抑制微網(wǎng)中諧波電流的逆變器控制策略研究

費(fèi)科，吳在軍，朱皓斌，楊文燮

（東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096）

1 引言

微電網(wǎng)是由分布式電源（DG）和本地負(fù)荷組成的獨(dú)立可控的系統(tǒng)，大電網(wǎng)與分布式發(fā)電相結(jié)合被公認(rèn)為是能夠節(jié)省 、降低能耗、提高電力系統(tǒng)可靠性和靈活性的主要方式［1］。在微電網(wǎng)中含有非線性負(fù)荷時(shí)，本地DG必須采用適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，以消除本地非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流對微電網(wǎng)內(nèi)部和對配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)［2－3］提出了采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器（DVR）、配電靜止同步補(bǔ)償器（DSTATCOM）作為含非線性不平衡負(fù)荷的微電網(wǎng)中的補(bǔ)償設(shè)備，主要針對無功功率補(bǔ)償。文獻(xiàn)［4］提出了采用有源電力濾波器（APF）和SVC聯(lián)合系統(tǒng)，APF裝設(shè)在分布式電源出口進(jìn)行濾波，SVC裝設(shè)在負(fù)荷側(cè)實(shí)現(xiàn)大容量無功的就地補(bǔ)償。以上方法雖然都能實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)內(nèi)電能質(zhì)量的改善，但是都增加了額外的補(bǔ)償器件，從經(jīng)濟(jì)性角度考慮不太合適。文獻(xiàn)［5］根據(jù)并網(wǎng)逆變器和有源濾波器具有相同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了并網(wǎng)發(fā)電和有源濾波的統(tǒng)一控制方法，但不能實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)并網(wǎng)和孤島模式的切換。

根據(jù)微電網(wǎng)中負(fù)荷的不同，將DG分為2種：一種是帶有非線性負(fù)荷，采用文獻(xiàn)［5］中所提的并網(wǎng)和諧波抑制統(tǒng)一控制方法；另一種是只帶有普通線性負(fù)荷，采用下垂控制方法。并網(wǎng)時(shí)，每個(gè)DG對于大電網(wǎng)來說都是一個(gè)獨(dú)立可控的運(yùn)行單元，在孤島時(shí)，采用下垂控制的DG作為參考電壓源，提供頻率和電壓支持，各DG的控制方法不需要改變，即能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)到孤島模式的切換。

2 微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)

圖1所示為所研究的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖。微電網(wǎng)通過斷路器接入大電網(wǎng)，DG1帶有非線性負(fù)載，DG2所帶負(fù)荷為普通線性負(fù)載。DG通過逆變器接入電網(wǎng)，逆變器直流側(cè)電壓Vdc假定基本維持不變，用直流電壓源表示。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Microgrid structure

3 諧波電流的實(shí)時(shí)檢測

非線性負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生大量諧波電流，若不加以控制會(huì)滲入大電網(wǎng)，影響大電網(wǎng)電能質(zhì)量。本文采用基于瞬時(shí)無功功率理論的ip－iq諧波電流檢測方法［6-7］，通過坐標(biāo)變換得到電流的有功分量和無功分量，繼而通過運(yùn)算得出三相電流的諧波分量，具體過程如圖2所示。

圖2 ip-iq諧波檢測方法原理圖Fig.2 ip-iqHarmonic detection method schematic

在圖2中，

其中，sin(ωt)，cos(ωt)為電網(wǎng)電壓通過鎖相環(huán)測得的正弦信號(hào)和余弦信號(hào)。將非線性負(fù)載電流iLoad作為諧波電流輸入，可得到諧波分量iLh，將該電流反向即為所需補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。

4 逆變器的控制策略

4.1 帶非線性負(fù)載DG1的控制策略

根據(jù)dq坐標(biāo)下的三相瞬時(shí)功率理論［8］，瞬時(shí)有功和瞬時(shí)無功功率分別只與id，iq有關(guān)。可以通過對瞬時(shí)值id和iq的控制來實(shí)現(xiàn)對功率的控制。

abc坐標(biāo)系下三相電壓轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)為（式中D為Park變換矩陣）：

在旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系中，若選取參考軸使uq=0，則等效的分布式電源傳送到饋線的功率P，Q如下式所示：

DG1除了實(shí)現(xiàn)對功率的控制向本地負(fù)荷供電外，還需對非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流實(shí)現(xiàn)諧波抑制。則DG1的參考電流計(jì)算公式為

兩邊同時(shí)乘以D-1，得：

根據(jù)得到的DG1參考電流，本文采用滯環(huán)控制［9］來實(shí)現(xiàn)逆變器最終的輸出。為了使逆變器能更好地控制輸出參考電流，需要在逆變器出口處設(shè)置LC濾波環(huán)節(jié)。由于濾波電容的存在，需在式（4）中得到的DG參考電流值加上流經(jīng)濾波電容的電流iCabc。圖3為DG1的控制策略框圖。

圖3 DG1控制框圖Fig.3 Control block diagram of DG1

4.2 帶普通負(fù)荷的DG2控制方法

DG2使用下垂控制方法［10］，在并網(wǎng)時(shí)作為一個(gè)獨(dú)立可控的運(yùn)行單元對所帶負(fù)荷供電，在孤島時(shí)，作為DG1的參考電壓源，提供微電網(wǎng)內(nèi)的電壓和頻率支持。

5 系統(tǒng)仿真與結(jié)果

本文利用Matlab／Simulink進(jìn)行了仿真研究。iDG1為DG1支路的入網(wǎng)電流，iload為諧波負(fù)載電流，iDG1為DG1發(fā)出的電流，諧波負(fù)載為三相整流橋電路。系統(tǒng)在1 s時(shí)大電網(wǎng)開關(guān)斷開，進(jìn)入孤島模式。

圖4為加入補(bǔ)償電流前后DG1的輸出電流，DG1的出口電流在加入補(bǔ)償電流之后含有了大量諧波，該部分諧波分量即所需補(bǔ)償?shù)膶ο蟆D5為加入補(bǔ)償電流前后PCC1處的入網(wǎng)電流，可以明顯看出在補(bǔ)償前后，PCC1處的入網(wǎng)電流諧波得到了很好的抑制。

圖4 加入補(bǔ)償電流前后DG1的輸出電流Fig.4 DG1′s output current before and after joining the compensation current

圖5 加入補(bǔ)償電流前后的PCC1入網(wǎng)電流Fig.5 PCC1′s network current before and after joining the compensation current

在1 s前，微電網(wǎng)處于并網(wǎng)模式。DG2按傳統(tǒng)下垂控制對負(fù)荷進(jìn)行供電，DG1按4.1節(jié)中的控制方法對本地非線性負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償。微電網(wǎng)內(nèi)電壓和頻率由大電網(wǎng)支持。經(jīng)過傅立葉分析，加入補(bǔ)償電流后，PCC1入網(wǎng)電流諧波含量由之前的45.57%下降到2.16%，補(bǔ)償后諧波含量低于GB/T 14549—1993所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。

在1 s后，斷路器斷開，微電網(wǎng)進(jìn)入孤島模式，DG2作為參考電壓源，為DG1提供電壓和頻率支持。傅里葉分析知孤島狀態(tài)下補(bǔ)償前PCC1入網(wǎng)電流諧波含量為47.78%，補(bǔ)償后諧波含量僅為1.95%，補(bǔ)償效果明顯。

可見該控制方法在并網(wǎng)和孤島兩種模式下都能對微電網(wǎng)的非線性負(fù)載諧波電流進(jìn)行很好的補(bǔ)償，能有效改善電能質(zhì)量。

圖6為DG1輸出的有功功率和無功功率，在整個(gè)過程中P和Q除了在并網(wǎng)到孤島的切換過程中有短暫的輕微擾動(dòng)，其余時(shí)間基本保持恒定，大小為給定的P0，Q0的大小，在進(jìn)行諧波抑制的同時(shí)DG1還實(shí)現(xiàn)了PQ控制的效果。

圖6 DG1的輸出有功功率和無功功率Fig.6 DG1′s output active power and reactive power

從圖7、圖8可知，微電網(wǎng)在并網(wǎng)到孤島的切換過程中，微網(wǎng)內(nèi)PCC點(diǎn)的電壓在切換瞬間有短暫的暫態(tài)過程，能很快恢復(fù)穩(wěn)定，根據(jù)下垂控制特性，系統(tǒng)頻率略有下降，穩(wěn)定到49.87 Hz，整個(gè)微電網(wǎng)能保持穩(wěn)定，可見該補(bǔ)償算法具有良好的兼容性，在切換過程中不會(huì)對微網(wǎng)內(nèi)電能質(zhì)量產(chǎn)生額外的影響。

圖7 并網(wǎng)到孤島切換過程中PCC點(diǎn)的電壓Fig.7 PCC′s voltage in the process of switching between grid-connected and island

圖8 并網(wǎng)到孤島切換過程中的頻率變化Fig.8 Change of frequency in the process of switching between grid-connected and island

6 結(jié)論

本文基于無功瞬時(shí)理論提出了逆變器在孤島和并網(wǎng)兩種模式轉(zhuǎn)換下對微電網(wǎng)內(nèi)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，抑制諧波電流滲入大電網(wǎng)內(nèi)，從而改善了微電網(wǎng)內(nèi)及大電網(wǎng)的電能質(zhì)量。并在Matlab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該補(bǔ)償算法的正確性以及逆變器控制方法的有效性。

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