微網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理方法

魏承志，郭成，涂春鳴，陳晶，覃日升

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080；2.云南電力科學(xué)研究院，昆明 650217；3.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

微網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理方法

魏承志1，郭成2，涂春鳴3，陳晶2，覃日升2

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080；2.云南電力科學(xué)研究院，昆明 650217；3.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082)

針對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量問題的復(fù)雜性和多樣性，提出了基于目標(biāo)配置的多目標(biāo)廣義比例積分誤差校正控制方法的微網(wǎng)SVG電能質(zhì)量綜合控制裝置，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)補(bǔ)償目標(biāo)確定和最佳容量分配，解決了傳統(tǒng)PI控制方法對(duì)變化的交流信號(hào)跟蹤效果欠佳的問題。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量綜合控制裝置對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量問題的多目標(biāo)復(fù)合控制，有效解決微源和各種新型負(fù)荷帶給微網(wǎng)的多種能質(zhì)量問題。

微網(wǎng)；電能質(zhì)量；綜合控制裝置；多目標(biāo)配置，廣義比例積分控制

0 前言

微網(wǎng)是一個(gè)非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，微源受制于自然條件，具有間歇性、不確定性特點(diǎn)，容易引起微網(wǎng)無功不足、電壓波動(dòng)、三相不平衡、諧波含量超標(biāo)等電能質(zhì)量問題。在確保微網(wǎng)正常運(yùn)行的同時(shí)，如何保證微網(wǎng)的電能質(zhì)量滿足要求，是研究微網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵問題之一[1-4]。

對(duì)于微網(wǎng)電能質(zhì)量治理問題，文獻(xiàn) [5]提出在微網(wǎng)接入有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，改善微網(wǎng)電能質(zhì)量，該策略實(shí)現(xiàn)微源逆變器的復(fù)用，不但實(shí)現(xiàn)微源并網(wǎng)，而且有效治理微網(wǎng)電能質(zhì)量問題，但其存在變流器控制策略復(fù)雜、對(duì)微源逆變?cè)O(shè)備要求高等不足，實(shí)現(xiàn)較難。文獻(xiàn) [6]提出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，這種方案存在設(shè)備投資成本高，運(yùn)行復(fù)雜等問題。文獻(xiàn) [7]介紹了一種綜合型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)方案。通過調(diào)節(jié)器串聯(lián)部分抑制電壓質(zhì)量問題，利用調(diào)節(jié)器的并聯(lián)側(cè)消除諧波電流問題。該方案電能質(zhì)量治理設(shè)備的控制較為復(fù)雜，也不易實(shí)現(xiàn)。

靜止無功發(fā)生器 (static var generator，SVG)主要用于系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、電壓支撐方面[8]；有源電力濾波器 (active power filter，APF)主要用于電網(wǎng)諧波抑制和不平衡治理等方面[9]。由于SVG與APF的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是相同的，將有源濾波器與靜止無功發(fā)生器的功能結(jié)合起來，組成電能質(zhì)量多目標(biāo)復(fù)合控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種電能質(zhì)量問題的綜合治理。

本文將電能質(zhì)量多目標(biāo)復(fù)合控制裝置引入微網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一套裝置綜合解決微網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生的所有電能質(zhì)量問題，有效降低電網(wǎng)損耗、提高電能利用率，有助于微網(wǎng)吸納更多的新能源。

1 多目標(biāo)控制方案

文中采用的電能質(zhì)量綜合控制裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置采用三相四線制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過控制注入電網(wǎng)的電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量問題的治理。電能質(zhì)量控制器在進(jìn)行多目標(biāo)控制時(shí)，傳統(tǒng)的方法是對(duì)包括無功、諧波和不平衡電流補(bǔ)償信號(hào)進(jìn)行簡(jiǎn)單疊加形成總參考信號(hào)，并采用傳統(tǒng)PI控制方法進(jìn)行參考電流跟蹤控制方法，如圖2a)所示。將電能質(zhì)量綜合控制裝置輸出的三相電流信號(hào)，與三相多補(bǔ)償目標(biāo)的電流參考信號(hào)，經(jīng)PI比較后形成PWM調(diào)制波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)裝置主電路，仿真結(jié)果如圖2b)所示。從仿真過程來看，由于電能質(zhì)量綜合控制裝置控制目標(biāo)繁多，控制策略復(fù)雜，補(bǔ)償判據(jù)不清晰，容量分配不合理等原因，電能質(zhì)量綜合控制裝置難以針對(duì)系統(tǒng)中存在的最突出的電能質(zhì)量問題進(jìn)行重點(diǎn)治理；同時(shí)當(dāng)參考補(bǔ)償容量超過電能質(zhì)量綜合控制裝置的實(shí)際補(bǔ)償容量時(shí)，若對(duì)電能質(zhì)量綜合控制裝置輸出容量不加以控制，極有可能造成功率器件過流而導(dǎo)致燒壞的事故。因此電能質(zhì)量綜合控制裝置在進(jìn)行多目標(biāo)復(fù)合控制時(shí)，首要解決的問題是如何根據(jù)當(dāng)前的工況確定電能質(zhì)量綜合控制裝置最優(yōu)補(bǔ)償目標(biāo)和最佳容量分配問題。從仿真結(jié)果來看，由于參考電流信號(hào)是由無功電流參考信號(hào)、諧波電流參考信號(hào)和負(fù)序電流參考信號(hào)經(jīng)加法運(yùn)算后產(chǎn)生的，是周期性變化的參考信號(hào)，若采用傳統(tǒng)PI控制策略，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的精確跟蹤。傳統(tǒng)PI控制方法只能對(duì)直流信號(hào)進(jìn)行無差控制，對(duì)變化的交流信號(hào)卻無能為力，因此必須尋求一種新的電流跟蹤控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)交流信號(hào)的有效跟蹤。

圖1 電能質(zhì)量綜合控制裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 參考信號(hào)簡(jiǎn)單疊加的電能質(zhì)量綜合控制裝置多目標(biāo)復(fù)合控制方法

1.1 多目標(biāo)復(fù)合控制整體方案

在需要進(jìn)行多種電能質(zhì)量綜合治理的情況下，電能質(zhì)量綜合控制裝置的容量往往不足以滿足全方位補(bǔ)償需求，必須在電能質(zhì)量綜合控制裝置不過載的前提下根據(jù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償任務(wù)重點(diǎn)要求進(jìn)行補(bǔ)償容量的合理分配，即目標(biāo)配置。

圖3 基于目標(biāo)配置的廣義比例積分變結(jié)構(gòu)控制策略

以下提出一種基于目標(biāo)配置的廣義比例積分變結(jié)構(gòu)控制策略應(yīng)用于微網(wǎng)多目標(biāo)電能質(zhì)量綜合控制裝置，其整體控制框圖如圖3所示。該控制策略包括目標(biāo)配置規(guī)則、廣義比例積分控制算法和變結(jié)構(gòu)控制器三大部分。其中，目標(biāo)配置規(guī)則是根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)任務(wù)目標(biāo)，計(jì)算電能質(zhì)量綜合控制裝置的最優(yōu)補(bǔ)償信號(hào)。廣義比例積分控制算法和變結(jié)構(gòu)控制器共同完成將電能質(zhì)量綜合控制裝置補(bǔ)償電流指令信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣β势骷}沖信號(hào)的任務(wù)，并通過閉環(huán)控制保障電能質(zhì)量綜合控制裝置實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)。

1.2 目標(biāo)配置規(guī)則

電能質(zhì)量綜合控制裝置以實(shí)時(shí)電壓偏差、實(shí)時(shí)功率因數(shù)、電流諧波、不平衡電流等指標(biāo)作為補(bǔ)償目標(biāo)。電能質(zhì)量綜合控制器有兩種補(bǔ)償模式，電壓補(bǔ)償模式和綜合補(bǔ)償模式：補(bǔ)償?shù)膬?yōu)先級(jí)以電壓支撐最高，綜合補(bǔ)償模式次之。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)超過閾值時(shí)，電能質(zhì)量綜合控制器進(jìn)入高優(yōu)先級(jí)的電壓補(bǔ)償模式，用其全部容量有效抑制微網(wǎng)的電壓波動(dòng)，同時(shí)還可以聯(lián)合微網(wǎng)中的儲(chǔ)能裝置協(xié)同抑制微網(wǎng)的電壓波動(dòng)問題[10]；復(fù)合補(bǔ)償模式用來解決微網(wǎng)中存在的無功不足、諧波畸變、三相不平衡等問題，其優(yōu)先級(jí)別較低，是正常運(yùn)行情況下電能質(zhì)量綜合控制器所處的補(bǔ)償模式，這三者之間的優(yōu)先級(jí)以是否突破安全閾值來判斷，在均為突破安全閾值的情況下以無功補(bǔ)償優(yōu)先級(jí)高于諧波補(bǔ)償，諧波補(bǔ)償高于不平衡補(bǔ)償。

目標(biāo)配置規(guī)則流程如圖4所示，首先在保證直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定的前提下，確定電能質(zhì)量綜合控制裝置安全容量約束，安全容量約束=裝置設(shè)計(jì)容量-容量安全裕度-直流側(cè)電容電壓維穩(wěn)容量。根據(jù)國(guó)家電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定各項(xiàng)指標(biāo)閾值。圖4中的補(bǔ)償系數(shù)，是指在上述電能質(zhì)量綜合控制裝置安全容量約束的前提下，計(jì)算指令電流的補(bǔ)償系數(shù)，若此時(shí)指令電流的幅值在安全容量約束之內(nèi)，則補(bǔ)償系數(shù)為1，并根據(jù)容量剩余情況，確定優(yōu)先級(jí)低的補(bǔ)償目標(biāo)的容量。若指令電流幅值超過安全容量約束，也就是說電能質(zhì)量綜合控制裝置不可能產(chǎn)生足夠大的補(bǔ)償電流，則補(bǔ)償系數(shù)＜1，并等于電能質(zhì)量綜合控制裝置等效最大補(bǔ)償電流除以計(jì)算得出的指令電流。

電能質(zhì)量綜合控制裝置在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，首先判斷微網(wǎng)電壓偏差是否超過閾值，若超過閾值，則將無功、諧波和三相不平衡的補(bǔ)償系數(shù)置為0，補(bǔ)償器將全部容量用于抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)；若微網(wǎng)電壓未超過閾值，則根據(jù)當(dāng)前的工況確定補(bǔ)償器的綜合補(bǔ)償目標(biāo)，補(bǔ)償?shù)膬?yōu)先級(jí)順序是：無功功率，諧波電流，不平衡電流。補(bǔ)償目標(biāo)根據(jù)圖4確定：

1)功率因數(shù)不在0.9至0.99之間，此時(shí)表明系統(tǒng)的功率因數(shù)嚴(yán)重偏低或者是系統(tǒng)過補(bǔ)償，將各次諧波的比例積分系數(shù)置零后進(jìn)入具體控制算法，相當(dāng)于系統(tǒng)將全部容量?jī)H用于對(duì)無功的補(bǔ)償；

2)功率因數(shù)在0.9至0.99之間，判斷各次諧波電流是否超標(biāo)，若超標(biāo)，則選取超標(biāo)的諧波，將無償補(bǔ)償和其余諧波補(bǔ)償系數(shù)置零，全力補(bǔ)償超標(biāo)諧波電流；

3)若各次諧波均為超標(biāo)，則判斷負(fù)序和零序電流是否超標(biāo)，若超標(biāo)，則將無償補(bǔ)償和諧波補(bǔ)償系數(shù)置零，全力補(bǔ)償不平衡電流；

4)若無功功率、諧波電流和不平衡電流均未超標(biāo)，則根據(jù)各個(gè)電能質(zhì)量指標(biāo)含量與各自標(biāo)準(zhǔn)的比值確定補(bǔ)償系數(shù)，對(duì)各種電能質(zhì)量問題進(jìn)行綜合治理，同時(shí)保證惡化程度最嚴(yán)重的電能質(zhì)量指標(biāo)得到優(yōu)先治理。

圖4 目標(biāo)配置規(guī)則流程圖

1.3 變結(jié)構(gòu)控制策略

在確定好各電能質(zhì)量指標(biāo)的補(bǔ)償系數(shù)后，即可進(jìn)入變結(jié)構(gòu)控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流的精確跟蹤。變結(jié)構(gòu)控制策略包括雙位控制結(jié)構(gòu)和廣義比例積分控制結(jié)構(gòu)，共同完成將電能質(zhì)量綜合控制裝置補(bǔ)償電流指令信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣β势骷}沖信號(hào)的任務(wù)，并通過閉環(huán)控制保障電能質(zhì)量綜合控制裝置實(shí)際輸出的補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)。其中，在電能質(zhì)量綜合控制裝置實(shí)際輸出電流偏差較大時(shí)，變結(jié)構(gòu)控制器直接采用雙位控制結(jié)構(gòu)快速減小偏差；在偏差減小到一定范圍后，雙位控制難以實(shí)現(xiàn)周期性信號(hào)的無差跟蹤，此時(shí)變結(jié)構(gòu)控制器采用廣義比例積分控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率周期信號(hào) (包括基波及主要特征諧波)的無差跟蹤。變結(jié)構(gòu)控制框圖如圖5所示，其控制率如下：

式中，邊帶e＞Δ，按照實(shí)際系統(tǒng)的要求 (諧波指標(biāo)、電網(wǎng)諧波含量、電流跟蹤速度、控制周期大小等)確定。這可以降低對(duì)控制周期的要求，降低控制器實(shí)現(xiàn)的難度和逆變器的開關(guān)頻率(從而降低開關(guān)損耗)。

圖5 變結(jié)構(gòu)控制器

圖6 仿真模型

2 綜合補(bǔ)償仿真研究

根據(jù)上述研究?jī)?nèi)容搭建如圖6所示的仿真模型、對(duì)本項(xiàng)目所提的基于目標(biāo)配置的微網(wǎng)多目標(biāo)電能質(zhì)量綜合控制裝置廣義比例積分誤差校正控制方法進(jìn)行仿真研究。

仿真結(jié)果如下所示，控制器根據(jù)微網(wǎng)當(dāng)前工況計(jì)算得出綜合補(bǔ)償參考信號(hào)，在0.3 s時(shí)刻，投入電能質(zhì)量綜合控制裝置裝置，對(duì)該補(bǔ)償參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，如圖7所示。由該仿真圖形可以看出，通過0到0.04 s的預(yù)充電，電能質(zhì)量綜合控制裝置直流側(cè)電壓得到穩(wěn)定控制，對(duì)參考信號(hào)跟蹤效果良好，發(fā)出能滿足當(dāng)前工況要求的補(bǔ)償量。

圖7 電能質(zhì)量綜合控制裝置運(yùn)行狀態(tài)量仿真效果

觀察圖8可以看出電能質(zhì)量綜合控制裝置對(duì)當(dāng)前工況下的負(fù)荷實(shí)現(xiàn)精確的無功補(bǔ)償，系統(tǒng)中的3、5、7次諧波得到有效抑制，零序和負(fù)序電流也得到相應(yīng)的補(bǔ)償，三相電流有效值趨于平衡，變壓器中性線電流也變小，電網(wǎng)電流波形也趨近于正弦波，系統(tǒng)電能質(zhì)量情況明顯變好。

圖8 電能質(zhì)量綜合控制裝置綜合補(bǔ)償仿真結(jié)果圖

為驗(yàn)證所提控制方法的準(zhǔn)確性，在某微網(wǎng)投入電能質(zhì)量綜合控制裝置，通過對(duì)電能質(zhì)量綜合控制裝置投運(yùn)前后該微網(wǎng)母線上的電能質(zhì)量狀況進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，反應(yīng)電能質(zhì)量綜合控制裝置投運(yùn)后對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量情況的改善作用，裝置在微網(wǎng)實(shí)際安裝位置如圖9所示。

電能質(zhì)量綜合控制裝置設(shè)備設(shè)置完成后，啟動(dòng)設(shè)備，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4.1和圖10所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電能質(zhì)量綜合控制裝置很好地改善了微網(wǎng)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量情況。

3 結(jié)束語

針對(duì)如何確定電能質(zhì)量綜合控制裝置最優(yōu)補(bǔ)償目標(biāo)和最佳容量分配方法及傳統(tǒng)PI控制方法對(duì)變化的交流信號(hào)跟蹤效果不好的問題，本文提出了基于目標(biāo)配置的微網(wǎng)多目標(biāo)廣義比例積分誤差校正控制方法應(yīng)用于電能質(zhì)量綜合控制裝置。目標(biāo)配置可以根據(jù)當(dāng)前的工況條件計(jì)算得出適合的補(bǔ)償參考信號(hào)；廣義比例積分誤差校正控制方法能有效跟蹤變化的交流信號(hào)，解決傳統(tǒng)比例積分控制方法對(duì)交流信號(hào)不能精確跟蹤的弊病。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量綜合控制裝置對(duì)微網(wǎng)電能質(zhì)量問題的多目標(biāo)復(fù)合控制，有效解決微源和各種新型負(fù)荷帶給微網(wǎng)的多種能質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)一套裝置解決微網(wǎng)多種電能質(zhì)量問題的目的。

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Research on Comprehensive Power Quality Management and Engineering Application in Micro-grid

WEI Chengzhi1，GUO Cheng2，TU Chunming3，CHEN Jing2，QIN Risheng2
(1.Electric Power Research Institute of China Southern Power Grid，Guangzhou 510080，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China)

Aim at the complexity and diversity of power quality in the micro-grid，the generalized proportional-integral controller based on multi-goal optimization is proposed in this paper，which is applied to the comprehensive control device of power quality to realize the optimal compensation aim and the optimal allocation of compensation capacity.The problem that traditional PI control method is unable to track the ac reference signal is solved as well.The simulation model based on PSCAD and physical test platform are put up to demonstrate the effectiveness of the proposed methods.The simulation and physical results show that the all the issue of the micro-grid power qualities are managed by the comprehensive control device of power quality with the proposed methods.The purpose of all the issue of the micro-grid power qualities are managed by a device only.

micro-grid；power quality；comprehensive control device；multi-goal optimization；generalized Proportionintegral control；

TM76

B

1006-7345(2015)03-0060-05

2014-10-20

魏承志 (1984)，男，碩士，工程師，南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，從事柔性直流輸電及電能質(zhì)量研究工作 (e-mail)dazhi32＠163.com。

郭成 (1978)，男，博士，高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，主要從事電能質(zhì)量分析與控制，電力系統(tǒng)分析研究工作。

涂春鳴 (1976)，男，博士，博士生導(dǎo)師，湖南大學(xué)，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、諧波抑制及無功功率補(bǔ)償。