微電網儲能系統與APF組合裝置的研究

電力電子設備的大量應用加劇了對電網的污染，電力系統的無功及諧波問題日益嚴重，傳統的諧波抑制方法已難以滿足現代電力系統的需要。目前，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）在提高電能質量方面得到廣泛的應用。而電池儲能系統（Battery Energy Storage System，BESS）投資相對較小、便于安裝，具有快速功率吞吐和四象限運行的能力，越來越多地應用在微電網中。它可以根據微電網的實時情況吸收多余的能量或者為微電網提供缺額功率，但在實際情況中，其功能并沒有得到充分應用，很多時候會有冗余容量，甚至經常處于閑置狀態，所以將有源電力濾波器和儲能系統結合使用，具有經濟性和很高的實用價值。

本文將儲能系統的輸出功率指令和APF的諧波無功指令合成，對二者進行統一控制，在一種裝置上實現多種功能，既能治理微網諧波，又能調節微網的有功和無功平衡，提高儲能系統的利用率，且成本較低，實現較容易。

儲能系統與APF的運行原理

儲能系統

儲能裝置和電力電子變換器組成儲能系統。儲能裝置和微電網用逆變橋鏈接，可以完成微電網組網和運行模式無縫切換并且使能量可以進行雙向流動。通過調整變流器來控制電池儲能系統，使電壓的幅值和相角得到合適的調整，以便實現儲能系統與微電網系統之間有功、無功的交換。

有源電力濾波器與儲能系統的結合基礎

有源電力濾波器主要抑制諧波和補償無功。儲能系統的功能是吸收或釋放有功電能，維持電網功率動態平衡，從本質上講都為微電網注入電能。對比可知，APF和儲能系統主電路結構及連接電網方式相同，不同的是APF的直流側是電容器，想要補償諧波和無功，要求有很大的系統容量。儲能系統的直流側相當于直流電源，要想為微電網提供電能，需經過大容量的逆變器轉化為三相交流電，因此可以將二者進行組合。

圖1為有源電力濾波與儲能系統相結合后的總體原理框圖。將儲能系統并聯在APF的直流側，然后通過逆變器輸出。將非線性負載的電流和逆變器并聯接入點的電壓送到功率、諧波計算單元，計算出兩者的合成信號，與給定的信號比較，利用比較輸出的指令信號得出補償電流的指令信號，再控制變流器產生補償電流。

傳統的有源電力濾波器直流側用電容器作為儲能元件，在快速跟蹤微電網諧波的同時，易產生開關損耗，而且會從系統中吸收一定有功功率，如此會引起電容器上電壓波動，使有源電力濾波器的直流側出現欠壓或過壓情況，從而影響APF的正常工作，情況危急的時候甚至會對其使用安全造成影響。因此將有源電力濾波與儲能系統相結合，提高了直流側電壓穩定性，增加了APF的安全性且適當減小其容量。同時，儲能系統利用率提高，使其增加治理諧波的功能。

控制策略

指令信號的合成

在微電網中，由于事故或負荷的投切導致微電網功率變化時，各微電源輸出的功率需要合理分配，當需要微電源輸出的有功超過其實際允許的有功功率極限值Pmax時，微電網電壓的頻率偏差將不滿足其正常運行時對電壓頻率的要求，這時電池儲能系統就注入適當的有功功率來穩定微電網頻率。要實現這一功能可以控制圖1逆變器注入主電路的補償電流ic。該補償電流指令信號生成如圖2所示。

采用基于瞬時無功功率的ip-iq檢測法，圖2中PLL是數字鎖相環，用于獲取A相電壓的相位并產生的正、余弦信號。三相負載電流iLa、iLb、iLc經過矩陣變換C32和C可以計算出ip、iq，經低通濾波器得到其直流分量、。

Pref和Qref是需要儲能系統輸出的有功和無功功率， 設Qref=0，Pref為：

（1）

式中，preq是負荷變化時計算得到微電源需要輸出的有功功率，Pmax是實際允許其輸出的有功極限值。在儲能系統需要的功率確定后，可以通過式（2）-（5）得到其對應電流的給定值。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坐標變換到旋轉dq坐標：

（3）

對儲能系統逆變器接入點的電壓UL進行park變換，使Uq和Ud實現解耦，可得：

（4）

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

（5）

這樣就將對逆變器輸出功率的控制轉換為對電流的控制。將idf與檢測到的無功、諧波指令信號直流分量經式（6）-（7）合成。

（6）

（7）

式中：

C23、C-1為坐標變換矩陣，與C32、C互為逆矩陣，w為角頻率。

由式（7）可知，前一部分是負載的諧波和無功電流分量，后一部分是控制儲能系統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注入電網便可補償無功和諧波，并且使儲能系統輸出所需功率，實現組合裝置的功能。

組合裝置的控制策略

本文將有源電力濾波器與儲能系統相結合，采用三相橋式變流電路，而變流器根據直流側電源性質的不同可分為兩種：直流側是電壓源的稱為電壓源型變流電路;直流側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。控制單元是根據補償電流的補償信號和實際補償電流之間的相互關系，使變流器輸出電流跟蹤給定的指令電流，此時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：瞬時值比較方式、滯環控制、三角波控制方式。

本文采用的滯環控制方法是目前應用較廣泛的一種電流跟蹤控制法，硬件電路簡單，電流響應快，它的原理是以檢測模塊計算出的電網諧波電流作為指令值，與實際的補償電流相減，誤差進入滯環控制器與設定環寬相比較，當誤差大小超過環寬值，改變主電路中逆變器開關的通斷，從而達到控制電流的目的。根據此原理，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與變流器實際產生的電流信號進行做差后送入滯環比較環節，最終產生六路通斷的PWM控制信號，控制變流器產生相應的補償電流，達到補償目的。

仿真分析驗證

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

圖3為補償前電源電壓和電流波形圖，圖4為補償后電源電壓和電流波形圖。由圖3可知在非正弦負載作用下，電源電流發生了嚴重的畸變，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可以看出補償后電流波形已基本接近正弦波，電壓和電流波形達到同相位。由圖6知電源諧波含量下降到3.96%，補償后5次、7次和11次以及其他高次諧波有了明顯的減少，達到預期的效果。由圖7可知，投入組合裝置后，0.01s左右功率發生的缺額被補償，并且有功波動減小，基本穩定在2kW，無功功率經過調節也趨近與0，進而平滑微電網的無功和有功。

本文將微電網儲能系統和有源電力濾波器進行組合，分析了兩者的結合基礎，將儲能系統并聯在APF的直流側，不僅有效利用了儲能系統的冗余容量，而且整個裝置使用一套逆變器，節約了投資成本。該組合裝置不僅可以對微電網中存在的諧波進行有效治理，還能有效調節微電網中的功率平衡。最后用Matlab對該組合裝置進行仿真，驗證了結論的合理性和有效性，為微電網中降低諧波治理成本提高儲能系統利用率提供有價值的參考。（作者供職于遼寧工業大學電氣工程學院）