基于多功能并網(wǎng)逆變器的微電網(wǎng)電能質(zhì)量研究

韓晗， 陳江偉

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省宿遷市泗陽(yáng)縣供電公司,江蘇 泗陽(yáng) 223700；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200000)

基于多功能并網(wǎng)逆變器的微電網(wǎng)電能質(zhì)量研究

韓晗1， 陳江偉2

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省宿遷市泗陽(yáng)縣供電公司,江蘇 泗陽(yáng) 223700；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200000)

針對(duì)微電網(wǎng)中含有非線性、不平衡以及無功負(fù)荷，從而導(dǎo)致微電網(wǎng)的電壓、電流發(fā)生畸變，引起諧波污染等電能質(zhì)量問題。提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量治理雙重功能的多功能并網(wǎng)逆變器。集成了向分布式電網(wǎng)注入有功功率和對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)處的諧波、負(fù)載無功、三相不平衡進(jìn)行補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。最后，利用PSCAD/EMTDC驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。

微電網(wǎng)；多功能并網(wǎng)逆變器；并網(wǎng)；電能質(zhì)量；諧波檢測(cè)

0 引 言

近年來，世界各國(guó)越來越重視分布式電源(如光能、風(fēng)能、天然氣等自然能源)，其應(yīng)用日益廣泛[1]。然而光伏、風(fēng)力等分布式發(fā)電有很強(qiáng)的隨機(jī)性和功率波動(dòng)性，并且分布式電網(wǎng)中采用了大量的電力電子裝置，另外因?yàn)榉植际诫娋W(wǎng)中含有大量的非線性負(fù)載，這些將導(dǎo)致電網(wǎng)的電壓、電流產(chǎn)生畸變，引起諧波污染等電能質(zhì)量問題[2]。

并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與電能質(zhì)量治理裝置相類似，那么并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電及提高電能質(zhì)量成為了可能。另外，新能源往往有隨機(jī)性和間歇性的特點(diǎn)，并且光伏電池、風(fēng)機(jī)等分布式電源一般不會(huì)處于滿額工作狀態(tài)。因而，并網(wǎng)逆變器一般都會(huì)留有一定的功率裕量，如果能充分利用它們來補(bǔ)償電能質(zhì)量，就可以充分利用并網(wǎng)逆變器，從而減少分布式電網(wǎng)內(nèi)電能質(zhì)量治理裝置的投資成本[3]。

1 接入多功能并網(wǎng)逆變器的微電網(wǎng)系統(tǒng)

圖1所示為接入三相組式并網(wǎng)逆變器的微電網(wǎng)系統(tǒng)。其中，多并網(wǎng)逆變器的直流側(cè)一般為分布式電源(光伏電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能設(shè)備等)。多功能并網(wǎng)逆變器如圖所示，由三個(gè)獨(dú)立的單相全橋式逆變器并聯(lián)組成，這樣可以降低開關(guān)管的電壓應(yīng)力，并且此組式并網(wǎng)逆變器的直流和交流可以分別解耦運(yùn)行。濾波部分采用了濾波效果更好的LCL三階濾波器，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和改善系統(tǒng)的高次諧波[4]。然后通過并網(wǎng)點(diǎn)檢測(cè)出補(bǔ)償電流，包括諧波、無功、不平衡電流，與逆變器并網(wǎng)跟蹤電流合成參考電流，傳輸?shù)紻SP控制器，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的開關(guān)控制，完成并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量調(diào)節(jié)。

2 多功能并網(wǎng)逆變器的控制

為了顯著的衰減并網(wǎng)電流的高次諧波，本文采用了一種基于LCL加權(quán)電流反饋的控制策略[5]。此策略結(jié)合了并網(wǎng)側(cè)電流反饋和逆變器側(cè)電流反饋的優(yōu)點(diǎn)；而且，當(dāng)選擇合適的參數(shù)，可以消除極點(diǎn)峰值增益，從而不再影響調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì),如圖2所示。

取加權(quán)電流為:

i=αi1+βi2

(1)

式中α+β=1，i2=ni1。則系統(tǒng)輸入電壓u0到電流i之間的傳遞函數(shù)為：

(2)

為了消除由于極點(diǎn)諧振峰值帶來的穩(wěn)定裕量不足的問題，使得PI調(diào)節(jié)的比例增益可以選擇比較大的值減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差和提高動(dòng)態(tài)性能，可以選擇適當(dāng)?shù)闹凳股鲜鰝鬟f函數(shù)的零極點(diǎn)抵消或接近，并使控制系統(tǒng)由三階變?yōu)橐浑A。

圖1 接入三相組式并網(wǎng)逆變器的微電網(wǎng)

圖2 LCL加權(quán)電流控制

當(dāng)α=(L1+L1)/(L1+L1+L)時(shí)，式2可以簡(jiǎn)化為:

(3)

同樣，電網(wǎng)電壓u與電流i之間的傳遞函數(shù)為：

(4)

同樣，當(dāng)α=(L1+L1)/(L1+L1+L)時(shí)，式4可以簡(jiǎn)化為:

(5)

此時(shí)系統(tǒng)滿足零極點(diǎn)相消，最終系統(tǒng)從三階降為一階，因而極點(diǎn)峰值增益不再影響PI調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)。

3 多功能并網(wǎng)逆變器的參考電流

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電能質(zhì)量的治理，指令電流中包括了需要檢測(cè)的諧波、無功和不平衡電流；同樣為了完成并網(wǎng)發(fā)電，指令電流中包含了需要時(shí)時(shí)跟蹤的并網(wǎng)功率部分。下面將從電能質(zhì)量治理和并網(wǎng)功率跟蹤這兩部分給出多功能并網(wǎng)逆變器指令電流的計(jì)算方法。

3.1 電能質(zhì)量治理指令電流

如圖3所示，其中G1和B1分別為基波分量的電導(dǎo)和電納,Gh和Bh表示為電流h次諧波分量的電導(dǎo)和電納。

圖3 基于FBD功率理論的檢測(cè)諧波電流

不難發(fā)現(xiàn)，在理想條件下，G1和B1為常數(shù)，而Gh和Bh是h-1次的正弦量。可以利用LPF從等效電導(dǎo)G和電納B中分別濾除Gh和Bh，得到基波電流分量所對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)G1和電納B1。

(6)

(7)

根據(jù)FBD功率理論，基波負(fù)荷電流中的有功分量ipabc和無功分量iqabc可表示為:

ipabc=G1uabc

(8)

(9)

綜上所述，可以得到需要檢測(cè)的諧波電流為：

ihabc=iLabc-ipabc-iqabc

(10)

綜合上述的分析，得到基于FBD功率理論的檢測(cè)諧波電流方法如圖4所示。

圖4 諧波電流檢測(cè)算法

3.2 并網(wǎng)功率指令電流

對(duì)于電壓u和i：

(11)

(12)

式中Um、Im分別為電壓、電流的幅值，φu、φi分別為各自的相位。經(jīng)過Park變換后的電壓ut、電流it

(13)

(14)

則P和Q為逆變器的有功和無功輸出，

(15)

再根據(jù)式(15)，并網(wǎng)指令跟蹤電流簡(jiǎn)化為：

(16)

4 仿真結(jié)果與分析

下面利用PSCAD/EMTDC對(duì)上述相關(guān)設(shè)計(jì)的可行性和有效性進(jìn)行驗(yàn)證。如圖5所示的微電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖，線路參數(shù)如表1所示，本文選用低壓線路。線路1～線路3和網(wǎng)側(cè)線路的長(zhǎng)度分別為0.3 km、0.2 km、0.2 km、0.11 km。微電網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)見表2所示，不平衡負(fù)荷的三相參數(shù)大小分別為: 0.15 H+3 Ω、0.085 H+4.5 Ω、0.03 H+2 Ω。三相整流型非線性負(fù)荷為: 0.1 H+50 Ω。三相對(duì)稱負(fù)荷中電阻為20 Ω。機(jī)端負(fù)荷1和負(fù)荷2的大小分別為12、16 kW。各DG的指令輸出功率分別為9 kW/0var、15 kW/0var、6 kW/0var，并網(wǎng)發(fā)電設(shè)置為從0.01 s開始，多功能并逆變器的發(fā)出的功率為15 kW/0var

圖5 微電網(wǎng)系統(tǒng)接線圖

線路類型R/(Ω·km-1)X/(Ω·km-1)R/X低壓線路0.6420.0837.70中壓線路0.1610.1900.85高壓線路0.0600.1910.31

表2 微電網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)

圖6給出了非線性與不平衡負(fù)荷電流波形，從圖6(a)中可以看到非線性負(fù)荷電流中存在比較多的諧波。而圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)含有較多的零序和負(fù)序電流分量，另外0.01 s的DG的并網(wǎng)發(fā)電出現(xiàn)了一個(gè)暫態(tài)過程。

圖6 非線性和不平衡負(fù)荷電流波形

圖7給出了公共耦合點(diǎn)的電流波形。7(a)中無任何補(bǔ)償，波形發(fā)生了畸變；7(b)為從0.1 s進(jìn)行諧波補(bǔ)償，波形得到了明顯的改善，然而仍含有無功和不平衡電流；7(c)為從0.1 s進(jìn)行無功和不平衡補(bǔ)償，可以看出仍具有高次諧波；7(d)為從0.1 s對(duì)諧波、無功和不平衡完全補(bǔ)償，不難發(fā)現(xiàn)，在多功能并網(wǎng)逆變器在有效補(bǔ)償時(shí)，電能質(zhì)量得到了明顯的改善。

圖7 PCC的電流波形

圖8與圖9分別給出了在無/有多功能并網(wǎng)逆變器下并網(wǎng)側(cè)功率因素、總諧波畸變率(THD)。可以發(fā)現(xiàn)，在多功能并網(wǎng)逆變器不進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，功率因素只有0.8左右，而在對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行治理時(shí)，功率因素得到了明顯的改善，接近于1。在沒有任何補(bǔ)償時(shí)，THD接近10%，明顯不符合并網(wǎng)要求，當(dāng)多功能并網(wǎng)逆變器進(jìn)行調(diào)節(jié)使THD小于5%，很好的實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)的要求。可見多功能并網(wǎng)逆變器能很好的補(bǔ)償PCC點(diǎn)處的并網(wǎng)諧波、無功和不平衡電流分量，改善微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖8 并網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量指標(biāo)(多功能并網(wǎng)逆變器無補(bǔ)償)

圖9 并網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量指標(biāo)(多功能并網(wǎng)逆變器有補(bǔ)償)

5 結(jié)束語(yǔ)

提出一種應(yīng)用于微電網(wǎng)的多功能并網(wǎng)逆變器，然后建立了其數(shù)學(xué)模型，給出了基于LCL加權(quán)電流反饋的控制策略和指令電流的計(jì)算方法。最后，利用PSCAD驗(yàn)證了所提系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的正確性，能有效地完成并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量補(bǔ)償雙重功能，未來在分布式發(fā)電和微電網(wǎng)電能質(zhì)量治理中有很好的應(yīng)用前景。

[1] 劉舒, 李紅濤, 張雙慶, 等.光伏電站發(fā)電性能評(píng)估現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)[J].電氣自動(dòng)化, 2015, 37(6): 35-38.

[2] 王成山, 王守相. 分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研宄[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2008,32(20): 1-4.

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[4] 張國(guó)榮, 張鐵良, 丁明, 等. 具有光伏并網(wǎng)發(fā)電功能的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器仿真[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2007,27(14):82-86.

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A Research on Micro-grid Power Quality Based on the Multi-functional Grid Connection Inverter

Han Han1, Chen Jiangwei2

(1. State Grid Jiangsu Suqian City Siyang County Power Supply Co., Siyang Jiangsu 223700, China;2. State Grid Shanghai Municipal Electric Power Co., Shanghai 200000, China)

In view of micro-grid power quality problems of voltage/current distortion and harmonic pollution caused by nonlinear, unbalanced and reactive load contained in the micro-grid, this paper proposes a multifunctional grid connection inverter which can perform both grid-connection generation and power quality improvement. This grid connection inverter can inject active power into the distributed grid and compensate for the harmonics, load reactive power and three-phase unbalance at the grid connection point. Finally, the feasibility of the above mentioned design is verified by PSCAD/EMTDC.

micro-grid; multi-functional grid connection inverter; grid connection; power quality; harmonic detection

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.06.013

TM464

A

1000-3886(2016)06-0041-03

韓晗(1992-)，女，江蘇泰州人，本科，工程師,從事微電網(wǎng)技術(shù)研究。 陳江偉(1990-),男,江蘇南通人,碩士,工程師,從事微電網(wǎng)技術(shù)研究。

定稿日期: 2016-05-19