采用APF和SVC改善微網(wǎng)電能質(zhì)量

21ic智能電網(wǎng)：采用有源濾波器和靜止無功補(bǔ)償裝置聯(lián)合運(yùn)行的方式來提高孤立運(yùn)行的微網(wǎng)電能質(zhì)量，其中有源濾波器接在分布式電源逆變器出口側(cè)，濾除諧波電流，其電流檢測采用ip-iq法，跟蹤控制采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調(diào)制的方法;靜止無功補(bǔ)償裝置，由晶閘管控制的電抗器和晶閘管投切的電容器組成，安裝在微網(wǎng)負(fù)荷側(cè)，隨負(fù)荷需求供給無功，維持負(fù)荷側(cè)電壓穩(wěn)定，減小系統(tǒng)網(wǎng)損，并提高電能質(zhì)量。經(jīng)實驗證明了該聯(lián)合系統(tǒng)對提高微網(wǎng)電能質(zhì)量是有效的。

在能源需求與環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，既清潔又可再生的分布式發(fā)電技術(shù)獲得了極大的發(fā)展;與此同時，分布式電源DG(Distributed Generation)的接入也帶來了不小的負(fù)面影響，它發(fā)電的間斷性，增加了配電網(wǎng)潮流的不確定性，影響電壓的穩(wěn)定性，同時產(chǎn)生諧波等[1～3]?，F(xiàn)在分布式發(fā)電供能系統(tǒng)多以微網(wǎng)方式接入電網(wǎng)并網(wǎng)或孤立運(yùn)行。它是從系統(tǒng)角度將分布式發(fā)電單元與負(fù)載組成單一的可控單元，是集成多個DG和負(fù)荷的獨立系統(tǒng)。微網(wǎng)在一定程度上克服了分布式電源的缺陷。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，微網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)和運(yùn)行特點，以及包含其中的眾多儲能設(shè)備、檢測控制設(shè)備都使微網(wǎng)電能質(zhì)量問題有了許多新的特點[4～6]。本文采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)和靜止無功補(bǔ)償裝置SVC(Static Var Compensator)聯(lián)合補(bǔ)償?shù)姆绞?，對微網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量的改善。另外本文假設(shè)微網(wǎng)在孤島模式下也能夠提供負(fù)載所需的有功功率，所以微網(wǎng)頻率始終可以保持穩(wěn)定。通過在天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室微網(wǎng)實驗室實驗結(jié)果證明了電能質(zhì)量改善系統(tǒng)的有效性。

1 APF的檢測和控制

1.1 APF的工作原理

APF按接入電網(wǎng)的方式，分串聯(lián)型、并聯(lián)型、串-并聯(lián)型三種結(jié)構(gòu)[7，8]，本文采用并聯(lián)型結(jié)構(gòu)，并聯(lián)型APF投切靈活，各種保護(hù)也相應(yīng)簡單，技術(shù)上比較成熟。并聯(lián)型APF的工作原理為：通過產(chǎn)生與檢測電流中的諧波和無功分量大小相等、相位互差180°的補(bǔ)償電流注入電網(wǎng)，使網(wǎng)側(cè)電流成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的[9，10]。因此并聯(lián)型APF技術(shù)的關(guān)鍵在于補(bǔ)償電流的檢測和補(bǔ)償電流跟蹤控制兩個環(huán)節(jié)。其工作原理圖如圖1所示。

圖一 APF原理

1.2 APF的檢測方法

目前最常用的諧波檢測技術(shù)都是基于三相電路瞬時無功功率理論[11]，主要的檢測方法有兩種p-q法和ip-iq法。由于電網(wǎng)電壓含有畸變和不對稱分量時，p-q法得到的有功電流將是與電壓具有相同頻率、相位和波形的畸變波形，而ip-iq法中電網(wǎng)電壓不對稱造成的正弦信號相位偏差對不對稱分量對諧波的補(bǔ)償沒有影響。本文采用后者作為諧波檢測方法。具體原理如圖2所示。

圖2　ip-iq電流檢測法

電流諧波檢測系統(tǒng)首先利用PLL(phase locked loop)鎖相環(huán)節(jié)獲得與電網(wǎng)a相電壓同頻同相位的正弦信號sinωt和對應(yīng)的余弦信號cosωt，通過矩陣將電流從abc靜止坐標(biāo)系變換到dq0旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，IpIq經(jīng)過低通濾波器LPF后獲基波對應(yīng)的ipiq，經(jīng)過反變換最終獲得基波電流ifabc，諧波電流值可通過含諧波的電流與基波電流差值得到。

1.3 APF的電流跟蹤控制方法

APF在獲得指令電流信號后，產(chǎn)生的實際補(bǔ)償電流應(yīng)能實時跟蹤指令電流的變化，這就要求APF的控制方法有很好的實時性。基于并聯(lián)型APF的電流控制方法比較多，本文采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM(space vector pulse width modulation)結(jié)合的方法。

無差拍控制是數(shù)字系統(tǒng)特有的一種控制方式，容易數(shù)字化，性能較傳統(tǒng)方法有很大的提高，效果是在每一個采樣點上系統(tǒng)的輸出都與其指令完全一致，沒有任何相位滯后和幅值偏差。數(shù)字系統(tǒng)能實現(xiàn)無差拍控制是因為系統(tǒng)下一拍的輸出量總是可以表示為當(dāng)前時刻的輸入控制量與系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合[12]。例如，一個系統(tǒng)用方程描述為：

式中：x為狀態(tài)量;u為輸入量;y為輸出量。

下一拍的輸出量可以表示為：

令下一拍的指令為

從而得

以上表明，系統(tǒng)的輸出在每一拍都與指令相等，即達(dá)到無差拍的效果。

無差拍控制這個環(huán)節(jié)在功能上實現(xiàn)了把對電流諧波的跟蹤控制轉(zhuǎn)換為對電壓諧波的跟蹤控制，從而為后面的SVPWM提供了可供跟蹤的電壓參考量，原理框圖如圖3所示。

圖三 無差拍控制原理

SVPWM與傳統(tǒng)的調(diào)制方式相比，電流畸變率小，直流電壓利用率高，補(bǔ)償效果好，尤其是非常適合數(shù)字化和實時控制，其具體模型圖如圖4所示。

圖4　空間矢量脈沖寬度調(diào)制SVPWM

圖中各個子系統(tǒng)作用依次是：“N1”判斷電壓參考向量在六邊形(針對三相三線制線路)的哪個扇區(qū);“XYZ”選定開關(guān)向量;“Subsystem”計算各個開關(guān)向量的作用時間;“Subsystem1”選定開關(guān)向量的作用順序;“produce PWM”發(fā)出觸發(fā)脈沖。

2 SVC的工作原理

SVC裝置一般并聯(lián)于電路中，可以快速連續(xù)的調(diào)節(jié)無功功率來維持線路電壓水平恒定，具有性價比高、技術(shù)成熟和可靠性高等優(yōu)良性能[13]。

SVC的構(gòu)成形式很多，但基本元件是晶閘管控制的電抗器TCR(thyristor controlle dreactor)和晶閘管投切的電容器TSC(thyristor switched capacitor)。圖5為SVC基本構(gòu)成，濾波器的引入是為了消除系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。

圖五 SVC基本構(gòu)成

晶閘管控制電抗器(TCR型)是根據(jù)母線上無功功率的變化，控制晶閘管的觸發(fā)角a調(diào)節(jié)電抗器的感性無功。晶閘管投切電容器(TSC型)是根據(jù)負(fù)荷感性無功功率的變化，通過反并聯(lián)晶閘管來投入或切除電容器。SVC將TCR和TSC共同配合，克服了之前單靠電容器投切的進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)牟贿B續(xù)性，利用晶閘管作為固態(tài)開關(guān)來控制接入系統(tǒng)的電抗器和電容器的容量，使所需無功功率作隨機(jī)調(diào)整，從而維持系統(tǒng)或負(fù)荷側(cè)電壓的穩(wěn)定。

3 實驗算例

在天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點實驗室的微網(wǎng)實驗室做實驗結(jié)果如下。

(1)構(gòu)建的孤立運(yùn)行模式下的微網(wǎng)系統(tǒng)，具體參數(shù)如表1所示。

表一 孤島模式下微網(wǎng)參數(shù)

在負(fù)荷無功需求為Q=100var時，故障錄波儀所得系統(tǒng)電壓(a相)和電流(a相)波形如圖6所示。由圖可知，系統(tǒng)電壓基本滿足要求，但電流畸變度達(dá)7.25%。

圖六 微網(wǎng)獨立運(yùn)行時系統(tǒng)電壓電流模型

將電能質(zhì)量改善系統(tǒng)添加到微網(wǎng)后，所得系統(tǒng)電壓(a相)和電流(a相)波形，如圖7所示。由圖可知系統(tǒng)的電流畸變度降至1.55%，電流電能質(zhì)量得到提高。

圖7　聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)用于微網(wǎng)后系統(tǒng)電壓電流波形

由圖6和圖7可以明顯看出將電能質(zhì)量改善系統(tǒng)應(yīng)用于孤島模式下的微網(wǎng)后，系統(tǒng)電壓可穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)電流畸變程度大大降低，微網(wǎng)整體電能質(zhì)量有較大的提高。

(2)微網(wǎng)在并網(wǎng)運(yùn)行時，由于大電網(wǎng)的影響，所組成系統(tǒng)的電流畸變度達(dá)2.5%，加上本文所提其電能質(zhì)量改善系統(tǒng)后，電流畸變度降至1.21%。

4 結(jié)語

本文微網(wǎng)(運(yùn)行于孤島模式)進(jìn)行電能質(zhì)量研究，在綜合考慮電能質(zhì)量改善的效果和經(jīng)濟(jì)性后，采用APF接在分布式電源側(cè)快速實時實現(xiàn)諧波濾除功能。實驗結(jié)果表明，加入電能質(zhì)量改善系統(tǒng)的微網(wǎng)系統(tǒng)電壓保持穩(wěn)定，電流畸變大大降低，微網(wǎng)電能質(zhì)量有了明顯提高，從而驗證了電能質(zhì)量改善系統(tǒng)的有效性。

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