儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)諧波抑制中的應(yīng)用

馮 堯，苑 舜,2，董鶴楠,，張佳斌

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.國家能源局，北京 100824；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

專論

儲能系統(tǒng)在微電網(wǎng)諧波抑制中的應(yīng)用

馮 堯1，苑 舜1,2，董鶴楠1,3，張佳斌3

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.國家能源局，北京 100824；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

微電網(wǎng)中大量電力電子器件的使用以及非線性負荷的投切等，使微電網(wǎng)中存在著大量的諧波問題。為了減少專門濾波設(shè)備的投入，利用微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和有源濾波器拓撲結(jié)構(gòu)相似的特點，提出了關(guān)于微電網(wǎng)在并網(wǎng)狀態(tài)下儲能系統(tǒng)的一種綜合控制策略。文中先介紹了儲能系統(tǒng)的運行特點以及濾波原理。然后，結(jié)合功率調(diào)節(jié)和諧波抑制原理給出了儲能系統(tǒng)的綜合控制指令框圖。最后，在Matlab/Simulink平臺對該儲能系統(tǒng)的綜合控制策 略進行了建模仿真分析。結(jié)果表明，運用該控制策略，儲能系統(tǒng)不但可以調(diào)節(jié)微電網(wǎng)的功率，維持系統(tǒng)頻率，而且能抑制微電網(wǎng)的諧波，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。

微電網(wǎng)；儲能系統(tǒng)；綜合控制；諧波抑制；SOC

近年來，微電網(wǎng)作為大電網(wǎng)的有力補充，在電力系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色[1-3]。但同時也伴隨著電能質(zhì)量的問題。微電網(wǎng)的并網(wǎng)、電力電子器件的大量使用、非線性負荷的投切等不可避免地給電網(wǎng)帶來了大量諧波，使微電網(wǎng)的電能質(zhì)量受到嚴重污染。諧波會造成微電網(wǎng)并網(wǎng)失敗，引發(fā)串并聯(lián)諧振，干擾通信信號等問題。

針對微電網(wǎng)的諧波抑制問題，目前提出的抑制方法大體上分為兩個方面：①從電路上，基于諧波抑制的原理，補償或者吸收微電網(wǎng)中的各次諧波，主要是裝設(shè)各類濾波裝置，例如LCL無源濾波器、有源濾波器、混合濾波器等；②對于逆變器的控制，通過改進傳統(tǒng)下垂控制的方法來抑制微電網(wǎng)的諧波，例如虛擬阻抗法、下垂控制器法等。

在微電網(wǎng)中運用各類濾波裝置來抑制諧波的方法已比較成熟，效果也很明顯。但是，無源濾波器只能濾除特定次數(shù)的諧波，有源濾波器的容量越大，價格也越高。而在電網(wǎng)中投入新的裝置設(shè)備，也會增加額外的經(jīng)濟成本。因此，本文提出利用微電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)，在維持系統(tǒng)功率平衡、調(diào)節(jié)頻率的同時，抑制負荷側(cè)非線性負荷注入的諧波電流，減少額外濾波裝置的投入[4]。

微電網(wǎng)存在孤島和并網(wǎng)兩種典型的穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)。孤島運行時，電壓和頻率一般由微網(wǎng)內(nèi)部的儲能系統(tǒng)來維持，V/f(電壓/頻率)控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。而并網(wǎng)運行時，由大電網(wǎng)提供電壓和頻率支撐，微電網(wǎng)只需關(guān)注能量和功率的交換[5]。因此本文僅對并網(wǎng)狀態(tài)下儲能系統(tǒng)參與諧波抑制進行研究。

1 儲能系統(tǒng)的運行及濾波控制原理

1.1 儲能系統(tǒng)的運行

圖1為簡單的并網(wǎng)狀態(tài)下微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，由分布式電源、儲能系統(tǒng)和負載組成。儲能裝置通過逆變器與微電網(wǎng)連接，通過調(diào)節(jié)變流器調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)的電壓幅值和相角來實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與微網(wǎng)之間功率交換[6]。

圖1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 濾波控制原理

儲能系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)與有源濾波器相似，都包括直流側(cè)電壓、逆變器等，都是通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為三相交流電輸送給微電網(wǎng)。區(qū)別僅僅在于儲能系統(tǒng)的直流側(cè)為直流電源，而有源濾波器的直流側(cè)為電容器。因此，可以借鑒有源濾波器的濾波原理，利用儲能系統(tǒng)的剩余容量,通過逆變器輸出與諧波電流大小相等，方向相反的量來補償微電網(wǎng)中非線性負荷注入的諧波電流，提高電能質(zhì)量。用公式描述為

(1)

式中：ico為補償電流；iLf為負荷電流基波分量；iLh為負荷電流諧波分量[7]。

2 儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖2為儲能系統(tǒng)參與濾波的總體框圖。電網(wǎng)中接有非線性負荷，向電網(wǎng)中注入了諧波電流。儲能單元通過逆變器與負荷并聯(lián)接入電網(wǎng)，輸出有功功率和無功功率平抑電網(wǎng)的功率波動，并補償負荷側(cè)輸出的諧波電流。Us為電網(wǎng)電壓，UL與iL分別為負荷側(cè)的電壓和電流，ic是儲能系統(tǒng)注入電網(wǎng)的諧波補償電流，L2為逆變器的濾波電感，濾除ic中含有的高頻開關(guān)諧波分量。

系統(tǒng)檢測電網(wǎng)的電壓電流，并輸入到功率計算模塊和諧波計算模塊。將得到的信號與參考信號比較，得到三相電流參考信號，利用脈沖寬度調(diào)制對逆變器進行控制。

圖2 儲能系統(tǒng)的總體框圖

3 儲能系統(tǒng)的綜合控制策略

當電網(wǎng)出現(xiàn)功率變化引起頻率波動時，一般由微電源根據(jù)有功-頻率(P-f)特性曲線輸出適當?shù)挠泄β?。但每個電源都有允許輸出的功率極限，當需要電源輸出的功率大于極限功率時，就需要儲能系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)，維持微電網(wǎng)的功率平衡。圖3為儲能系統(tǒng)功率控制指令形成框圖。

圖3 功率控制指令框圖

圖中，ULa，ULb，ULc為儲能裝置逆變器并聯(lián)接入點的三相負荷電壓，ω為接入點角頻率。Cdq為Park變換矩陣，即：

(2)

式中：Preq和Qreq分別為電網(wǎng)實際需要得到的功率；Pmax和Qmax為允許微電源輸出的最大有功功率和無功功率，經(jīng)過式(3)計算可得到需要儲能輸出的有功和無功功率，從而得到輸出功率的電流參考值idr和iqr，再經(jīng)過Park逆變換得到abc坐標系下逆變器輸出相應(yīng)的電流指令信號iar,ibr和icr。

(3)

同時，由于非線性負荷的投入，電網(wǎng)中存在諧波電流，通過儲能系統(tǒng)進行諧波抑制。其儲能抑制諧波的指令形成框圖如圖4所示。

圖4 儲能抑制諧波指令框圖

圖4中，iLa，iLb，iLc為負荷側(cè)的三相電流，其中含有大量諧波分量。通過Park變換，將三相負荷電流中的基波分量由abc坐標系下的交流量變換到dq0旋轉(zhuǎn)坐標系下從而呈現(xiàn)直流狀態(tài)。LPF為低通濾波器。PLL為鎖相環(huán)，產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓基波同相位的正余弦信號，同時消除電網(wǎng)畸變電壓對檢測結(jié)果的影響。ica，icb，icc即為諧波電流的補償指令信號。

(4)

將兩種信號指令綜合，即得到微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的綜合控制信號框圖，如圖5所示。

圖5 儲能系統(tǒng)綜合控制信號框圖

值得注意的是，沒有考慮儲能裝置自身的運行特性和約束條件，比如電池的荷電狀態(tài)SOC(state of charge)，實際運行中，儲能系統(tǒng)可能發(fā)生功率輸出超限的現(xiàn)象。一方面可能會影響儲能裝置功率調(diào)節(jié)和諧波抑制的效果，另一方面也會影響儲能裝置的使用壽命[8]。所以，需要通過判斷儲能裝置的剩余電量，去判斷儲能系統(tǒng)能否同時承擔(dān)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)和抑制諧波的任務(wù)。數(shù)值上，SOC可定義為電池剩余容量與同條件下總?cè)萘康谋戎怠?/p>

(5)

式中：Qc為電池剩余容量；CI表示電池以恒定電流放電擁有的容量[9]。

一般以SOC為1表示電池已充滿，SOC為0說明電池處于全放電狀態(tài)。可運用電量累積法對SOC進行估算，通過累計電池在充電或放電時的電量來估算電池SOC，并根據(jù)電池的溫度和放電率對SOC進行補償[10]。

(6)

式中：SOC0為初始荷電狀態(tài)；CI為電池額定容量；I為充放電電流；η為充放電效率。

4 綜合控制策略的Matlab仿真分析

利用Matlab/Simulink對微電網(wǎng)中綜合控制策略下的儲能系統(tǒng)進行仿真，仿真系統(tǒng)電路如圖2所示。孤島運行時，光伏、風(fēng)能等微電源由于自身發(fā)電量不穩(wěn)定，所以一般采用PQ控制，從而最大限度地提高能源利用率。而對儲能系統(tǒng)采用V/f控制，維持系統(tǒng)的電壓和頻率。因此微電網(wǎng)在孤島運行時不采用儲能裝置進行濾波，只在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行的背景下進行仿真分析。表1為仿真參數(shù)的設(shè)定。

表1 仿真參數(shù)設(shè)定

仿真過程中控制儲能裝置在1 s時投入運行。系統(tǒng)電壓、電流變化波形如圖6所示。

圖6 電壓電流波形補償前后仿真圖

從圖6可以看出，1 s前系統(tǒng)電流波形畸變嚴重，電壓也存在一定程度畸變。在1 s時控制儲能裝置投入工作。參與濾波后，能夠很快跟蹤電流變化，補償諧波電流。電流在1.02 s后已基本變?yōu)檎也ǎf明儲能裝置諧波抑制效果很好。

圖7為諧波電流補償前后的頻譜分析，從圖中可以看出：補償前，電網(wǎng)電流的諧波總畸變率THD(total harmonic distortion)值為26.3%，畸變程度比較大。由儲能裝置參與補償后，電流THD值降到1.98%，電流質(zhì)量得到了明顯改善。

圖7 諧波電流補償前后頻譜分析

圖8為儲能系統(tǒng)參與調(diào)節(jié)前后系統(tǒng)頻率變化。

從圖8可以看出，調(diào)節(jié)前由于系統(tǒng)功率不平衡導(dǎo)致微電網(wǎng)的頻率跌落?？刂苾δ芟到y(tǒng)在1 s時參與功率調(diào)節(jié)，從而將微電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定在50.02 Hz左右。由仿真驗證得到，儲能系統(tǒng)在調(diào)節(jié)微電網(wǎng)頻率，維持電網(wǎng)功率平衡的同時，也很好抑制了非線性負荷注入電網(wǎng)的諧波電流，提高了電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

圖8 系統(tǒng)頻率變化圖

5 結(jié)束語

本文提出了可以利用儲能系統(tǒng)參與微電網(wǎng)諧波治理的思路，并給出了儲能系統(tǒng)的一種綜合控制策略。文中從儲能裝置的并網(wǎng)逆變器和有源濾波器拓撲結(jié)構(gòu)相似出發(fā)，應(yīng)用調(diào)頻和濾波原理，將2個控制策略進行結(jié)合，并通過Matlab/Simulink進行建模仿真分析。仿真結(jié)果表明，在該綜合控制策略下，儲能系統(tǒng)既能維持電網(wǎng)的功率平衡，保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，同時可以有效地抑制非線性負荷注入的諧波電流，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

另外，本文提出應(yīng)該對儲能的荷電狀態(tài)進行計算來判斷實際中儲能系統(tǒng)能否同時承擔(dān)調(diào)節(jié)頻率和抑制諧波兩項任務(wù)，為進一步研究提供一定參考。

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Application on Microgrid Harmonic Suppression in Energy Storage System

FENG Yao1，YUAN Shun1,2，DONG Henan1,3，ZHANG Jiabin3

(1.School of Electrical Engineering,Shenyang University of Technology，Shenyang，Liaoning 110870，China;2.National Energy Administration，Beijing 100824，China；3.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China)

Due to a large number of power electronics technology and switching of nonlinear loads, microgrid harmonic problem is getting worse. In order to reduce the cost of specialized filtering equipment, a comprehensive control strategy of microgrid energy storage system is proposed by the characterstic for similarity topological structure of energy storage system and APF. The operating characteristics of the energy storage system and the principle of filter are introduced. Comprehensive control chart of energy storage system by way of power regulating and harmonic suppression principle is presented, this system is modeled and simulated by using Matlab/Simulink. Simulation results show that the energy storage system not only keep power balance, but also compensate harmonic currents and improve electric energy quality.

microgrid; energy storage system;comprehensive control;harmonic suppression; SOC

TM935

A

1004-7913(2017)02-0001-04

2016-12-01)

馮 堯 (1989)，男，碩士在讀，研究方向為微電網(wǎng)電能質(zhì)量。