設(shè)計(jì)的難度。復(fù)合指令電流的合成如圖3所示。

圖3 復(fù)合指令電流的合成運(yùn)算Fig.3 The synthesis operation of complex instruction current

一套裝置實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和治理電能質(zhì)量等多種功能，勢必大大降低裝置成本，并提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、工作效率和動(dòng)態(tài)性能。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真

圖4為建立的含微網(wǎng)的配網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置整體Matlab仿真模型。配網(wǎng)系統(tǒng)電壓380 V/50 Hz，分布式電源輸出機(jī)口電壓等效為800 V;開關(guān)頻率為10 kHz;負(fù)載為不可控整流阻感性負(fù)載，負(fù)載電阻R=20 Ω，L=25 mH;調(diào)節(jié)裝置交流輸出側(cè)參數(shù)為 L=5 mH，C=105.2 μF。

圖4 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置整體仿真模型Fig.4 The whole simulation model of unified power quality conditioner

仿真過程中該裝置未投入運(yùn)行時(shí)配網(wǎng)電源系統(tǒng)側(cè)電流、電壓波形如圖5所示。從圖中可以明顯的看出此時(shí)系統(tǒng)電流波形畸變嚴(yán)重，與常規(guī)正弦電流波形相比相差甚遠(yuǎn)，電流總畸變率高達(dá)24.09%，嚴(yán)重不符合國家相關(guān)諧波畸變率要求(5%)，而且電流和電壓在相位上存在一定的相位誤差，這是由于負(fù)載需要吸收一定的無功功率導(dǎo)致的。

該裝置投入運(yùn)行后系統(tǒng)的電流、電壓波形如圖6所示，此時(shí)控制該裝置的指令電流中并未加入并網(wǎng)發(fā)電有功電流，負(fù)載所需有功電能全部來源于配網(wǎng)電源，由波形可以看出，該裝置此時(shí)較好的發(fā)揮了原有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的功能，電流波形有了較大的改善，且電流與電壓之間存在的相位差較之前已有明顯的縮小，電流總畸變率減小到3.45%，符合國家相關(guān)諧波畸變率要求。

圖6 該裝置投入后系統(tǒng)電流電壓波形Fig.6 The system voltage and current waveform after the device is put into operation

該裝置投入運(yùn)行且復(fù)合指令電流中加入10 A有功電流指令時(shí)的系統(tǒng)電流、電壓波形如圖7所示，配網(wǎng)電源系統(tǒng)側(cè)電流幅值有所減小，此時(shí)電流畸變率為3.58%，表明該裝置在發(fā)揮原有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置功能的基礎(chǔ)上，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，此時(shí)電流與電壓同頻同相，配網(wǎng)電源和并網(wǎng)的分布式電源共同提供負(fù)載所需的功率。

圖7 系統(tǒng)電流、電壓波形Fig.7 The system current and voltage waveform

3.2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)方案的可行性，進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)控制芯片選擇TI公司的定點(diǎn)32位TMS320F2812。主要包括電能質(zhì)量治理實(shí)驗(yàn)、并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量治理實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面。

1)電能質(zhì)量治理實(shí)驗(yàn)

該電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置未投入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，實(shí)測的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源側(cè)電流、電壓波形如圖8所示，圖中上半圖為電壓波形(400 V/div)，下半圖為電流波形(20 A/div)。

由圖8可知，系統(tǒng)電源側(cè)電流與電壓波形同頻同向，電流總諧波畸變率(THD)高達(dá)24.9%，電流畸變較為嚴(yán)重，嚴(yán)重超過國標(biāo)。

當(dāng)該裝置投入系統(tǒng)運(yùn)行后，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電源側(cè)電流、電壓波形如圖 9所示，上半圖為電壓波形(400 V/div)，下半圖為電流波形(20 A/div)。

圖8 該裝置未投入運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)電流電壓波形Fig.8 The system voltage and current waveform of the device is not put into operation

由圖9可知，該裝置投入運(yùn)行穩(wěn)定后可較好發(fā)揮電能質(zhì)量治理功能，電流波形接近于正弦波。同樣采用電能質(zhì)量分析儀對電流進(jìn)行畸變率分析可知，此時(shí)的電流總諧波畸變率大小為4.51%，較前面已有明顯的改善效果。

圖9 該裝置投入后系統(tǒng)電流電壓波形Fig.9 The system voltage and current waveform after the device is put into operation

2)電能質(zhì)量治理與并網(wǎng)發(fā)電實(shí)驗(yàn)

該裝置同時(shí)發(fā)揮電能質(zhì)量治理功能與并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電流電壓波形如圖10所示，上半圖為電壓波形(400 V/div)，下半圖為電流波形(20 A/div)。

圖10 系統(tǒng)電流、電壓波形Fig.10 The system current and voltage waveform

從圖10中可以看出此時(shí)裝置運(yùn)行以后系統(tǒng)電流波形趨于正弦波且電流的畸變率值為4.37%，能夠滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明此時(shí)該裝置依然可以較好的發(fā)揮原有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的諧波治理及無功補(bǔ)償功能。

由圖9與圖10對比可以明顯看出此時(shí)電流波形方向正好相反，表明此時(shí)系統(tǒng)電源側(cè)的電流是由負(fù)載及此裝置側(cè)流向電源側(cè)的，表明該裝置向電網(wǎng)輸送了有功能量，其大小不但可以滿足負(fù)載的有功需求，還可以將多余的有功輸送到電網(wǎng)電源側(cè)。此時(shí)該裝置不但發(fā)揮了無功補(bǔ)償及諧波治理裝置的功能，還同時(shí)向電網(wǎng)電源側(cè)和負(fù)載提供有功電能，實(shí)現(xiàn)了分布式電源的并網(wǎng)發(fā)電功能。系統(tǒng)電流畸變率不僅滿足國家公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)還達(dá)到了微電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)發(fā)電畸變率標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語

本文針對微網(wǎng)背景下的配網(wǎng)電能質(zhì)量治理問題展開了研究，分析了分布式電源對原有配網(wǎng)電壓、電流電能質(zhì)量的作用機(jī)理，提出了一種含微網(wǎng)的配網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量綜合治理的多種功能。

［1］ 季陽，艾芊，解大.分布式發(fā)電技術(shù)與智能電網(wǎng)技術(shù)的協(xié)同發(fā)展趨勢［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(12)，15-23.

JI Yang，AI Qian，XIE Da.Research on co-developmental trend of distributed generation and smart grid［J］.Power System Technology，2010，34(12):15-23.

［2］ 康龍?jiān)?，郭紅霞，吳捷，等.分布式電源及其接入電力系統(tǒng)時(shí)若干研究課題綜述［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(11):43-47.

KANG Longyu，GUO Hongxia，WU Jie，et al.Characteristics of distributed generation system and related research issues caused by connecting it to power system［J］.Power System Technology，2010，34(11):43-47.

［3］ BARTOSZ Wojszczyk，OMAR Al-Juburi，王靖.分布式發(fā)電的高覆蓋率對電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的影響分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33(15):37-46.

WOJSZCZYK Bartosz，OMAR Al-Juburi，WANG Joy.Impact of high penetration of distributed generation on system design and operations［J］.Power System Technology，2009，33(15):37-46.

［4］ 張麗，徐玉琴，王增平，等.包含同步發(fā)電機(jī)及電壓源逆變器接口的微網(wǎng)控制策略［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35(3):170-176.

ZHANG Li，XU Yuqin，WANG Zengping，et al.Control scheme of micro grid fed by synchronous generator and voltage source inverter［J］.Power System Technology，2011，35(3):170-176.

［5］ 巫付專，萬健如，沈虹.不同補(bǔ)償策略下 UPQC主電路參數(shù)確定方法.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010，14(6):71-76.

WU Fuzhuan，WAN Jianru，SHEN Hong.Parameters determination of UPQC based on different compensation strategies［J］.Electric Machines and Control，2010，14(6):71-76.

［6］ 王斯然，呂征宇.LCL型并網(wǎng)逆變器中重復(fù)控制方法研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(27):69-75.

WANG Siran，Lü Zhengyu.Research on repetitive control method applied to grid-connected inverter with LCL filter［J］.Proceedings of the CSEE，2010，30(27):69-75.

［7］ 韋鋼，吳偉力，胡丹云，等.分布式電源及其并網(wǎng)時(shí)對電網(wǎng)的影響.高電壓技術(shù)，2007，33(1):36-40.

WEI Gang，WU Weili，HU Danyun，et al.Distributed generation and effects of its parallel operation on power system［J］.High Voltage Engineering，2007，33(1):36-40.

［8］ 馮興田，馬文忠，霍群海.基于無功功率流的 UPQC協(xié)調(diào)控制策略.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17(4):1-5.

FENG Xingtian，MA Wenzhong，HUO Qunhai.Coordinated control strategy based on reactive power flow in UPQC［J］.Electric Machines and Control，2013，17(4):1-5.

［9］ 王衛(wèi)安，桂衛(wèi)華，張定華，等.電能質(zhì)量混雜補(bǔ)償控制及其在企業(yè)配網(wǎng)的應(yīng)用［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(5):49-56.

WANG Weian，GUI Weihua，ZHANG Dinghua，et al.Mixed dynamic power quality compensation control and its application on industrial power distribution network［J］.Electric Machines and Control，2011，15(5):49-56.

［10］ 范瑞祥，吳素農(nóng)，孫旻，等.適用于配網(wǎng)沖擊性負(fù)荷補(bǔ)償?shù)逆準(zhǔn)?D-STATCOM［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2011，15(2):48-53.

FAN Ruixiang，WU Sunong，SUN Min，et al.Cascade distribution static synchronous compensator for impulse load compensation in the distribution network［J］.Electric Machines and Control，2011，15(2):48-53.

［11］ 曾正，楊歡，趙榮祥，等.一種多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)浼捌淇刂疲跩］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2013，33(1):55-61.

ZENG Zheng，YANG Huan，ZHAO Rongxiang，et al.Topology and control of multi-functional grid-connected inverter［J］.Electric Power Automation Equipment，2013，33(1):55-61.

［12］ 曾正，趙榮祥，湯勝清，等.可再生能源分散接入用先進(jìn)并網(wǎng)逆變器研究綜述［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(24):1-12.

ZENG Zheng，ZHAO Rongxiang，TANG Shengqing，et al.An overview on advanced grid-connected inverters used for decentralized renewable energy resources［J］.Proceedings of the CSEE，2013，33(24):1-12.