微電網的電能質量及改善方法研究

黎金英，艾欣，鄧玉輝

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206)

0 引言

微電網是包括分布式電源(Distributed generation，DG)、儲能裝置、能量變換裝置、負載、保護裝置集中而成的小型電力系統［1］。很多因素導致微電網存電能質量問題［2，3］;微電源的運行特性及控制方法、微電源的接人點和容量、微電網運行方式和控制方法、一般采用的電力電子裝置、儲能設備和負載特性都會影響電能質量，從而導致微電網電能質量的檢測、分析、評估、改善和主電網相比更是困難復雜。微電網的電能質量特殊性是由微電源、負載和微電網運行與控制方法共同決定的。其中，微電網電能質量控制有如下要求［4，5］:(1)無功電壓控制;(2)頻率穩定;(3)不平衡控制;(4)諧波抑制。目前，改善電能質量的微電網采用電力電子技術。電力電子技術在微電網中的應用，可以分成兩種類型［6，7］:一種是根據柔性交流輸電系統(Flexible alternative current transmission systems，FACTS)技術，如配網靜止同步補償器(Distribution static synchronous compensator，DSTATCOM)、靜止無功補償器(Static var compensator，SVC)、有源濾波器(Active power filter，APF)、動態電壓恢復器(Dynamic voltage restorer，DVR)、統一電能質量調節器(Unified power quality conditioner，UPQC)等裝備在微電網中的應用;另一種是針對微電網內部的電源，主要是電力電子并網接口的控制升級與先進控制策略的設計及其應用。根據以上論述，本文提出一種APF 和SVC 聯合補償的方法、分析了聯合系統的穩定性，對微電網進行電能質量的改善。通過Matlab/ Simulink 仿真結果證明了電能質量改善系統的有效性。

1 APF 與SVC 聯合系統

在聯合運行系統中，不僅要考慮有源濾波器與靜止無功補償器各自的運行性能，還要考慮兩者聯合運行時系統的穩定性。圖1 為有源濾波器與靜止無功補償器構成的聯合系統結構。其中，isa、isb、isc分別是A、B、C 相系統輸入電流;iLa、iLb、iLc分別是A、B、C 相非線性負載電流;vdc為直流電容電壓;N 為三相系統的中性點;N' 為電流側電容的負極。

圖1 電能質量聯合系統結構圖

圖1 中，靜止無功補償器構成有多種形式，但基本元件是TCR 和TSC。靜止無功補償器基本構成，通過濾波器(Filter)的引入就是為了消除系統產生的諧波。晶閘管控制的電抗器將按照母線上無功功率的變化而變化。通過控制晶閘管的觸發角α，控制電抗器的感性無功功率。晶閘管投切的電容器將按照負載感性無功功率的變化，通過反并聯晶閘管來接入或者切除電容器。有源濾波器主電路采用PWM 電壓型逆變器(Voltage source inverter，VSI)通過連接電感Lf和負載并聯接入系統，逆變器開關器件一般采用自帶驅動的IGBT 模塊。根據以上分析，在微電網中應用有源濾波器和靜止無功補償器聯合電能質量改善系統［8］。其中，有源濾波器裝設在DG 出口進行濾波并進行小容量的無功電流補償;靜止無功補償器裝設在負載側實現大容量無功功率的就地補償。有源濾波器可以實現快速跟蹤補償，彌補靜止無功補償器對快速變化無功功率反應較慢的缺點。靜止無功補償器可以彌補有源濾波器補償容量不足的缺點，兩者互為補充。

2 APF 與SVC 聯合補償的方法

2.1 APF 的數學模型

按照圖1 定義的電壓、電流參考正方向，忽略線路電阻與電源側的線路電感。根據基爾霍夫(Kirchhoff)電壓定理，對于有源濾波器的交流側電路，可以表示為［9］:

式中:ica、icb、icc分別為A、B、C 相補償電流;vsa、vsb、vsc分別為A、B、C 相微電網電壓;va、vb和vc為PWM 輸出電壓;R 為輸出電感的等效電阻;L 為濾波電感。從式(1)可以看出，將靜止abc 坐標系到dq 坐標的電流之間存在交叉耦合項，可以表示為:

在微電網系統的控制中，考慮d 軸和q 軸電流控制回路存在相互耦合項。為了使d 軸和q 軸電流控制回路在階躍響應下也可以獨立控制，并抵消電流控制回路耦合項的影響，采用狀態反饋交叉解耦的方法。同時，采用傳統的PI 控制器調節減小電流跟蹤誤差。可以得到d 軸和q 軸解耦電流，電流的控制器輸出應當消除輸出電感的影響［10］，可以表示為:

式中:ω 為母線電壓的角頻率，由式(2)和式(3)，可得式(4)。

因此，通過控制vd和vq可以獨立控制id和iq。圖2 所示為電流交叉解耦項的PI 控制器結構。圖2 中，虛線右邊為控制對象，左邊為控制器結構。其中，KIP，KII 分別為電流控制中PI 控制的比例參數和積分參數;分別為在d 和q 坐標系下計算所得諧波指令;vsd，vsq分別為系統電壓在d 和q 坐標系下的值。

圖2 電流環控制的結構框圖

2.2 基于瞬時無功理論的諧波檢測算法

以三相電路瞬時無功功率理論為基礎，并以計算p-q 或者ip-iq為出發點［11］，可得出三相電路諧波與無功電流檢測的兩種方法，分別稱之為p-q方法和ip-iq方法。本文采用為諧波檢測方法(ipiq方法)，原理如圖3 所示。

圖3 ip-iq 檢測法的原理圖

假設三相負載電流為:

式中:n=3k±1;k 為整數，當k=0 時，n=3 k±1 只取+號，即只取n=1;各次電流的有效值和初相角分別為In、φn。如圖3 所示為基于檢測負載諧波分量的ip-iq檢測方法。其中，iα、iβ分別是三相負載電流iLa、iLb和iLc經過3-2 變換后的電流;分別是iα、iβ的基波電流;和分別是i、i和i;C為3-2 變換的變換矩陣;LaLbLc32C23為2-3 變換的變換矩陣;C32和C23互為逆矩陣。圖3 中，通過矩陣將電流從abc 靜止坐標系變換到旋轉的dq 坐標系，得到瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq，可以表示為:

式中:當n=1，7，13，時取上符號;當n=5，11，17，時取下符號。C32、C23和C 的表達式分別為:

式中:sinωt 和cosωt 都是通過鎖相環(Phaselocked loop ，PLL)得到的與電源電壓ea同相的信號。和經低通濾波器(Low pass filter，LPF)得到基波電流有功分量與基波電流無功分量和，可以表示為:

根據以上分析，可見ip-iq運算方式可以準確地計算出iaf、ibf和icf，從而計算出三相諧波分量和，可以表示為:

2.3 SVC 的控制策略

在靜止無功補償器中，負載正序無功功率和不平衡分量檢測可以采用瞬時無功功率理論方法。本文采用對稱分量法計算［12］，是分析電力系統三相不平衡的有效方法。為了除去微電網電壓不平衡和畸變的影響，首先根據三相電路瞬時無功功率理論，可得到微電網電壓轉換到pq 坐標系下vp和vq。可利用LPF 去除負序分量和諧波分量，再經過坐標反變換得出和分別為正序電壓。然后從abc 靜止坐標系變換到αβ 坐標系，得到被測電流和微電網正序電壓，經過組合相乘后，再經低通濾波器，可得到基波量信息分別為。其中，為基波負序分量實部;為基波負序分量虛部;為基波正序分量虛部(無功部分)。根據正序電壓進行PQ-B 運算［13］，可以得到電納值(符號B)，如圖4 所示。

圖4 SVC 控制系統框圖

圖4 中，PQ-B 算式如式(11)和式(12)所示:

根據對稱分量法計算，可得出的電納值分別為Bab、Bbc和Bca;可得出晶閘管控制電抗器所要產生的等效電納。由于晶閘管控制電抗器的導通角θ 和晶閘管控制電抗器等效電納之間的非線性關系，所以，可利用查表法進行線性化變換，同時，保證控制系統的線性特性不變，可以表示為:

其中，由于晶閘管控制電抗器的導通角θ 可得到觸發角α:

式中:φ 為晶閘管控制電抗器該相線電壓超前于相電壓ea的相角;XL為晶閘管串聯的電抗的感抗值。另外，晶閘管控制電抗器從系統吸收的無功功率［14］，可以表示為:

當晶閘管控制電抗器的導通角θ=π 時，晶閘管控制電抗器進入極限工作狀態，可得到無功功率最大值，此時晶閘管控制電抗器表現純電感特性，吸收無功功率將隨微電網電壓的升高而增大，這一點使得靜止無功補償器在抑制微電網電壓的升高。針對晶閘管投切電容器，每級向系統輸出的無功功率，可以表示為:

晶閘管投切電容器向系統輸出的總無功功率，當電容器組全部投運時，晶閘管投切電容器將表現純電容的特性，輸入系統側無功功率隨微電網電壓的降低而減少。從式(15)和式(16)可以得出，靜止無功補償器注入微電網系統的總無功功率，可以表示為:

由式(17)可以看出，當晶閘管控制電抗器的導通角為θ=0 或者π，可得到靜止無功補償器注入微電網系統側無功功率值超出額定運行范圍。因此，裝置注入微電網系統側無功功率將直接決定于微電網系統側電壓，將隨微電網系統側電壓的降低減小。

3 APF 與SVC 聯合系統運行的控制

圖5 為APF 與SVC 聯合運行系統控制框圖。

圖5 聯合運行系統控制框圖

有源濾波器對靜止無功補償器的影響主要是有源濾波器電流檢測中的濾波器特性決定。當有源濾波器采用的ip-iq方法來檢測諧波電流時，在靜止坐標系中相當于中心頻率為50 Hz 的帶通濾波器，而靜止無功補償器要需對50 Hz 的基波無功功率運行控制，因此靜止無功補償器與有源濾波器之間的耦合就比較嚴重。為了減少有源濾波器對靜止無功補償器的影響，就需要對有源濾波器這一等效帶通濾波器進行改善。通過理論分析，考慮采用的檢測方法是只檢測特定次諧波電流，這樣有源濾波器就相當于以各次諧波是中心的多頻帶陷波器［15］，其中心頻率距離50 Hz 比較遠，所以對50 Hz 基波的動態特性基本上沒有影響，這樣便能消除了有源濾波器對靜止無功補償器的影響，系統也就能穩定運行。

4 仿真結果與分析

為了驗證有源濾波器和靜止無功補償器聯合系統對改善電能質量的微電網，利用Matlab/ Simulink 搭建系統仿真模型，仿真模型如圖6 所示。系統的主電路參數為:電源線電壓Vg=380 V，電網頻率fg=50 Hz，直流電壓vdc=650 V，濾波電感L1=L2=1．8 mH，濾波電容C=25 μF，開關頻率3 kHz;非線性負載為三相不可控整流橋帶純阻性負載，R=8 Ω，整流橋進線電感L=2 mH。控制參數為:電壓外環PI 控制器的比例和積分系數分別為0．01 和1，電流內環為KIP=1，KII=5。

圖6 系統仿真模型

微電網有兩種基本的運行方式包括孤島運行和并網運行:(1)當微電網在孤島運行時，微電網輸出的電流、電壓和無功功率如圖7～9 所示。

通過圖7～9 中的仿真結果可以得出，在t=0．1 s 之前(補償前)，有源濾波器與靜止無功補償器聯合系統還沒有運行，系統電壓基本滿足要求。但電流波形發生畸變，此時，微電網輸出的無功功率為8 kVar。在t=0．1 s 之后(補償后)，將電能質量改善系統添加到微電網，電流穩定性和電能質量得到提高。同時，微電網輸出的無功功率為24 kVar。此外，非線性負載對電流所產生的電流總諧波畸變率也滿足＜5%的條件，如圖10 所示。

圖7 微電網輸出電流波形

圖8 微電網輸出電壓波形

圖9 微電網輸出無功功率

圖10 補償后電網電流頻譜特性

(2)當微電網在并網運行時，微電網輸出的電流、電壓和無功功率如圖11～13 所示。

圖11 微電網輸出電流波形

圖12 微電網輸出電壓波形

圖13 微電網輸出無功功率

通過圖11～13 中的仿真結果可以得出，在t=0．02 s 之前，將微電網和主電網進行并網，微電網還沒有輸出功率;在t=0．02 s 之后，微電網輸出的無功功率為15 kVar。頻率響應如圖14 所示。包括電網頻率fg、補償前微電網頻率f1和補償后微電網頻率f2。在0．02 s 到0．1 s 之間(補償前)，由于主電網的影響，所組成系統的電流發生畸變。同時，微電網輸出的頻率偏差，根據IEEE1547 標準對于容量為0～500 kVA 的分布式電源，并網時允許頻率偏差為0．3 Hz，電能質量到達標準。在t=0．1 s 之后，微電網輸出的無功功率為45 kVar。因此，電能質量改善系統后，微電網的頻率和主電網的頻率為50 Hz，微電網的電壓和主電網的電壓為380 V，系統電流畸變程度降低，電能質量提高。

圖14 頻率響應

5 結論

本文對微電網存在的電能質量問題進行了分析，提出了一種基于有源濾波器和靜止無功補償器聯合運行的控制方法，能同時進行無功功率補償和諧波治理。通過分析聯合系統的穩定性，有源濾波器采用接在分布式電源側，實現諧波濾除功能。最后，深入分析了有源濾波器和靜止無功補償器的控制策略，利用Matlab/ Simulink 仿真，結果表明電能質量改善后的微電網系統電壓保持穩定，電流畸變大大降低，電能質量提高。證明系統具有優越的無功功率補償性能和諧波抑制性能，并且運行可靠，滿足微電網對電能質量調節裝置實時性的要求。

［1］劉觀起，曹揚．分布式發電并聯接入微網的控制技術研究綜述［J］．電網與清潔能源，2011，27(5):40-46．

［2］劉金鑫，李鵬，崔紅芬，等．微網中電能質量問題及其治理措施研究［J］．中國電力，2012，45(3):38-42．

［3］趙山，文黎星，趙偉，等．基于微電網的電能質量問題研究［J］．廣東電力，2012，25(10):61-64，69．

［4］Georgakis D，Papathanassiou S，Hatziargyriou N，et al．Operation of a prototype microgrid system based on microsources quipped with fast-acting power electronics interfaces［C］．IEEE 35th Annual Power Electronics Specialists Conference，Aachen，Germany:IEEE，2004，2521-2526．

［5］Zheng Z，Yang H，Zhao R X，et al．Topologies and control strategies of multi-functional grid-connected inverters for power quality enhancement:A comprehensive review［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，24:223-270．

［6］靳靜，艾芊，趙巖．FACTS 裝置在風電場中的無功補償原理與仿真［J］．電力自動化設備，2007，27(8):58-61．

［7］王鶴，李國慶．含多種分布式電源的微電網控制策略［J］．電力自動化設備，2012，32(5):19-23．

［8］Dong T，Li L C，Ma Z B．A Combined System of APF and SVC for Power Quality Improvement in Microgrid［C］．IEEE Power Engineering and Automation Conference(PEAM)，2012:1-4．

［9］劉海波，毛承雄，陸繼明，等．四橋臂三相四線制并聯型APF-STATCOM［J］．電力系統保護與控制，2010，38(16):11-17．

［10］王輝云，常鮮戎．基于間隔采樣的DSTATCOM 直接電流控制研究［J］．電力科學與工程，2013，29(7):7-12．

［11］Li E X，Sheng W X，Sun J P，et al．The Study on Current Detecting Algorithm Based on Generalized Instantaneous Reactive Power Theory［C］．Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference(APPEEC)，Asia-Pacific，2010:1-4．

［12］陳霞，許伯強．對比研究鏈式STATCOM 與SVC 對電網的暫態支撐能力［J］．電力科學與工程，2012，28(8):30-35．

［13］高聰哲，姜新建，李永東．基于級聯有源濾波器與靜止無功補償器的綜合補償控制方案［J］．電力系統自動化，2012，36(7):92-98．

［14］Noroozian M，Petersson N A，Thorvaldson B，et al．Benefits of SVC and STATCOM for Electric Utility Application［C］．IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition，2003:1143-1150．

［15］帥智康，羅安，劉定國，等．靜止無功補償器與有源電力濾波器聯合運行系統［J］．中國電機工程學報，2009，29(3):56-64．