充放儲(chǔ)一體化站對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的諧波治理

楊敏霞，賈玉健，馮俊淇，解 大

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

以電動(dòng)汽車為代表的新能源技術(shù)為改善全球惡化的環(huán)境以及能源問題提供了新的途徑。電動(dòng)汽車能源供給設(shè)施是電動(dòng)汽車發(fā)展的重要基礎(chǔ)支撐和電動(dòng)汽車商業(yè)化過程中的重要環(huán)節(jié)，其主要有以下三種類型:充電樁、充電站以及電池更換站[1～6]。

電動(dòng)汽車及其充電站對(duì)電網(wǎng)的影響主要可以從兩方面考慮:一方面電動(dòng)汽車作為電網(wǎng)負(fù)荷接入電網(wǎng);另一方面電動(dòng)汽車可作為儲(chǔ)能點(diǎn)向電網(wǎng)送電。這些都將改變電網(wǎng)的負(fù)荷特性，可能帶來不可預(yù)估的影響[7～9]，倘若進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，又可帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

有關(guān)電動(dòng)汽車充電站對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，國內(nèi)外已經(jīng)開展了一系列的研究。California Energy Commission發(fā)表的一篇關(guān)于能源的報(bào)告中指出，在充電周期中，電池充電站給電網(wǎng)帶來高達(dá)2.36%～28%的總諧波失真 (Total Harmonic Distortion，THD)[10，11]。另一方面，由于電網(wǎng)電力電子設(shè)備用戶增多，諧波污染也日益嚴(yán)重，諧波治理技術(shù)成為提高電網(wǎng)電能質(zhì)量的關(guān)鍵[12，13]。

電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化電站的研發(fā)有利于解決這些問題，一體化電站將充電站、更換站與儲(chǔ)能站的功能融合進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，通過合理設(shè)計(jì)調(diào)度，最大幅度地降低電動(dòng)汽車充電對(duì)電網(wǎng)的不利，并且充分開發(fā)利用一體化站的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，在保障電動(dòng)汽車供能需求的基礎(chǔ)上，改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。因其環(huán)保、安全、經(jīng)濟(jì)、高效等優(yōu)點(diǎn)，一體化電站將成為未來電動(dòng)汽車充電站的重要發(fā)展趨勢(shì)。

本文主要研究一體化站對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的諧波治理效果，并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

1 充放儲(chǔ)一體化站

充放儲(chǔ)一體化站主要由三部分組成，分別為調(diào)度中心、多用途變流裝置、電池系統(tǒng)，其中，調(diào)度中心是一體化站的控制中心;多用途變流裝置實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)與電網(wǎng)的能量雙向流動(dòng);電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩方面的功能，一為電動(dòng)汽車供給電能，二為對(duì)退役電池再開發(fā)實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能并為電網(wǎng)提供電能支持。

為了實(shí)現(xiàn)一體化站對(duì)電網(wǎng)的輔助功能，關(guān)鍵是多用途變流裝置的設(shè)計(jì)與控制。變流裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用PWM整流逆變雙向變流器以及Buck/Boost雙向直流斬波器，兩者均可實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng):一方面，根據(jù)電池的充電方案，通過變流裝置將電網(wǎng)能量以合適的充電電壓輸送至電池系統(tǒng);另一方面，當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)有需求時(shí)，可將電池系統(tǒng)的儲(chǔ)能通過變流裝置以合適的并網(wǎng)電壓電流向電網(wǎng)輸送，協(xié)助改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 多用途變流裝置的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multi－function converter

下文將分析一體化站對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)提供諧波治理服務(wù)的可行性，研究其治理方案并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

2 配電網(wǎng)的諧波治理

2.1 配電網(wǎng)的諧波來源及危害

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著大量電力電子設(shè)備的投入，電網(wǎng)諧波污染日趨嚴(yán)重，諧波治理問題突出。

在配電網(wǎng)中，大量的電力電子裝置的廣泛應(yīng)用造成了較為嚴(yán)重的諧波源。例如整流器、逆變器、調(diào)壓器和變頻裝置等，這些電力電子裝置廣泛地應(yīng)用于電機(jī)控制、UPS設(shè)備、各種充電設(shè)備等。

諧波污染已成為影響電能質(zhì)量的一大因素，其危害主要有如下幾個(gè)方面:增加設(shè)備損耗，引起溫升導(dǎo)致壽命縮短甚至引發(fā)故障，如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、輸電線路、變壓器等;造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置拒動(dòng)或者誤動(dòng);使電力電容器發(fā)生諧振，造成電容器故障損壞等[14]。

2.2 配電網(wǎng)的諧波治理

對(duì)于配電網(wǎng)的諧波治理，可以從以下幾方面考慮[15]:

(1)在受端采取治理措施，減輕或者消除諧波對(duì)設(shè)備的影響。

(2)在諧波源采取治理措施，改善諧波源特性，減少諧波的產(chǎn)生。

(3)在傳輸過程中采取治理措施，通過補(bǔ)償和濾波的方式補(bǔ)償和濾除電網(wǎng)諧波，譬如無源濾波器和有源濾波器。

分析評(píng)價(jià)：探究和說理通常從多個(gè)角度設(shè)置問題以考查學(xué)生的綜合能力，是學(xué)生懼怕的內(nèi)容，也是教學(xué)的難點(diǎn)。案例中，學(xué)生按照教師的要求重抄了一遍正確答案，但還是容易出錯(cuò)，或者根本就沒有學(xué)會(huì)這種題的解法。究其原因是訂正只停留在“改文字”上，沒有真正理解科學(xué)本質(zhì)之間的邏輯關(guān)系。

其中，采用有源濾波器技術(shù)治理配電網(wǎng)諧波污染控制靈活主動(dòng)，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)諧波治理的未來發(fā)展趨勢(shì)。

本文研究的一體化電站具備有源控制裝置的特性，在實(shí)現(xiàn)其為電動(dòng)汽車供能的基本功能外，還可主動(dòng)為電網(wǎng)提供諧波補(bǔ)償，下文將具體闡述其治理方案并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)證。

3 一體化電站對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)的諧波治理

3.1 一體化電站實(shí)現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)諧波治理功能的可行性

采用一體化站可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)諧波的治理，其基本原理如圖2所示。

圖2 諧波補(bǔ)償原理圖Fig.2 Control algorithm of harmonic compensation

圖2中，諧波源一般由非線性負(fù)載產(chǎn)生，如電力電子裝置等，產(chǎn)生諧波電流Ih，為了治理該諧波源，一體化站通過實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)荷支路的電流，通過諧波算法計(jì)算出諧波成分，然后轉(zhuǎn)變?yōu)橐惑w化站變流器的PWM控制信號(hào)，控制變流器輸出等幅反向的補(bǔ)償電流。實(shí)現(xiàn)一體化站對(duì)電網(wǎng)諧波的主動(dòng)治理。

一體化站在治理電網(wǎng)諧波的功能上相當(dāng)于帶儲(chǔ)能裝置的有源濾波器，從電網(wǎng)的角度上看可視為接入一個(gè)無損裝置，一體化站變流裝置的損耗由電池儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。

整個(gè)治理過程可分為以下幾個(gè)部分:諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制模塊、變流裝置，如圖3所示。

圖3 諧波治理功能結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of harmonic treatment device

諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)和控制模塊是整個(gè)補(bǔ)償裝關(guān)鍵，通過諧波檢測(cè)環(huán)節(jié)得到諧波電流信號(hào)，生成參考電流信號(hào)，與變流器實(shí)際產(chǎn)生的補(bǔ)償電流ic作比較，將其偏差作為滯環(huán)比較的輸入，通過滯環(huán)比較環(huán)節(jié)產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，控制變流器電路的IGBT開斷，控制變流器向電網(wǎng)注入的電流ic，從而實(shí)現(xiàn)注入的補(bǔ)償電流能迅速準(zhǔn)確跟蹤參考電流，達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)目刂颇繕?biāo)，如圖4所示。

圖4 諧波補(bǔ)償控制算法Fig.4 Control algorithm of harmonic compensation

3.2 變流裝置的控制策略實(shí)現(xiàn)

圖5 變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.5 Topological structure of converter

該結(jié)構(gòu)的DC/DC環(huán)節(jié)為Buck/Boost電路，主要作用是進(jìn)行升、降壓變換，從而避免交流變壓器的使用，得到合適的蓄電池充放電電壓。蓄電池充電時(shí)，PWM變換器工作在整流狀態(tài)，將電網(wǎng)側(cè)交流電壓整流為直流電壓，該電壓經(jīng)雙向DC/DC變換器降壓得到蓄電池充電電壓;放電時(shí)，PWM變換器工作在逆變狀態(tài)，雙向DC/DC變換器升壓向逆變器提供直流側(cè)輸入側(cè)電壓，經(jīng)逆變器輸出合適的交流電壓。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、便于控制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多串并聯(lián)的電池模塊的充放電管理，使得蓄電池的容量配置更加靈活。

在可逆PWM變流器的控制上，采用雙閉環(huán)滯環(huán)電流控制，電壓外環(huán)取直流側(cè)電壓為反饋，采用PI調(diào)節(jié)，目的是穩(wěn)定直流側(cè)電壓;電流內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)以及滯環(huán)跟蹤控制，靈活跟蹤控制網(wǎng)側(cè)電流[10]。

為了實(shí)現(xiàn)諧波治理功能，需要對(duì)多用途變流裝置進(jìn)行控制:變流器接入電網(wǎng)相當(dāng)于一個(gè)可控電流源并入電網(wǎng)，通過諧波電流檢測(cè)電路獲取區(qū)域配電網(wǎng)的諧波電流，經(jīng)運(yùn)算電路計(jì)算得到指令電流并生成PWM變流器的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)PWM電路產(chǎn)生實(shí)際補(bǔ)償電流。整體控制框圖如圖6所示。

圖6 變流器控制算法實(shí)現(xiàn)框圖Fig.6 Control algorithm of converter

3.3 檢測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)

在電流檢測(cè)算法的設(shè)計(jì)上，利用瞬時(shí)無功功率理論[18，19]，將 abc三相系統(tǒng)電壓、電流轉(zhuǎn)換成αβ0坐標(biāo)系或dq0坐標(biāo)系上的矢量，將電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時(shí)無功功率，然后將這些功率進(jìn)行逆變換得到三相補(bǔ)償電流。相對(duì)于傳統(tǒng)功率理論，瞬時(shí)無功功率避開了平均值的環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了無功和諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)，對(duì)于三相平衡系統(tǒng)的瞬變電流檢測(cè)具有較好的實(shí)時(shí)性，有利于系統(tǒng)的快速控制，獲得更好的補(bǔ)償效果。采用p－q法檢測(cè)無功電流以及諧波電流的算法框圖如圖7所示。

圖7 p－q法檢測(cè)無功電流以及諧波電流的算法框圖Fig.7 Algorithm implementation by p －q detection method

算法分析:

式 (1)為三相系統(tǒng)電壓，將其abc/αβ變換，得到:

同理，三相負(fù)載電流也進(jìn)行abc/αβ變換，得到iα，iβ。再通過αβ/pq系數(shù)計(jì)算有功無功分量，如式(3):

再通過低通濾波器得到直流分量p，q，若電壓波形沒有畸變，則由基波up，ip產(chǎn)生，q由基波uq，iq產(chǎn)生?；娏鞣至客ㄟ^反變換pq/αβ，αβ/abc得到，如式 (4)所示:

將 ia，ib，ic與 iaf，ibf，icf相減可得到諧波電流分量。

以上檢測(cè)算法具有實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于硬件的要求也比較高，需要大量的坐標(biāo)變換以及高精度的鎖相環(huán)。

利用一體化電站進(jìn)行諧波治理充分開發(fā)了一體化電站的功能，并且具有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì):變流裝置采用PWM控制，響應(yīng)速度快，補(bǔ)償效果好(可動(dòng)態(tài)抑制諧波)，并且控制靈活。下文將對(duì)一體化電站進(jìn)行建模并通過仿真研究其諧波治理效果。

3.4 一體化電站對(duì)區(qū)域配電網(wǎng)諧波治理效果仿真

根據(jù)圖6的控制策略，在EMTP中建立仿真模型，變流裝置直流側(cè)穩(wěn)壓電容取100 mF，交流側(cè)濾波電感值為0.6 mH，變流裝置接入線電壓380 V的低壓配電網(wǎng)，接入點(diǎn)諧波源采用三相不控整流電路，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 諧波治理仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results for harmonic compensation

在EMTP仿真中，負(fù)荷支路由于存在三相不控整流電路，產(chǎn)生較大的5次、7次、11次諧波，電流發(fā)生畸變，如圖7(a)所示，各次諧波電流幅值如圖7(d)所示。為了治理該諧波，通過諧波檢測(cè)裝置檢測(cè)諧波電流分量，根據(jù)檢測(cè)到的諧波電流分量進(jìn)行處理計(jì)算得到補(bǔ)償參考電流，根據(jù)參考電流以及目標(biāo)補(bǔ)償?shù)牟钪?，通過滯環(huán)比較環(huán)節(jié)進(jìn)行電流跟蹤，輸出PWM波控制變流裝置的IGBT通斷，控制一體化站向電網(wǎng)注入等幅反向的諧波電流，抵消諧波源對(duì)電網(wǎng)的諧波電流污染，實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流如圖7(b)所示，補(bǔ)償后系統(tǒng)電流如圖7(c)所示，可見補(bǔ)償效果較理想，補(bǔ)償后各次諧波電流幅值如圖7(e)所示，諧波源產(chǎn)生的5次、7次、11次諧波基本抑制。圖7(f)為系統(tǒng)電流、含諧波源支路電流以及一體化站接入點(diǎn)電壓的波形，由于系統(tǒng)電流已經(jīng)得到諧波補(bǔ)償，接入點(diǎn)電壓波形呈正弦波，但電流存在毛刺，所以經(jīng)過阻抗壓降后的電壓波形并不光滑，這也在允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

本文提出的利用電動(dòng)汽車充放儲(chǔ)一體化站實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)諧波治理具備響應(yīng)速度快、補(bǔ)償效果好(可動(dòng)態(tài)抑制諧波)并且控制靈活等優(yōu)勢(shì)。

多用途變流裝置采用雙閉環(huán)滯環(huán)比較控制策略，外環(huán)為電壓環(huán)可實(shí)現(xiàn)直流側(cè)的穩(wěn)壓，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)可實(shí)現(xiàn)輸出電流的靈活控制;采用電流型滯環(huán)比較跟蹤方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的跟蹤控制，達(dá)到對(duì)諧波電流的快速精確補(bǔ)償。EMTP仿真結(jié)果驗(yàn)證，該控制策略能檢測(cè)諧波電流并進(jìn)行精確補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)一體化站迅速有效地治理電網(wǎng)諧波。

一體化站不僅消除了以往單一的充電機(jī)對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，而且通過統(tǒng)一設(shè)計(jì)，具備對(duì)接入點(diǎn)電網(wǎng)的諧波治理功能，提高了一體化站的增值效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。