利用電能路由器的配電網電能質量控制*

段青，樂健，呂志鵬，萬鵬飛，馬春艷

（1.中國電力科學研究院，北京100192；2.武漢大學 電氣工程學院，武漢430072）

0 引言

傳統電能質量問題治理方法均需通過在系統中串聯或并聯額外的裝置來進行，如DVR、APF、UPQC等。基于電力電子變換技術構成的電能路由器，能夠實現能量的多向流動和對功率流的主動控制［1-2］，改變了傳統配電網采用變壓器進行電能傳遞與分配的運行模式，也為研究新型配電網電能質量問題治理措施提供了新的基礎。

目前關于電能路由器的研究主要關注于其能量分配傳遞，電壓隔離變換等基本功能的實現。文獻［3］通過電能路由器和信息路由器的類比得出電能路由器的功能要求，介紹了國內外現有基于電力電子變換的電能路由器結構。文獻［4］采用固態變壓器作為核心器件，提出一種未來電力配電系統的架構，適用于分布式能源與儲能設備即插即用。文獻［5］提出一種基于虛擬電機控制的路由器，其特點在于基于虛擬電機理論提出該能量路由器的控制策略，增強了系統慣性和阻尼，對于提高系統穩定性有一定作用。文獻［6-7］給出一種基于高頻隔離的雙向直流固態變壓器方案，可作為柔性直流配網的關鍵環節，實現高低壓直流配電網或微電網的電壓、功率靈活控制。目前對于利用電能路由器解決進行電能質量問題的研究相對較少。文獻［8］指出電力電子變壓器對電能質量具有調節能力，但未深入分析調節能力大小，且未考慮儲能的影響。文獻［9］對電力電子變壓器提高電能質量問題進行了分析，并提出一種無直流電容支撐的電力電子變壓器結構，可實現功率因數和電壓調節，減輕電壓暫降、上升、閃變的影響，但并未就控制策略問題進行深入研究。

在上述背景下，本文在基于電力電子變換的電能路由器基礎上，對其拓撲結構，功率傳輸，控制策略進行分析，對電能路由器減輕電網電壓畸變造成的影響，抑制負載不平衡及諧波對系統的影響進行了研究。最后，通過PSCAD/EMTDC仿真，驗證了本文所設計的基于電力電子變壓器的電能路由器設計方案的正確性和有效性。

1 電能路由器拓撲與控制

電能路由器是以電力電子技術和信息技術為基礎的固態設備，其核心為電力電子變壓器。一種典型的AC/DC/AC型三階式結構包括高壓級、隔離級和低壓級3個部分，如圖1所示。

圖1 電力電子固態模塊結構Fig.1 Structure of solid-state power electronics module

高壓側需采用多電平結構，本文采用H橋級聯型多電平變換器實現AC/DC高壓級電能變換，級聯的H橋單元數為1～n，其三相電路采用星形“Y”結構形式。這種拓撲結構具有輸入電壓波形好、諧波含量少，電流波形質量好和功率因數可調等優點，如圖2所示。

圖2 輸入級結構圖Fig.2 Structure diagram of the input side

瞬時功率理論指出換流器交流側的有功功率和無功功率表示為：

式中p、q分別為換流器輸入的瞬時有功功率和無功功率，ud、uq分別為換流器交流側三相電壓在兩相旋轉坐標系d-q軸上的分量，id、iq分別為換流器交流側三相系統電流在兩相旋轉坐標系d-q軸上的分量。高壓輸入級是配電網與電能路由器直接接觸的環節，其控制目標為：實現直流電壓恒定，實現交流側電流正弦和功率因數靈活可調，其雙環解耦控制策略如圖3所示。

圖3 高壓級控制策略Fig.3 Control strategy of high-voltage side

采用直流電壓控制時，外環是一個直流電壓環，內環是一個交流輸入電流環，在外環直流電壓控制中將實際直流電壓與參考電壓比較后的偏差作為反饋信號，經過PI控制器后形成有功電流（即d軸電流）的參考值。在內環交流電壓控制中，三相交流電流采樣后轉化為d、q軸分量，分別與各自的參考電流值比較，得到的偏差信號經過PI控制器后與電源前饋信號以及交叉反饋電流信號綜合，形成d、q軸參考電壓信號，輸入到高壓級控制器，產生PWM控制信號，為了實現輸入單位功率因數運行，q軸電流參考值通常設置為0。

根據以上分析，給出高壓輸入級的控制策略如圖4所示。

圖4 高壓級控制系統圖Fig.4 Control system diagram of high voltage side

對于電能交換器的隔離環節，高頻變壓器原邊的單相逆變電路，在開關損耗允許和變壓器磁芯允許的范圍內，變壓器的體積和重量與開關頻率成反比。對于變壓器副邊整流電路，只要能實現高頻整流即可。因此，變壓器原邊逆變電路和副邊整流可以用開環控制方式實現，將直流調制成占空比為50%的高頻方波，變壓并耦合到高頻變壓器的副方繞組后再同步整流還原成直流。

電能路由器的對外端口有低壓直流母線和低壓交流母線，直流母線的控制目標為無論系統或負載是否有擾動都能保持直流電壓恒定，直流母線的電壓控制由高壓級控制決定。交流母線的控制目標為無論在對稱負載還是不對稱負載的情況下實現相電壓幅值恒定和波形正弦。采用雙環控制，外環為輸出電壓瞬時值控制，保持輸出電壓幅值不變，內環為濾波電容電流瞬時值負反饋。采用SPWM調制，使得電壓跟蹤給定正弦波，維持輸出波形為良好的50 Hz正弦波，控制策略如圖5所示。

其中，PI的傳遞函數為Kp+Ki/s。在外環，測量得到輸出相電壓瞬時值與正弦波參考電壓比較，形成誤差信號，經過PI控制器作為電流內環瞬時參考值，與三角波比較，形成脈沖信號驅動逆變器。引入濾波電容電流反饋用于抑制LC濾波電路的諧振。

圖5 交流輸出控制策略Fig.5 Control strategy of the AC output side

2 電能質量干擾的抑制

電能質量問題包括電網電壓暫升，暫降，閃變等問題，也包括負載諧波、不平衡等問題。分析圖1所示的基于電力電子變換的電能路由器，電網側高壓交流與直流母線、交流母線之間存在DC/DC隔離，通過設計適當的控制策略，可以實現兩側的電能質量干擾的隔離。

2.1 電網電壓畸變的隔離

電網電壓畸變包括電壓諧波、電壓暫升、暫降、閃變。其中電壓暫降是配電網中發生最頻繁且影響最嚴重的電能質量問題。

設電網電壓三相電壓有效值為V，直流母線設定值為udc。隔離變壓器僅起電壓隔離作用，并不影響電網電壓整流。因此，在沒有儲能與分布式電源的作用下，直流母線平均電壓Vdc需滿足［10］：

當直流母線電壓固定，可計算出網側電壓暫降的下限。本文研究中，網側電壓為10 kV，直流母線電壓固定為800 V。則理論上系統電壓可跌落至約600 V（三相有效值）。實際上考慮隔離變壓器及逆變器的損耗問題，且高壓側采用多電平結構的影響，保證系統正常運行的系統電壓暫降值要大于600 V。值得注意的是，當電壓暫降時，若負載功率不變，則系統流入電能路由器的電流將等比放大。此時，對IGBT等開關器件的要求由耐壓要求轉變為耐流要求。因此，當電壓暫降時繼續運行電能路由器時需要綜合考慮器件的耐壓耐流要求。

對于電網諧波及電壓暫升問題，只需能保持高壓級整流功能即可。

2.2 負載突變與諧波的隔離

根據圖5，可寫出交流輸出的傳遞函數：

由式（4）可知，在電路參數及控制參數確定的條件下，交流輸出電壓受參考電壓uref和交流輸出電流io的影響。在控制中，uref為固定的正弦值，結合疊加定理，獨立分析交流輸出電流對電壓的影響。

在開關頻率足夠高的情況下，KPWM等效為常數，選取KPWM=0.8，Kp=3，Ki=5，k=-1。當L固定為1 mH，濾波電容變化時，可畫出輸出電壓對負載電流傳遞函數的幅頻特性如圖6所示。

圖6 輸出電壓對負載電流的幅頻特性Fig.6 Amplitude-frequency characteristic of output voltage relative to load current

從圖4看出，電容的變化主要影響諧振頻率與高頻的幅頻特性。

當C固定為200μF，濾波電感變化時，可畫出輸出電壓對負載電流傳遞函數的幅頻特性如圖7所示。

圖7 輸出電壓對負載電流的幅頻特性Fig.7 Amplitude-frequency characteristic of output voltage relative to load current

從圖7看出，電感的變化主要影響諧振頻率與低頻頻的幅頻特性。從對負載電流畸變的抑制角度分析，濾波電感越小越好，濾波電容越大越好。綜合考慮響應速度及逆變器輸出響應特性，選取L=0.5mH，C=200μF。

3 仿真結果與分析

根據圖1結構圖，高壓級采用6級H橋級聯多電平結構，建立電能路由器仿真模型，將三相交流10 kV的配電網線路降壓至三相交流相電壓220 V，直流母線800 V，實現電能的變換與傳遞。仿真模型參數如表1所示。

表1 仿真平臺模型Tab.1 Parameters of the simulation model

3.1 電網電壓畸變時的仿真

3.1.1 電壓暫降

圖8 電壓暫降50%時的仿真結果Fig.8 Simulation result when voltage drops 50%

當電網電壓暫降50%時的仿真結果如圖8所示。

從圖8看出，當電壓暫降50%時，電能路由器直流母線和交流母線電壓依然保持額定運行狀態，但系統輸入的電流相應的增加了1倍，以保持負載功率不變。從電流在突變時刻的畸變看出控制系統經過短暫的調節時間后系統就達到了穩定。

當跌落深度達到一定值時，電能路由器在無儲能及分布式電源作用下，將無法維持正常運行。圖9顯示當電壓暫降90%時，直流電壓無法維持800 V，此時系統失穩。

圖9 電壓暫降90%時的仿真結果Fig.9 Simulation result when voltage drops 90%

3.1.2 電壓暫升

在0.5 s設置電壓暫升50%，持續0.2 s，仿真結果如圖10所示。

從圖10看出，直流母線與交流母線電壓幾乎沒有受到影響。說明高壓電網的電壓暫升問題經過電能路由器進行電能傳輸后不會影響低壓側負載。

3.1.3 電網電壓諧波

在電網電壓中加入諧波源進行仿真。電網電壓如圖11（a）所示。

從圖11看出，當高壓側電網電壓含有大量諧波時，經過電能路由器的電能傳遞與電壓變換，負載不受影響，這對于高精密負荷具有極大的意義。

圖10 電壓暫升50%仿真結果Fig.10 Simulation result when voltage swells 50%

圖11 電網電壓畸變下仿真結果Fig.11 Simulation result when the system voltage contains harmonics distortion

3.2 負載畸變

3.2.1 諧波治理

在負載中設置不控整流電路以在電流中加入諧波電流，加入不負載后低壓交流母線電流如圖12（a）、（c）所示，對A相電流的諧波FFT分析結果如圖12（b）、（d）所示。

圖12 負載含諧波時的仿真結果Fig.12 Simulation result when the load contains harmonics

從圖12（a）、（c）與圖12（b）、（d）比較可知，經過電能路由器后，流入系統的電流中，諧波含量由5.95%降至2.13%。低壓交流母線上電流中，5次諧波含量較大，其次為7次諧波，11次諧波及13次諧波，而經過電能路由器后5次諧波、7次諧波、11次諧波及13次諧波含量明顯降低。由于控制的原因，3次諧波含量上升，但對于△接線的中壓配網，三次諧波不會對高壓系統造成影響。

3.2.2 負載三相不平衡

設置B相負載為其他兩相的兩倍，低壓側交流母線上電流如圖13（a）所示。

從圖13（a）可以明顯看到負載電流的不平衡。B相電流為0.448 kA，而AC兩相電流為0.225 kA。高壓側電網輸入電能路由器的電流如圖13（b）所示，三相電流基本平衡，幅值為0.0145 kA。可以看出，經過電能路由器的傳遞，能有效抑制負載不平衡對系統的影響。

圖13 三相負載不平衡仿真結果Fig.13 Simulation result with unbalanced three-phase load

4 結束語

本文提出了基于電力電子變換的電能路由器用于治理配電網電能質量問題的方法，通過設計相應的控制策略，可在實現電能路由基本功能的基礎上，使得其同時具有還具備動態電壓調節器及有源濾波器的功能，可有效治理隔離電能路由器高壓和低壓側電能質量干擾向對向的傳播。通過本文研究可以得出以下結論：

電能路由器在電網與負載之間形成一定的緩沖，能容許網側電壓畸變，包括電壓暫降、上升、諧波等問題，有效治理跌落深度小于70%的電壓暫降；有效治理電壓上升與諧波對負載的影響。

電能路由器在保證向負載供電功能的基礎上，能有效抑制不平衡負載對系統的影響，且能有效治理諧波電流。

電能路由器的控制需要良好的檢測與計算方法，以抑制電壓電流畸變對檢測精度的影響。且本文未考慮儲能的影響，當儲能設備與分布式電源接入電能路由器時，能解決網側電壓過低或斷線對負載的影響，但控制策略也變得更復雜，有待進一步研究。