考慮儲(chǔ)能容量的電網(wǎng)電能質(zhì)量治理策略

余中平，關(guān)洪浩，余 金，孟高軍，王耿耿

（1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院，江蘇南 京 211167）

0 引言

隨著各國(guó)大力推進(jìn)新能源政策的實(shí)施，太陽(yáng)能、風(fēng)能等分布式可再生能源的應(yīng)用受到了廣泛的重視[1]，[2]?？稍偕茉闯隽σ话愣季哂须S機(jī)性和間歇性，若其直接并網(wǎng)，會(huì)造成嚴(yán)重的電能質(zhì)量問(wèn)題，特別是在公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）處，電 網(wǎng) 內(nèi) 存 在 的 諧 波、無(wú) 功、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì)更加突出[3]，[4]。因此，如何治理分布式能源在并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量問(wèn)題，使得電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行是目前研究的熱點(diǎn)。

由于儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展和成本的降低，在分布式電源系統(tǒng)中添加儲(chǔ)能裝置，成為解決這些問(wèn)題的重要環(huán)節(jié)[5]。文獻(xiàn)[6]～[8]介紹了實(shí)際配電網(wǎng)中，在光伏、風(fēng)電等分布式能源中加入儲(chǔ)能裝置，能夠有效改善變流器并網(wǎng)時(shí)出現(xiàn)的電能質(zhì)量問(wèn)題，減少了棄光、棄風(fēng)現(xiàn)象的發(fā)生。文獻(xiàn)[9]通過(guò)一種新型光-儲(chǔ)系統(tǒng)柔性并網(wǎng)模型，利用儲(chǔ)能平衡最優(yōu)并網(wǎng)有功功率與光伏最大出力之間的差值，并采用P/Q解耦控制使得全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓滿足安全約束，有效地解決了高滲透率清潔能源并網(wǎng)造成的電能質(zhì)量問(wèn)題。文獻(xiàn)[10]分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)功率平滑與有源濾波統(tǒng)一控制的原理，采用CPT理論和重復(fù)控制算法，充分利用儲(chǔ)能變流器資源進(jìn)行電網(wǎng)諧波、無(wú)功補(bǔ)償，有效解決了新能源并網(wǎng)時(shí)帶來(lái)的電能質(zhì)量問(wèn)題。

但上述文獻(xiàn)在改善電網(wǎng)電能質(zhì)量時(shí)都未考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)自身SOC，當(dāng)SOC較低時(shí)，如果繼續(xù)利用儲(chǔ)能資源治理全部的電能質(zhì)量問(wèn)題，就會(huì)造成儲(chǔ)能電池過(guò)放，縮短儲(chǔ)能系統(tǒng)使用壽命，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致電能質(zhì)量治理效果不佳。文獻(xiàn)[11]，[12]提出了一種分頻控制，利用其頻率選擇特性，在儲(chǔ)能容量不足時(shí)，選擇對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行影響較大的特定次頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，但該控制策略只單一地解決了諧波問(wèn)題，未能解決其他電能質(zhì)量問(wèn)題。文獻(xiàn)[13]，[14]提出在儲(chǔ)能容量不足時(shí)，為電網(wǎng)中普遍存在的諧波、三相不平衡、無(wú)功等問(wèn)題設(shè)定治理優(yōu)先級(jí)，根據(jù)制定的控制策略，在不同的儲(chǔ)能SOC時(shí)治理相應(yīng)等級(jí)的電能質(zhì)量問(wèn)題。但分布式能源并網(wǎng)時(shí)的電能質(zhì)量?jī)?yōu)先級(jí)是不同的，當(dāng)電能質(zhì)量?jī)?yōu)先級(jí)設(shè)計(jì)不合理時(shí)將會(huì)嚴(yán)重影響電能質(zhì)量問(wèn)題的治理，甚至造成分布式能源并網(wǎng)失敗。綜上所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)往往很難在既考慮儲(chǔ)能SOC，又能最大化地利用變流器剩余容量治理電網(wǎng)中存在的綜合電能質(zhì)量問(wèn)題。

本文提出一種基于儲(chǔ)能容量的電能質(zhì)量治理策略。首先，介紹了PCS的結(jié)構(gòu)并給出了參考電流生成方法；隨后，根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)前容量，選擇補(bǔ)償控制方法，并重點(diǎn)針對(duì)儲(chǔ)能容量不足情況，提出基于PVPI的PCS分頻控制策略，利用PVPI控制具有的頻率選擇特性，根據(jù)儲(chǔ)能剩余容量有選擇地治理電網(wǎng)諧波、無(wú)功、三相不平衡等電能質(zhì)量問(wèn)題；最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了所提出的變流器控制策略能夠滿足要求。

1 儲(chǔ)能變流器實(shí)現(xiàn)原理

1.1 儲(chǔ)能變流器主結(jié)構(gòu)拓?fù)?/h3>

圖1所示為多功能儲(chǔ)能變流器主結(jié)構(gòu)拓?fù)洌饕蓛?chǔ)能電池、四橋臂雙向變流器和控制單元組成。圖中：Udc，idc分別為直流電壓和直流電流；L為變流器側(cè)電感，與濾波電容C構(gòu)成LC濾波電路；iLx，isx，usx（x=a，b，c，n）分 別 為 變 流 器 側(cè) 輸 出 電流、電網(wǎng)側(cè)電流和電壓，并作為控制器的觸發(fā)脈沖信號(hào)，控制儲(chǔ)能變流器的輸出；儲(chǔ)能電池由磷酸鐵鋰電池和超級(jí)電容復(fù)合組成。儲(chǔ)能變流器既能傳輸有功功率，又能根據(jù)自身的剩余容量，對(duì)電網(wǎng)諧波、無(wú)功和不平衡電流進(jìn)行治理，有效地改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。

圖1 儲(chǔ)能變流器主結(jié)構(gòu)拓?fù)銯ig.1 Main structure topology of energy storage converter

1.2 參考電流生成方法

1.2.1補(bǔ)償電流檢測(cè)

儲(chǔ)能變流器在實(shí)現(xiàn)傳輸有功功率的同時(shí)兼具綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償控制，需要克服電網(wǎng)不平衡電壓畸變生成無(wú)功、不平衡及諧波補(bǔ)償電流。本文采用基于瞬時(shí)功率理論的電流檢測(cè)方法，首先利用Clarke（Cabc-αβ）變 換，將 三 相 電 網(wǎng) 電 壓ua，ub，uc變 換到 αβ兩相靜止坐標(biāo)系中，如式（1）所示。

由式（1）可知，經(jīng)過(guò)變換后得到的uα，uβ中含有高次諧波分量和正負(fù)序基波分量，為抑制不平衡電壓的干擾，需要將正序基波分量從中提取出來(lái)。本文采用基于具有濾波及頻率跟蹤功能的自適應(yīng)陷波器（Adaptive Notch Filter，ANF），最終提取出不含諧波、無(wú)功、三相不平衡分量的基波正序電壓分量?；贏NF的基波正序電壓檢測(cè)框圖如圖2所示，其中，分別為基波正序電壓α，β分量。

圖2 基于ANF的基波正序電壓檢測(cè)框圖Fig.2 Fundamental positive sequence voltage detectiondiagram based on ANF

在生成補(bǔ)償電流過(guò)程中，需要將αβ坐標(biāo)系變換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，而同步旋轉(zhuǎn)角正弦、余弦可直接由檢測(cè)出的，表示。

為保證分布式電源并網(wǎng)成功，同步旋轉(zhuǎn)角須要與電網(wǎng)實(shí)際基波電壓相位始終保持一致。首先通 過(guò)Clarke（Cabc-αβ）變 換 將 三 相 靜 止 坐 標(biāo) 系 內(nèi) 的 電流ia，ib，ic變換到 αβ兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)，表示為iα，iβ，其 中 包 含 正 序 基 波 分 量 和 諧 波、無(wú) 功 及 不 平衡負(fù)序分量。利用Park變換將iα，iβ變換到dq同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，Park變換可將基波正序分量轉(zhuǎn)化為直流分量，表示為直流形式的有功、無(wú)功電流id，iq，同 時(shí)iα，iβ中 的 諧 波、無(wú) 功 及 不 平 衡 負(fù) 序 分 量均以諧波的形式存在于id，iq中，可以采用低通濾波 器（Low Pass Filter，LPF）濾 除id，iq中 的 諧 波，從而得到不含諧波的直流有功電流和無(wú)功電流。再通過(guò)Park反變換將，i變換到αβ兩相靜止坐標(biāo)系下，得到不含諧波、無(wú)功和不平衡負(fù)序電流的基波有功電流，，用αβ兩相靜止坐標(biāo)系內(nèi)電流iα，iβ減去，，就生成了含有諧波、無(wú)功和不平衡基波負(fù)序分量的補(bǔ)償電流，。綜上所述，PCS電流補(bǔ)償檢測(cè)框圖如圖3所示。

圖3 PCS電流補(bǔ)償檢測(cè)框圖Fig.3 PCS current compensation detection block diagram

1.2.2并網(wǎng)參考電流生成方法

PCS的主結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D如圖1所示。PCS在基頻dq坐標(biāo)系下的等效數(shù)學(xué)模型可以表示為

式中：L和R為儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)時(shí)進(jìn)線電感和電阻；uα，uβ和iα，iβ分 別 為 電 網(wǎng) 電 壓 和 電 流 在 αβ兩相 靜 止 坐 標(biāo) 系 下 的 分 量；ucα，ucβ為PCS側(cè) 電 壓 在αβ兩相靜止坐標(biāo)系下的分量。

PCS輸出的有功功率Pg和無(wú)功功率Qg可分別表示為

由式（4）可知，要控制變流器功率輸出，只需控制iα，iβ即可。當(dāng)控制變流器輸出有功和無(wú)功時(shí)，令Pg=，Qg=，代入式（4），得：

2 PCS補(bǔ)償控制方法

將儲(chǔ)能裝置并聯(lián)在PCC處，其目標(biāo)是根據(jù)控制指令產(chǎn)生大小相等、方向相反的特定頻次的補(bǔ)償電流，與電網(wǎng)中待補(bǔ)償相互抵消，以此來(lái)改善電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。如果不考慮儲(chǔ)能電池當(dāng)前容量，直接對(duì)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，會(huì)造成電池過(guò)放，降低電池使用壽命。PCS采用的復(fù)合控制框圖如圖4所示。

圖4 PCS復(fù)合控制框圖Fig.4 PCS composite control block diagram

當(dāng)儲(chǔ)能電池可輸出容量大于計(jì)算出的待補(bǔ)償容量時(shí)，PCS進(jìn)行全補(bǔ)償控制，治理電網(wǎng)中的諧波、無(wú)功及三相不平衡問(wèn)題；當(dāng)儲(chǔ)能電池可輸出容量小于計(jì)算出的待補(bǔ)償容量時(shí)，PCS進(jìn)行分頻選擇補(bǔ)償控制，此時(shí)PCS根據(jù)自身容量選擇只補(bǔ)償無(wú)功、不平衡電流、特定次電流諧波（3，5，7次等）或特定次諧波之和，實(shí)現(xiàn)有限補(bǔ)償輸出。最后經(jīng)過(guò)PWM環(huán)節(jié)生成控制信號(hào)控制PCS輸出，完成電網(wǎng)電能質(zhì)量治理。

針對(duì)分布式能源并網(wǎng)控制要求，PCS在控制時(shí)應(yīng)兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定、控制精度和穩(wěn)態(tài)誤差等要求。考慮到重復(fù)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤精度高、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，PCS進(jìn)行全補(bǔ)償控制時(shí)，采用文獻(xiàn)[15]，[16]提出的基于改進(jìn)重復(fù)控制算法的內(nèi)環(huán)控制器，將比例控制器與重復(fù)控制器相并聯(lián)，有效地克服了傳統(tǒng)重復(fù)控制器響應(yīng)速度慢的缺點(diǎn)。

本文重點(diǎn)考慮當(dāng)儲(chǔ)能容量不足時(shí)的分頻補(bǔ)償，從而對(duì)電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行有選擇的重點(diǎn)補(bǔ)償，其控制框圖如圖5所示。

圖5 PCS分頻選擇控制框圖Fig.5 PCS frequency division selection control block diagram

如圖5所示，本文分頻控制采用復(fù)矢量（CPI）控制方式，即將矢量比例積分（VPI）控制通過(guò)公式fabc=fdqe-jωt進(jìn) 行 等 效 變 換。

式 中：τp，τi分 別 為 比 例 系 數(shù) 和 積 分 系 數(shù)。

將VPI與CPI進(jìn)行對(duì) 比可知，式（7）中PI控制比例項(xiàng) τp與jωτp/s之間存在耦合關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的單獨(dú)響應(yīng)控制。為改善其響應(yīng)能力，在CPI控制基礎(chǔ)上并聯(lián)比例控制項(xiàng) τpo，并聯(lián)后表達(dá)式如下：

將dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系內(nèi)的式（8）變換到 αβ兩相靜止坐標(biāo)系，可得：

式（9）即為比例諧振控制器中的一種，稱為PVPI控制。PVPI控制利用諧振特性使頻率ω處的增益值理論上達(dá)到無(wú)窮大，當(dāng)系統(tǒng)在諧振頻率為ω時(shí)，系統(tǒng)輸出無(wú)靜差跟蹤同頻率正弦指令輸入。

因?yàn)樵赩PI控制中增加了比例項(xiàng)，使系統(tǒng)開環(huán)零點(diǎn)發(fā)生變化從而加快了系統(tǒng)對(duì)于輸入變化的響應(yīng)速度。同時(shí)PVPI控制能使非諧振頻率點(diǎn)的信號(hào)受到有效抑制，僅實(shí)現(xiàn)對(duì)某一頻率信號(hào)控制，就可以通過(guò)改變比例項(xiàng) τpo獨(dú)立補(bǔ)償各次諧波。PVPI分頻控制算法為

分頻控制輸出量UPVPI（s）與三角波進(jìn)行調(diào)制，即可產(chǎn)生開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，通過(guò)PCS復(fù)合控制方法，注入配電網(wǎng)響應(yīng)的綜合補(bǔ)償電流，使得PCS能夠在自身容量不足的情況下，有選擇地治理電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題，有效提高了電池壽命，使利用儲(chǔ)能治理電網(wǎng)中電能質(zhì)量問(wèn)題更具經(jīng)濟(jì)性。

3 仿真分析

如圖6所示，利用MATLAB/Simulink建立由分布式電源、儲(chǔ)能裝置和負(fù)荷組成的分布式電源并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，對(duì)本文提出的儲(chǔ)能變流器控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并重點(diǎn)驗(yàn)證PCS在儲(chǔ)能容量不足情況下的治理情況。實(shí)驗(yàn)所需具體參數(shù)如表1所示。

圖6 分布式能源并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Distributed energy connection structure

表1 PCS并網(wǎng)參數(shù)Table 1 PCS grid-connected parameters

續(xù)表1

3.1 諧波補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)分析

圖7、圖8所示為電池儲(chǔ)能系統(tǒng)參與電能質(zhì)量治理前后PCS輸出側(cè)電流波形。儲(chǔ)能變流器在投入補(bǔ)償策略前，由于分布式能源并網(wǎng)中大量電力電子器件的運(yùn)用以及負(fù)載中存在非線性、不平衡敏感性負(fù)荷，分布式電源并網(wǎng)電流發(fā)生畸變。圖7給出了PCS輸出側(cè)電流在充放電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的諧波幅值占基波幅值的百分比，畸變率為4.78%。如圖8所示，儲(chǔ)能系統(tǒng)參與諧波補(bǔ)償后，并網(wǎng)電流波形明顯改善，波形接近正弦波，畸變率降低為1.86%，達(dá)到了并網(wǎng)要求，有效地解決了電網(wǎng)中的諧波問(wèn)題。

圖7 補(bǔ)償諧波前并網(wǎng)電流波形及諧波分析Fig.7 Analysis of current waveform and harmonics before compensating harmonic current

圖8 補(bǔ)償諧波后并網(wǎng)電流波形及諧波分析Fig.8 Analysis of current waveform and harmonics after compensating harmonic current

3.2 無(wú)功補(bǔ)償分析

圖9為無(wú)功補(bǔ)償前后并網(wǎng)電壓電流相位波形。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在2.52 s前未投入無(wú)功補(bǔ)償模塊，因?yàn)楸镜刎?fù)載中存在無(wú)功負(fù)荷，需要從交流電網(wǎng)中吸收無(wú)功功率，造成分布式能源并網(wǎng)點(diǎn)處并網(wǎng)電壓和電流存在相位差。在2.52 s時(shí)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)投入無(wú)功補(bǔ)償控制模塊，此時(shí)逆變器迅速調(diào)整輸出電流，并網(wǎng)電壓、電流保持同相位，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本地負(fù)荷的無(wú)功補(bǔ)償，校正了并網(wǎng)電流的功率因數(shù)，使其功率因數(shù)接近于1，有效地實(shí)現(xiàn)了無(wú)功功率補(bǔ)償。

圖9 無(wú)功補(bǔ)償前后波形Fig.9 Waveforms before and after reactive compensation

3.3負(fù)序電流補(bǔ)償及電能質(zhì)量綜合治理

在本地負(fù)載中投入三相電感值不一致的電感器，本地負(fù)載中就會(huì)包含無(wú)功分量及負(fù)序分量，此時(shí)儲(chǔ)能變流器需要進(jìn)行三相不平衡及無(wú)功問(wèn)題的綜合電能質(zhì)量問(wèn)題治理，同時(shí)完成對(duì)無(wú)功電流及負(fù)序電流的補(bǔ)償。

如圖10所示，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在提供補(bǔ)償之前，變流器并網(wǎng)電流發(fā)生畸變且不平衡，同時(shí)并網(wǎng)電流與電壓不同相位，這說(shuō)明在并網(wǎng)點(diǎn)處同時(shí)存在三相不平衡、無(wú)功及諧波問(wèn)題。在儲(chǔ)能裝置提供補(bǔ)償后，入網(wǎng)電流正弦度高，并網(wǎng)電流、電壓三相平衡且同相位。由此可見，本文考慮儲(chǔ)能容量的電網(wǎng)電能質(zhì)量治理策略能夠在保護(hù)儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)上，具有良好的綜合電能質(zhì)量治理能力。

圖10 負(fù)序電流及電能質(zhì)量綜合治理前后波形Fig.10 Negative sequence current and power quality control waveform

4 結(jié)論

本文在考慮PCS儲(chǔ)能容量情況下，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的治理策略進(jìn)行了相關(guān)研究，并得出以下結(jié)論。

①提出PCS主電路拓?fù)浜蛥⒖茧娏魃煞椒ǎ⒉捎没贏NF的基波正序電壓檢測(cè)方法抑制電壓畸變，提高PCS參考電流生成精度。

②在考慮儲(chǔ)能容量的基礎(chǔ)上，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題提出全補(bǔ)償控制和分頻補(bǔ)償控制，同時(shí)重點(diǎn)針對(duì)儲(chǔ)能容量不足情況，提出PVPI控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題有選擇地補(bǔ)償，并仿真驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。