基于無(wú)功補(bǔ)償?shù)碾姎鈴椈煞€(wěn)壓及諧波抑制的雙閉環(huán)控制

王輝航， 趙朝會(huì)， 詹 俊

(上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院, 上海 201306)

新能源發(fā)電已越來(lái)越成為各國(guó)研究的熱點(diǎn)[1-3]。為解決新能源并網(wǎng)導(dǎo)致的一系列問(wèn)題[4]，研究人員提出各種治理方案：① 電池儲(chǔ)能方法，在用電低谷期將電能用電池存儲(chǔ)起來(lái)，在用電高峰期再將電能釋放出來(lái)使用[5]。② 實(shí)時(shí)電價(jià)方法，在不同時(shí)段采用不同電價(jià)來(lái)調(diào)節(jié)用戶的用電量[6]；③ 電力負(fù)荷控制方法，即直接控制是否對(duì)用戶供電[7-8]。顯然，上述方法的缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，第①種方法的成本太高，第②種方法并不能有效解決問(wèn)題，第③種方法會(huì)引起用戶不滿；這些方法都是為了滿足用戶用電量能與電廠發(fā)電量相當(dāng)而提出的。為有效解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[9]中提出了電氣彈簧(Electric Spring，ES)。利用ES將電網(wǎng)電壓的波動(dòng)轉(zhuǎn)移至非關(guān)鍵負(fù)載，以保證電網(wǎng)電壓保持在額定值。ES和非關(guān)鍵負(fù)載組成的智能負(fù)載[9]對(duì)電網(wǎng)的8種補(bǔ)償模式[10]改變了智能負(fù)載的消耗功率，使電網(wǎng)供需平衡，進(jìn)而保證了電網(wǎng)電壓與頻率的穩(wěn)定。與傳統(tǒng)解決方案不同的是，ES實(shí)現(xiàn)了發(fā)電側(cè)決定需求側(cè)的運(yùn)行模式，即發(fā)多少電，需求側(cè)用多少電。研究人員研究了各種ES需求側(cè)管理的控制方法。文獻(xiàn)[11-12]中的控制方法雖能使母線電壓的有效值穩(wěn)定在額定值，但沒(méi)有對(duì)諧波進(jìn)行處理，諧波含量較大。文獻(xiàn)[13]中雖然對(duì)母線電壓的有效值進(jìn)行了控制，并處理了諧波，但是，由于存在諧振控制器，使得在模擬電路中的硬件部分難以實(shí)現(xiàn)，不僅在數(shù)字電路中增加了計(jì)算量，且不易控制諧振控制器輸出的諧波。文獻(xiàn)[14]中通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的計(jì)算，得出關(guān)鍵負(fù)載母線電壓與發(fā)電側(cè)電壓的相角差，實(shí)現(xiàn)控制關(guān)鍵負(fù)載電壓準(zhǔn)確地跟蹤給定正弦波。該方法受電路參數(shù)的影響，且數(shù)字控制器的計(jì)算量較大。

本文針對(duì)ES母線電壓不穩(wěn)定及諧波問(wèn)題，對(duì)母線電壓有效值的控制和減少母線電壓的諧波進(jìn)行了研究。分析了ES的工作原理，為ES的控制提供依據(jù)；利用單閉環(huán)母線電壓有效值控制方案進(jìn)行母線電壓控制，并在此基礎(chǔ)上加入諧波控制環(huán)，形成雙閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了母線電壓有效值控制和諧波抑制的功能。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 ES結(jié)構(gòu)及工作原理分析

1.1 ES的結(jié)構(gòu)

ES由功率變換器、直流側(cè)電源和LC低通濾波器構(gòu)成。ES和非關(guān)鍵負(fù)載Znc串聯(lián)形成智能負(fù)載，并與關(guān)鍵負(fù)載Zc并聯(lián)接入電網(wǎng)。

(a) ES結(jié)構(gòu)圖

圖1ES結(jié)構(gòu)圖和其在電網(wǎng)中的連接圖

在圖1(b)中，

ZL=RL+jXL

(1)

式中：RL為線路電阻;XL=ωLL為線路電抗；ω為電網(wǎng)角頻率；LL為線路電感。

關(guān)鍵負(fù)載為

Zc=Rc+jXc

(2)

式中：Rc為關(guān)鍵負(fù)載上的電阻；Xc=ωLc為關(guān)鍵負(fù)載上的電抗；Lc為關(guān)鍵負(fù)載電感。

非關(guān)鍵負(fù)載為

Znc=Rnc+jXnc

(3)

式中：Rnc為非關(guān)鍵負(fù)載上的電阻；Xnc=ωLnc為非關(guān)鍵負(fù)載上的電抗；Lnc為非關(guān)鍵負(fù)載上的電感。

1.2 ES工作原理分析

(a) 阻性模式

(b) 容性模式

(c) 感性模式

圖2ES的工作模式

由圖1(b)，有

(4)

在節(jié)點(diǎn)a處運(yùn)用基爾霍夫電流定律(KCL)可得

(5)

結(jié)合圖2(b)，有

由式(6)可得

(9)

由式(4)、(5)、(7)可得

(10)

由式(8)～10)可得

(11)

2 ES控制原理分析

文獻(xiàn)[11]對(duì)ES的控制只能將母線電壓的有效值控制在額定值，缺少對(duì)其諧波的處理，因此，諧波含量較多。本文將這種只控制母線電壓有效值的方法稱為單閉環(huán)母線電壓有效值控制，并在其基礎(chǔ)上，加入諧波抑制環(huán)節(jié)，達(dá)到對(duì)母線電壓有效值控制和諧波抑制的雙重功效，故稱為雙閉環(huán)控制。

2.1 單閉環(huán)母線電壓有效值控制

圖3 單閉環(huán)母線電壓有效值控制框圖

2.2 雙閉環(huán)控制

圖4 雙閉環(huán)控制框圖

要使圖4中諧波控制環(huán)節(jié)取得較好的諧波控制效果，關(guān)鍵在于帶通濾波器中傳遞函數(shù)的選取。實(shí)際工作中，由于能讓工頻信號(hào)無(wú)損通過(guò)，而其他頻率信號(hào)通過(guò)時(shí)能無(wú)限衰減的理想的帶通濾波器是不存在，因此，帶通濾波器的選擇原則如下：應(yīng)使工頻信號(hào)盡量無(wú)損通過(guò)，而其他頻率信號(hào)通過(guò)時(shí)最大限度地衰減；且?guī)V波器為二階傳遞函數(shù)，以使模擬電路中的硬件部分較容易實(shí)現(xiàn)。因此，本文中選擇帶通濾波器中的s域傳遞函數(shù)為

(12)

式中：ω為工頻信號(hào)的角頻率，ω=2πf=2π×50=100 π，其中，f=50 Hz為工頻；λ為系數(shù),選取不同的λ值，幅頻特性也不同。圖5所示為λ取不同值時(shí)，帶通濾波器傳遞函數(shù)的幅頻特性圖。

圖5 帶通濾波器傳遞函數(shù)的幅頻特性圖

由圖5可見(jiàn)，無(wú)論λ取何值，只有當(dāng)f=50 Hz(工頻)時(shí)，信號(hào)才能無(wú)損通過(guò)，而其他頻率信號(hào)都有不同程度地衰減，且λ越小，衰減幅值越大。雖然理論上λ值越小越好，但是，由于實(shí)際工作中，若λ太小，則帶通濾波器中的通頻帶越窄，工頻信號(hào)稍有點(diǎn)偏差，就會(huì)引起較大誤差。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，本文取λ=0.01。

3 ES模型搭建與仿真分析

為驗(yàn)證上述分析的可行性，在Matlab/Simulink軟件中按照?qǐng)D1(b)搭建ES在電網(wǎng)中的連接模型,同時(shí)，設(shè)UG=190 V,RL=0.2 Ω，LL=23 mH,Znc=Zc=50 Ω,UDC=500 V,LES=1 mH,C=75 mF。

根據(jù)圖3和圖4分別搭建單閉環(huán)母線電壓有效值控制和雙閉環(huán)控制的仿真模型，圖6所示為雙閉環(huán)控制仿真模型。設(shè)置仿真時(shí)間為2 s，分別進(jìn)行2種控制方式下的仿真實(shí)驗(yàn)。

圖7所示為仿真得到2種控制方式下的母線電壓有效值波形和母線電壓波形。

由圖7(a)、(c)可見(jiàn)，2種控制方式下的母線電壓有效值基本一致，都穩(wěn)定在220 V左右；由圖7(b)、(d)可見(jiàn)，2種控制方式下的電壓波形的正弦化程度都較高，單閉環(huán)控制下電壓峰值在310 V；雙閉環(huán)控制下，電壓峰值在311 V左右。說(shuō)明2種控制方式對(duì)電壓的控制都很穩(wěn)定。

圖8所示為2種控制方式下母線電壓的諧波畸變率。

圖6雙閉環(huán)控制的仿真模型

(a) 單閉環(huán)控制母線電壓有效值波形

(c) 雙閉環(huán)控制母線電壓有效值波形

(d) 雙閉環(huán)控制母線電壓波形

圖7單、雙閉環(huán)2種控制方式下的母線電壓有效值波形和母線電壓波形

(b) 雙閉環(huán)控制

由圖可見(jiàn)，在單閉環(huán)控制下，母線電壓的諧波畸變率THD=0.64%，而雙閉環(huán)控制下母線電壓的諧波畸變率THD=0.08%，由此可見(jiàn)，雙閉環(huán)控制中由于加入了諧波控制環(huán)節(jié)，使諧波得到了有效抑制。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)ES工作在阻性、容性、感性3種模式的分析，得出了通過(guò)PI控制下的無(wú)功功率補(bǔ)償來(lái)調(diào)節(jié)母線電壓有效值的結(jié)論，并給出了單閉環(huán)母線電壓控制方案。然后，在單閉環(huán)母線電壓控制的基礎(chǔ)上加入了諧波控制環(huán)，形成雙閉環(huán)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了母線電壓有效值控制和諧波抑制的功能。仿真結(jié)果表明，單閉環(huán)母線電壓有效值控制可以實(shí)現(xiàn)母線電壓的穩(wěn)壓功能，但諧波含量較多；加入了二階濾波器諧波控制環(huán)的雙閉環(huán)控制，既實(shí)現(xiàn)了母線電壓有效值控制，又抑制了諧波，且效果良好，可見(jiàn)，雙閉環(huán)控制具有一定的可行性。

[1] DOSHI N, LELEKAKIS N, MARTIN D， et al. A zero carbon future: Based on current initiatives, how long before Australia meets its energy needs from renewable energies? [C]// 2013 Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC). Hobart, TAS, Australia: IEEE, 2013: 1-6.

[2] LORUBIO G, SCHLOSSER P. Euro mix: Current european energy developments and policy alternatives for 2030 and beyond [J]. IEEE Power and Energy Magazine, 2014,12(2):65-74.

[3] CHINA DAILY. China eye s 20% renewable energy by 2020 [N/OL]. (2009-06-10)[2017-02-25]. http://www.chinadaily.com.cn/china/2009-06/10/content_8268871.htm.

[4] 張海燕. 新能源并網(wǎng)對(duì)內(nèi)蒙古500 kV超高壓電網(wǎng)及500 kV變電站安全運(yùn)行的影響分析 [D].北京：華北電力大學(xué),2015:11-12.

[5] 林海雪. 現(xiàn)代儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用概況及展望 [J]. 電源學(xué)報(bào)，2015，13(5)：34-40.

[6] CONEJO A J, MORALES J M， BARINGO L. Real-time demand response model [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2010(3): 236-242.

[7] LEE S C, KIM S J, KIM S H. Demand side management with air conditioner loads based on the queuing system model [J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2011, 26(2): 661-668.

[8] 周潮，邢文洋，李宇龍. 電力系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)方法綜述 [J]. 電源學(xué)報(bào)，2012，10(6)：32-39.

[9] HUI S Y R, LEE C K, WU F. Electric springs—A new smart grid technology [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2012,3(3): 1552-1561.

[10] TAN S C，LEE C K，HUI S Y R．General steady-state analysis and control principle of electric springs with active and reactive power compensations [J]．IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(8)：3958-3969.

[11] CHAUDHURI N R, LEE C K, CHAUDHURI B, et al. Dynamic modeling of electric springs [J]. IEEE Transactions on Smart Grid, 2014,5(5):2450-2458.

[12] LEE C K, CHAUDHURI N R, CHAUDHURI B, et al. Droop control of distributed electric springs for stabilizing future power grid [C]// 2015 IEEE Power & Energy Society General Meeting. Denver, CO, USA:IEEE,2015:1-1.

[13] KANJIYA P, KHADKIKAR V. Enhancing power quality and stability of future smart grid with intermittent renewable energy sources using electric springs [C]// 2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications (ICRERA). Madrid, Spain: IEEE, 2013: 918-922.

[14] 程明,王青松,張建忠. 電力彈簧理論分析與控制器設(shè)計(jì) [J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10):2436-2444.

[15] GYUGYI L, SCHAUDER C D, WILLIAMS S L, et al. The unified power flow controller: a new approach to power transmission control [J].IEEE Transactions on Power Delivery,1995,10(2):1085-1097.

[16] AKAGI H, KANANZAWA Y, NABA A. Instantanneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components [J].IEEE Transactions on Industry Applications,1984, IA-20(3):625-630.