基于配電網的混合補償控制策略

張永年，宋紅為，吳兆彬

（1.蘭州理工大學 電氣工程與信息工程學院，蘭州730050；2.國網甘肅省電力公司 天水供電公司，天水741000）

隨著電力電子器件和非線性負荷在配網中的大量應用，使得配電網中電能質量問題日益嚴重，單一的補償已經難以滿足配電網電能質量要求，為更好地改善配電網電能質量，混合補償的研究逐漸成為了一個重點[1]。

分布式電源一般需要通過并網逆變器接入電網，考慮到分布式電源和靜止無功發生器在結構上的相似性，在保證分布式電源DG 滿足有功功率輸出的情況下，可以利用其裕量參與無功補償[2]。近年來，國內外學者對混合無功補償的研究取得了一定的發展。文獻[3]提出一種將靜止無功發生器和LC補償相結合的補償方式，利用靜止無功發生器SVG和LC 在補償方式上的特點，對配電網無功功率進行動態精確補償。文獻[4]提出一種晶閘管投切電容器與靜止無功發生器協同運行的混合無功補償系統，該系統能夠在進行無功補償的同時抑制一定的不平衡電壓，從而保證系統的穩定運行。然而，這些研究多是利用常見的無功補償設備之間進行配合來實現混合無功補償，并未對DG 的補償能力加以利用。

文獻[5]提出一種基于DG 并網逆變器的無功補償協調控制系統，利用投切電容器組對無功功率粗補償，并網逆變器進行無功功率的精確補償，使得該系統具有動態補償配網無功需求的能力。但研究僅針對無功功率的補償，未涉及不平衡電壓等電壓質量問題。故在此提出一種DG 與SVG 混合補償配電網無功功率的協調控制策略。

1 配電網電壓質量協調控制結構

文中所提控制策略首先利用DG 的裕量和配電網固有的并聯電容器組進行無功補償；當DG 補償的無功不能達到配電網的無功需求時，利用比例復數積分PCI（proportional complex integral）控制方法控制SVG 協調補償[6-7]，同時能抑制一定的不平衡電壓。通過對DG 和SVG 之間的協調控制，達到改善電壓質量的目的，并盡可能地消納可再生能源，節約設備投入成本。其協調控制系統結構如圖1所示。

圖1 協調控制系統結構Fig.1 Coordinated control system structure

圖中，協調控制系統主要包括DG 無功補償控制和SVG 協調補償控制。檢測電網公共連接點PCC（point of common coupling）電壓uabc和負載電流iabc，計算出配網所需補償的無功電流iqref，采用PV法對有容量裕度的DG 進行控制，參與配電網無功補償，利用比例復數積分控制方法控制SVG 補償DG 欠補的無功級差，并能對系統的不平衡電壓起到抑制作用。通過DG 和SVG 兩者的協調運行實現動態無功補償，從而改善電壓質量。

2 電壓質量協調控制策略

2.1 DG 無功補償控制

DG 并網逆變器采用PV 控制方式[8]，能夠輸出定量的有功功率的同時靈活分配無功功率。在三相對稱電壓下，假設d 軸與并網點電壓矢量重合，則uq=0，此時有功功率與無功功率計算為

逆變器PV 控制原理如圖2所示。該控制方式有2 個設定值——逆變器所需輸出的有功功率Pref和并網點電壓Uref。

由圖可見，利用檢測得到的公共連接點電壓uabc和負載電流iabc，經過dq0 變換后得到d 軸的電壓ud和電流id，以及q 軸的電壓uq和iq。d 軸電流參考值分量idref由有功功率設定值Pref計算得到。并將電壓參考值Uref與實際電壓進行比較，并通過PI 控制器計算，輸出q 軸電流分量參考值iqref。

圖2 逆變器PV 控制原理Fig.2 Principle of PV control for inverters

在dq 旋轉坐標系下，由于d 軸分量和q 軸分量之間存在耦合，需要將d，q 軸電流分別與ω 和電感L 相乘，實現電流的前饋解耦。并將d，q 軸電流參考分量idref，idref與id，iq做差后通過PI 計算，PI 控制器的輸出與電流前饋解耦、電壓前饋補償相結合得到逆變器的d，q 軸電壓參考值udref和uqref。再將所得的電壓參考值經過dq 反變換，得到最終的逆變器調制信號，通過對逆變器的控制來實現DG 參與無功補償。

2.2 SVG 協調補償控制

為了充分利用DG 的余量對配電網提供無功補償，利用PCI 的控制方法對SVG 進行協調控制，作為DG 的一種輔助補償設備，并能抑制一定的電壓不平衡度。其控制策略框圖如圖3所示。

圖3 SVG 控制策略Fig.3 SVG control strategy

利用直流側電壓與所給電壓參考值的差值，經過PCI 計算得到參考電流值，再與并網電流的正序分量作比較得到母線電壓穩定控制信號。將負載側電流和DG 逆變器出口電流進行正負序分量分離后，并進行相應的比較，再經過PCI 控制器，得到SVG 所需補償的無功電流大小，最后通過αβ 反變換，生成相應的脈沖控制信號對SVG 進行協調控制，使得SVG 實現對無功功率和不平衡電壓的同時補償。

2.2.1 電流正負序量分離

當系統工作在不平衡工況時，為了更好地保證系統的穩定運行，需要對系統中存在電流的正負分量和負序分量進行計算和補償。由于基于復數濾波器的正負序分量分離方法具有運算量小、結構簡單等特點，故采用該方法來對電流進行正負序分量分離，如圖4所示。正負序電流的計算公式為

式中：ωc為濾波器截止頻率；ω0，-ω0分別為正、負序電流分量的頻率。在β 軸方向，正負序電流計算公式與α 軸相同。

圖4 電流正負序分量的分離Fig.4 Separation of positive and negative sequence components of current

由式（3）和式（4）可得

得到的濾波器幅頻特性為

由式（6）可知，當頻率為正序分量頻率ω0時，濾波器的幅頻特性為為負序分量頻率-ω0的幅頻特性為因此，經濾波器濾波后，正序分量可以無衰減通過，而負序分量完全衰減，從而實現正負序分量分離的作用。同理，可通過計算將電流負序分量進行分離。

2.2.2 比例復數積分控制

使用傳統的PI 控制方法抑制非線性擾動時，系統中會產生靜態誤差，使得指令信號無法實現無靜差跟蹤，這將影響SVG 的協調補償效果。因此，使用PCI 控制方法降低系統中的穩態誤差，PCI 控制的頻域為

式中：kp為比例系數；ki為復數積分系數；ω0為電流分量頻率。

PCI 控制的主要問題是實現在幅值不變的情況下相角移動90°。可以利用移相90°的全通濾波器來完成傳統PCI 控制中的移相環節。全通濾波器的傳遞函數為

式中：ω0為電流分量頻率；c 為常系數，且c≤ω0。PCI控制器的控制框圖如圖5所示。

圖5 PCI 控制器的控制框圖Fig.5 Control block diagram of PCI controller

3 仿真試驗分析

為驗證所提協調控制策略的有效性和正確性，在MatLab/Simulink 中建立系統模型，如圖6所示。

圖6 DG 和SVG 協調補償仿真模型Fig.6 Simulation model of DG and SVG coordination compensation

圖中，2 臺DG 均由直流電源、三相逆變橋和LCL濾波電路組成，功率均為3 kW。S1和S2為DG 處所帶的本地負荷功率；SVG 額定容量為200 kV·A，并聯接入并網點。系統模型參數見表1。

表1 系統電路參數Tab.1 System circuit parameters

利用所提協調補償策略使得DG 和SVG 互補運行，運行結果如圖7所示。

圖7 DG 和APF 協調補償輸出電壓電流波形Fig.7 Output voltage and current waveforms of coordinated compensation between DG and APF

由圖7（a），（b）可見，未補償時，PCC 點的電壓、電流uPCC和iPCC存在著明顯的不平衡以及畸變。在0.5 s 時DG 參與補償，可以看出，PCC 點的電壓質量得到明顯的改善，電壓波形幾乎接近正弦。因DG補償為電壓補償，所以對于電流的改善效果并不明顯。而且由于DG 補償容量的限制，無法對電壓質量進行完全補償，輸出的電壓依舊存在不平衡問題。在0.6 s 時SVG 進行協調補償，電壓的不平衡以及無功得到足夠的補償，使得PCC 點電壓質量和電流質量都得到很大的改善。

由圖7（c）可見，DG 在參與補償前輸出電壓波形為正弦波，0.5 s 時DG 參與補償，使得自身輸出電壓質量下降，嚴重時會造成連接在DG 母線上的負載無法正常工作；0.6 s 時，投入SVG 進行協調補償，DG 輸出電壓質量也得到較大的改善。通過對DG 和SVG 的協調補償，不僅能夠改善PCC 點的電壓質量，還能夠保證DG 輸出電壓質量穩定。

4 結語

考慮到DG 與SVG 在結構上的相似性，提出了將DG 和SVG 相組合的電壓質量協調控制策略。當系統所需無功功率大小在DG 逆變器輸出范圍內時，利用DG 對系統補償；當DG 無法滿足系統無功需求時，將SVG 投入系統，協調DG 進行協調補償。通過仿真，驗證了所提策略能夠改善并網點電壓質量，還可以解決電壓不平衡問題，從而維持系統的穩定運行，達到改善系統電壓質量的目的。