含微網的配網統一電能質量調節裝置

李圣清， 張彬， 栗偉周， 李永安

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

0 引言

隨著電力電子技術的發展，可再生能源得到越來越多的開發和應用，導致低壓配網中出現大量的分布式發電裝置及并網的電力電子設備［1-6］，加之原有低壓配網中存在大量的電力電子器件和非線性負載，給配網帶來了嚴重的電能質量問題［7-8］。同時，配網的容量一般較小，上一級電網的諧波向低壓電網的滲透也相對比較嚴重。這就導致微網高滲透率下的低壓配網諧波問題比普通配網更為嚴重［9-10］。

盡管分布式電源給系統帶來了許多不確定性，例如其波動可能造成系統電壓閃變以及引進大量諧波等，使電能質量一些方面進一步惡化，但其也存在改善電能質量的潛力。因為現有改善電能質量的技術是建立在電力電子技術基礎上的，而分布式發電也正是建立在電力電子技術的基礎上，這樣新型電力系統使得利用自身的電力電子轉換器成為可能，利用現有電力電子設備吸收或釋放有功、無功，從而不僅實現電能的傳輸轉換，而且改善了系統的電能質量，減少系統的額外投資。文獻［11］建立了多功能并網逆變器拓撲的數學模型，利用加權電流反饋方法設計了其并網電流跟蹤控制器，基于輸出濾波器中阻尼電阻功耗與阻尼比之間的關系，設計了阻尼電阻。給出了一種包含并網功率跟蹤和電能質量補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雜。文獻［12］運用光伏并網發電與有源電力濾波器的統一控制思想，利用二者拓撲結構特性對系統功能進行了進一步拓展，提出光伏發電與有源濾波器的統一控制模型，該裝置能同時實現光伏并網發電、無功補償和諧波電流抑制，且能夠實現后備式UPS功能，即在供電系統停電時可以緊急對重要負載供電，確保重要用戶不受系統斷電的影響。

本文詳細分析了分布式電源對原有配網電壓、電流電能質量的作用機理，提出了含微網的配網電能質量調節器，使其發揮該環境下既能并網發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 分布式電源對配網電能質量的影響機理

1.1 分布式電源對配電網電壓的影響機理

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

帶有分布式電源的配電網在DG接入點的等效電路如圖1所示。

當分布式電源注入系統功率改變時，會使線路上的電流產生變化。由圖1所示等效電路，可估算分布式電源發電量波動時，在DG接入點上的電壓變化值為

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接入點處短路容量;Zs=(Rs+jXs)為電網等效阻抗;ΔI為線路電流變化量;α為從DG接入點看入的電網阻抗角;β為分布式電源功率因數角;u為DG接入點電壓。

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

同一線路兩端的相位移不計時，可忽略垂直分量，則

式中，K表示分布式電源對系統電壓的沖擊程度。

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

1.2 對配電網電流質量的影響機理

隨著微網技術的快速發展，必將使原有低壓配網中出現小型燃氣輪機、燃料電池以及太陽能、風能等分布式電源發電裝置，這些分布式電源輸出的能量通常是由電力電子器件構成的并網逆變器向配網輸送，必將會帶來諧波污染。當微網在配網系統的滲透率增加，配網內分布式電源規模足夠大時，多個諧波源疊加造成的諧波含量會嚴重影響配網電能質量，不僅如此，多個諧振源還會在系統內激發高次諧波的功率諧振，以及配網中原有用電設備中的非線性用電設備數量和比重迅速增大，必將導致配網電流諧波畸變率的進一步惡化，威脅配網的安全與穩定運行。

2 含微電網的配電網統一電能質量調節器

2.1 系統結構及工作原理

分布式電源并網逆變電路結構與配網常規有源電能質量調節裝置一致，都具有逆變器，因而可用一套設備實現多種功能。本文設計的電能質量調節器的單相系統結構如圖2所示。

圖2 系統結構圖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成，由圖2可知:

1)與分布式電源并網發電裝置相比，該裝置僅增加了諧波、無功電流檢測環節，使系統并網發電的同時治理配網系統諧波。當該裝置并網發電時，可控制逆變器輸出與電網同頻同相的有功基波電流。而且分布式電源可與并網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發電的效率。

另外，電網基波電壓均施加在并網逆變器交流側電力電容器上，最大限度地降低逆變器的容量，同時PPF組裝設在負載側實現就地補償，APF中直流側電壓遠低于電網基波電壓，改善了因負載諧波電流注入引起的配網公共連接點處電能質量問題，提高了系統運行穩定性。

2)與常規有源電能質量調節裝置相比僅增加了一個DG單元，既結構簡單，又具有電能質量補償裝置的諸多優點。當需要該裝置發揮電能質量調節的作用時，只要控制逆變器中的諧波與無功指令電流即可。并且當并網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償作用。

2.2 復合指令電流的合成運算

諧波與無功電流的檢測是分布式電源并網逆變器發揮電能質量調節器功能的關鍵。傳統的p-q檢測方法有著廣泛的應用，但這種方法僅僅適用于三相電壓波形無畸變的平衡系統，當電壓波形有畸變時，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出力的改變將導致原有配網電壓發生波動與畸變，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中的相位鑒別方法，其特點是各相獨立進行檢測，沒有三相帶來的誤差，因而在三相電網電壓波動或畸變時都能準確檢測諧波電流。在此種方法中，采用與配網母線電壓同頻的單位余弦、正弦信號分別與電網電流直接相乘，并經低通濾波器后得到電網電流中的瞬時基波有功及無功電流，進而得到瞬時諧波電流。另外，傳統基于鑒相原理的諧波電流檢測法是開環系統，其檢測精度和動態響應性能很大程度上取決于低通濾波器參數的設計，截止頻率和階數的設計比較困難。而且系統穩定性能低，魯棒性差，易受系統其他參數的影響。為了提高系統的穩定性與動態性能，本文在檢測鑒相支路增加比例積分調節器，考慮到一個n階低通濾波器與積分單元通過閉環形式可以構造n+1階低通濾波器，將開環電路模型設置成閉環電路來改善其魯棒性，采用積分環節來代替低通濾波器，降低設計的難度。復合指令電流的合成如圖3所示。

圖3 復合指令電流的合成運算Fig.3 The synthesis operation of complex instruction current

一套裝置實現并網發電和治理電能質量等多種功能，勢必大大降低裝置成本，并提高系統運行穩定性、工作效率和動態性能。

3 仿真與實驗

3.1 仿真

圖4為建立的含微網的配網統一電能質量調節裝置整體Matlab仿真模型。配網系統電壓380 V/50 Hz，分布式電源輸出機口電壓等效為800 V;開關頻率為10 kHz;負載為不可控整流阻感性負載，負載電阻R=20 Ω，L=25 mH;調節裝置交流輸出側參數為 L=5 mH，C=105.2 μF。

圖4 統一電能質量調節裝置整體仿真模型Fig.4 The whole simulation model of unified power quality conditioner

仿真過程中該裝置未投入運行時配網電源系統側電流、電壓波形如圖5所示。從圖中可以明顯的看出此時系統電流波形畸變嚴重，與常規正弦電流波形相比相差甚遠，電流總畸變率高達24.09%，嚴重不符合國家相關諧波畸變率要求(5%)，而且電流和電壓在相位上存在一定的相位誤差，這是由于負載需要吸收一定的無功功率導致的。

該裝置投入運行后系統的電流、電壓波形如圖6所示，此時控制該裝置的指令電流中并未加入并網發電有功電流，負載所需有功電能全部來源于配網電源，由波形可以看出，該裝置此時較好的發揮了原有電能質量調節裝置的功能，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%，符合國家相關諧波畸變率要求。

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

該裝置投入運行且復合指令電流中加入10 A有功電流指令時的系統電流、電壓波形如圖7所示，配網電源系統側電流幅值有所減小，此時電流畸變率為3.58%，表明該裝置在發揮原有電能質量調節裝置功能的基礎上，同時實現了并網發電，此時電流與電壓同頻同相，配網電源和并網的分布式電源共同提供負載所需的功率。

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

3.2 實驗

為了驗證本文所提電能質量調節裝置設計方案的可行性，進行了相關實驗，實驗控制芯片選擇TI公司的定點32位TMS320F2812。主要包括電能質量治理實驗、并網發電與電能質量治理實驗兩個方面。

1)電能質量治理實驗

該電能質量調節裝置未投入系統運行時，實測的實驗系統電源側電流、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，系統電源側電流與電壓波形同頻同向，電流總諧波畸變率(THD)高達24.9%，電流畸變較為嚴重，嚴重超過國標。

當該裝置投入系統運行后，實驗系統電源側電流、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 該裝置未投入運行時系統電流電壓波形Fig.8 The system voltage and current waveform of the device is not put into operation

由圖9可知，該裝置投入運行穩定后可較好發揮電能質量治理功能，電流波形接近于正弦波。同樣采用電能質量分析儀對電流進行畸變率分析可知，此時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)電能質量治理與并網發電實驗

該裝置同時發揮電能質量治理功能與并網發電的實驗系統電流電壓波形如圖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 系統電流、電壓波形Fig.10 The system current and voltage waveform

從圖10中可以看出此時裝置運行以后系統電流波形趨于正弦波且電流的畸變率值為4.37%，能夠滿足國家相關標準，說明此時該裝置依然可以較好的發揮原有電能質量調節裝置的諧波治理及無功補償功能。

由圖9與圖10對比可以明顯看出此時電流波形方向正好相反，表明此時系統電源側的電流是由負載及此裝置側流向電源側的，表明該裝置向電網輸送了有功能量，其大小不但可以滿足負載的有功需求，還可以將多余的有功輸送到電網電源側。此時該裝置不但發揮了無功補償及諧波治理裝置的功能，還同時向電網電源側和負載提供有功電能，實現了分布式電源的并網發電功能。系統電流畸變率不僅滿足國家公用電網諧波標準還達到了微電網分布式電源并網發電畸變率標準要求。

4 結語

本文針對微網背景下的配網電能質量治理問題展開了研究，分析了分布式電源對原有配網電壓、電流電能質量的作用機理，提出了一種含微網的配網統一電能質量調節裝置。仿真和實驗結果驗證了該裝置能夠實現并網發電與電能質量綜合治理的多種功能。

［1］ 季陽，艾芊，解大.分布式發電技術與智能電網技術的協同發展趨勢［J］.電網技術，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］ 康龍云，郭紅霞，吳捷，等.分布式電源及其接入電力系統時若干研究課題綜述［J］.電網技術，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.分布式發電的高覆蓋率對電力系統設計和運行的影響分析［J］.電網技術，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.包含同步發電機及電壓源逆變器接口的微網控制策略［J］.電網技術，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.不同補償策略下 UPQC主電路參數確定方法.電機與控制學報，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型并網逆變器中重復控制方法研究［J］.中國電機工程學報，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時對電網的影響.高電壓技術，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協調控制策略.電機與控制學報，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］ 王衛安，桂衛華，張定華，等.電能質量混雜補償控制及其在企業配網的應用［J］.電機與控制學報，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，孫旻，等.適用于配網沖擊性負荷補償的鏈式 D-STATCOM［J］.電機與控制學報，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.一種多功能并網逆變器拓撲及其控制［J］.電力自動化設備，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并網逆變器研究綜述［J］.中國電機工程學報，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.