吳桂峰，王 軒，章海鋒

（1．揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州，225127；2．揚(yáng)州北辰電氣設(shè)備有限公司，江蘇 揚(yáng)州，225127）

0 引 言

微網(wǎng)是先進(jìn)科技下的產(chǎn)物，與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比，微網(wǎng)電能質(zhì)量存在的問題也不同尋常。一般的大電網(wǎng)基本上不會(huì)受到微小擾動(dòng)的影響，但是微網(wǎng)之中如果有小的擾動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的問題。微網(wǎng)的穩(wěn)定功率控制在幾十千瓦的發(fā)電單元內(nèi)，這個(gè)單元的構(gòu)成主要是分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能裝置以及必要的控制裝置等，這些設(shè)置構(gòu)成了可以操控的單元，向用戶提供所需要的電能和熱能，微網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)也凸顯出來。結(jié)合微網(wǎng)的缺陷和優(yōu)勢(shì)，有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器無論是在理論上還是實(shí)際操作中都有效地保證了微網(wǎng)的電能質(zhì)量。本文結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，在既有研究的基礎(chǔ)上分析了微網(wǎng)調(diào)節(jié)面臨的主要問題，及有源電能質(zhì)量控制器（Active Power Quality Controller／Conditioner，簡(jiǎn)稱 APQC）的主要結(jié)構(gòu)，提出了APQC的控制策略，并進(jìn)行了仿真分析。

1 微網(wǎng)調(diào)節(jié)面臨的主要問題

微網(wǎng)將大規(guī)模的分布式電源互聯(lián)，并入到中低壓配電系統(tǒng)中，微網(wǎng)要完成相應(yīng)的工作必須自身具備一定的電源。在微網(wǎng)的間歇式電源的運(yùn)行狀態(tài)下，由于較大負(fù)載突變，容易導(dǎo)致交流母線電壓瞬變、閃變以及有功功率輸出波動(dòng)等現(xiàn)象。微網(wǎng)中可能有單相式分布的負(fù)荷及電源，這類負(fù)荷和電源會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的三相不平衡水平增加；此外，在微網(wǎng)中使用大量的逆變器，會(huì)導(dǎo)致諧波諧振的出現(xiàn)，電網(wǎng)內(nèi)阻與諧波電流發(fā)生相互作用，導(dǎo)致整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓畸變，這將嚴(yán)重影響與逆變器連接在同一個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電氣設(shè)備。

針對(duì)微網(wǎng)出現(xiàn)的這些重要問題，相關(guān)的研究人員已經(jīng)根據(jù)公共電網(wǎng)電壓不平衡的相關(guān)特點(diǎn)進(jìn)行了一系列的研究，并得出了一些有效的解決方案，例如Vilathgamuwa DM等人提出并運(yùn)用了由串并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成的三相三線以及三相四線形式的微電源接口逆變器，以此來進(jìn)行電能質(zhì)量的改善；部分方案主張用逆變型的分布式電源來控制微電網(wǎng)的電能質(zhì)量；還有的方案則主張采用非線性不平衡負(fù)荷的微電網(wǎng)電能質(zhì)量補(bǔ)償設(shè)備，以及動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)器和配電靜止補(bǔ)償器來提高電能的質(zhì)量。本文提出的主要方案是將微網(wǎng)和低壓配網(wǎng)的公共連接點(diǎn)一起并入有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，這樣可以通過對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，提高電能的質(zhì)量。同時(shí)，當(dāng)三相負(fù)荷失衡時(shí)，還能通過公共連接點(diǎn)來保持三相電流的正弦，保持三相電壓的平衡。

2 APQC的結(jié)構(gòu)

有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的研究主要通過它在微網(wǎng)中的位置結(jié)構(gòu)和自身的機(jī)構(gòu)來進(jìn)行。

對(duì)照?qǐng)D1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，可以看出APQC的三相四線系統(tǒng)主電路變流器采用的是三橋臂脈寬調(diào)制變流器。在圖2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中也可以明顯的觀察到，四相變流器的開關(guān)數(shù)目多于三相變流器。根據(jù)近幾年的研究已經(jīng)證明，這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于傳統(tǒng)的三橋臂四線制具有的可控性更強(qiáng)。

圖1 調(diào)節(jié)器在微網(wǎng)中的結(jié)構(gòu)

圖2 有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在調(diào)節(jié)器本身的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖中可以看出，APQC的主電路實(shí)際上是電壓型的PWM變流器。由于這種PWM變流器是一種可控電流源，因此可以產(chǎn)生補(bǔ)償電流，可以對(duì)諧波電流和負(fù)載的無功功率同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償。APQC的母線中性點(diǎn)是兩只容量相同的電容器并聯(lián)而成的，并且這個(gè)點(diǎn)要和三相電源的中性線連結(jié)，這就保證了中性電流有通過的路徑。同時(shí)，這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還能允許零線電流朝兩個(gè)不同的方向通過開關(guān)和電容器。在這里假設(shè)一組數(shù)據(jù)：APQC的三相補(bǔ)償電流為ica、icb、icc，那么就可以依據(jù)公式求出中線電流icn，求值公式為：ica＋icb＋icc＝icn?？梢钥闯?，在APQC中直流母線電壓會(huì)在開關(guān)頻率和對(duì)應(yīng)線電流中發(fā)生波動(dòng)。如果要對(duì)其電壓進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定，就要對(duì)直流母線的滯環(huán)控制器的寬度進(jìn)行調(diào)整，使電壓保持在一個(gè)適當(dāng)?shù)闹瞪稀?/p>

通過圖2的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)另外的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行微網(wǎng)的電流計(jì)算。設(shè)i和isj、ilj、icj為負(fù)載電流和APQC的三相補(bǔ)償電流a、b、c。根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)，可以將瞬時(shí)負(fù)載電流和APQC的補(bǔ)償電流計(jì)算出來，通過這些電流和電壓的計(jì)算就可以看出，有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器能有效地調(diào)整微網(wǎng)中不穩(wěn)定電壓和電流，使其處于平穩(wěn)運(yùn)行的狀態(tài)，但是具體的調(diào)節(jié)過程還得依賴調(diào)節(jié)器的控制方法。

3 APQC的控制策略

3．1 同步鎖相法

有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的控制是實(shí)現(xiàn)APQC補(bǔ)償微網(wǎng)側(cè)非線性負(fù)載電流，保證公共連接點(diǎn)的電流和電壓都是正弦波。APQC補(bǔ)償微網(wǎng)中，中線一般連接在電容器的中間，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電容器的電壓容易出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，因此，應(yīng)對(duì)APQC加設(shè)直流側(cè)電容電壓，以對(duì)其進(jìn)行平衡控制。所以有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器要檢測(cè)的內(nèi)容就是公共連接點(diǎn)的三相電壓、三相負(fù)載電流、直流側(cè)電容電壓。

APQC的電流補(bǔ)償中最關(guān)鍵的技術(shù)是同步鎖相技術(shù)，其對(duì)APQC的性能具有直接性的影響。由于微網(wǎng)中可能有單項(xiàng)式分布的負(fù)荷和電源，且有較多的電氣裝置，導(dǎo)致微網(wǎng)電壓呈現(xiàn)不對(duì)稱或者畸變狀態(tài)。處理這種不對(duì)稱或者畸變狀態(tài)時(shí)，傳統(tǒng)的鎖相技術(shù)明顯存在穩(wěn)定性差及誤差大等缺陷，本文針對(duì)這一系列問題探討建立在瞬時(shí)無功理論上的同步鎖相方法，其原理圖如圖3所示。

圖3 瞬時(shí)無功理論的鎖相方法

圖3清晰地展示了瞬時(shí)無功理論的鎖相方法。這種鎖相環(huán)法可以對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)鎖相，以旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸作為電壓的基波正序矢量，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中將采樣所得的公共連接點(diǎn)（Point of Common Coupling，PCC）三相電壓進(jìn)行瞬時(shí)分解。

分析圖3可知，在abc三相在靜止坐標(biāo)系中，ua、ub、uc分別為PCC三相電壓的瞬時(shí)值，基波正序分量為ua＋、ub＋、uc＋，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中dq電壓的瞬時(shí)值為ud、uq。三相電壓要從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中是通過變換矩陣Cabc／dq進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，而Cabc／dq也擁有自己的逆矩陣Cdq／abc，兩個(gè)矩陣的相關(guān)計(jì)算公式為：

abc處在靜止坐標(biāo)系的時(shí)候可以通過對(duì)稱分量法和傅立葉分解法將電壓也通過一定的代數(shù)式表示出來，假設(shè)在坐標(biāo)系中第n次的諧波正序表示為U＋n，負(fù)序表示為U－n，零序?yàn)閁0n，得到相應(yīng)的代數(shù)式為：

式（4）中也得到了第n次諧波正序、負(fù)序和零序電壓分量的初相角。這時(shí)可以通過公式計(jì)算旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq的電壓。Udq＝Cabc／dqUabc，將上述相關(guān)的代數(shù)式帶入這個(gè)公式進(jìn)行計(jì)算可得：

通過算式換算以及坐標(biāo)變換之后，在dq坐標(biāo)系下，PCC電壓的基波正序分量以直流量的形式呈現(xiàn)。而在微網(wǎng)中，其電壓的負(fù)序分量、諧波分量以及零序分量則以交流量的形式呈現(xiàn)。利用低通濾波器可以將正序有功及無功分量分離開來，再通過一系列的變換得出的分量即為PCC電壓的基波正序分量，進(jìn)而就可以得到電壓基波的正序分量相位。

3．2 控制補(bǔ)償電流

補(bǔ)償電流通過雙閉環(huán)進(jìn)行控制，外環(huán)和內(nèi)環(huán)分別對(duì)直流電壓和交流電壓進(jìn)行控制，從而形成直流電壓控制環(huán)以及交流電壓控制環(huán)。其中，外環(huán)主要是對(duì)直流電壓的給定值以及反饋值進(jìn)行分析比較，并以比例積分的形式來處理所得到的差值，并以此對(duì)控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后生成電網(wǎng)電流的參考值。將這個(gè)參考值的幅值與同頻同相條件下公共連接點(diǎn)的正弦信號(hào)相乘，即可得到該連接點(diǎn)的電流參考值。將電流參考值從負(fù)載電流中減掉，可以得到包含有功及無功電流諧波分量在內(nèi)的補(bǔ)償電流的參考值。比較實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)與計(jì)算得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)進(jìn)行比較，并將二者產(chǎn)生的偏差輸入比較器，生成驅(qū)動(dòng)IGBT的PWM信號(hào)。

微電網(wǎng)對(duì)直流測(cè)壓的控制是建立在APQC雙向傳輸?shù)幕A(chǔ)上的，雙向傳輸就是通過控制逆變器開關(guān)的通斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電容能量的吸收或者釋放，從而達(dá)到維持電壓穩(wěn)定的目的，這可以使公共連接點(diǎn)的電流保持正弦狀態(tài)，并與電壓相一致。

3．3 驗(yàn)證同步鎖相控制方法

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析并對(duì)同步鎖相控制法的科學(xué)性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證，建立了電壓基波的正序分量仿真模型，如圖4。

圖4 仿真模型

分析圖4可知，主電網(wǎng)主要由兩個(gè)部分組成，即三相橋式全控整流負(fù)載和三相不可控橋式整流負(fù)載兩部分。其中前者的直流側(cè)電阻為R1，電阻值為40Ω，后者的直流側(cè)電阻為R2，電阻值為400Ω，主電網(wǎng)是一個(gè)非線性負(fù)載等效。微網(wǎng)中的中線電流為I0，此時(shí)假定微網(wǎng)三相電壓同時(shí)含有基波的正序分量、負(fù)序分量、零序分量，換而言之，微網(wǎng)的電壓已經(jīng)畸變和不對(duì)稱，這個(gè)時(shí)候的表達(dá)式是式（7）。

在仿真模擬中可以看出，當(dāng)三相電壓畸變和不對(duì)稱的時(shí)候，計(jì)算值中包括了諧波分量和基波的正序分量等，因此，采用這種以瞬時(shí)無功理論為基礎(chǔ)的同步鎖方法能將基波正序分量實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)出來，獲得準(zhǔn)確的三相電壓相位，也能有效地將鎖相環(huán)鎖相誤差消除。

3．4 仿真模擬分析

本文所提的方案需要建立多種反仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，PCC中電壓和電流參數(shù)的仿真模擬參數(shù)分析中，根據(jù)電能質(zhì)量指標(biāo)總諧波畸變率、功率因數(shù)和三相電壓不平衡度對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分組。從圖5可知補(bǔ)償后PCC電流波形得到了極大的改善。

圖5 PCC電壓和電流畸變率

根據(jù)補(bǔ)償后的PCC的abc電流和電壓的相位，采用建立坐標(biāo)的方法，驗(yàn)證微網(wǎng)中功率的改善。觀察圖6可知，補(bǔ)償后PCC電流及電壓的頻率與相位保持一致，功率因數(shù)趨近1，極大程度地改善了PCC電能的質(zhì)量。

圖6 補(bǔ)償后的電流電壓相位

4 結(jié)束語

有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在微網(wǎng)的電壓畸變和不對(duì)稱的時(shí)候，可以通過瞬時(shí)無功理論上的同步鎖相技術(shù)，將微網(wǎng)電壓的正序分量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過補(bǔ)償電流實(shí)現(xiàn)電壓的平衡。同時(shí)，有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在進(jìn)行電能調(diào)節(jié)的過程中，主要是進(jìn)行“檢測(cè)—提出補(bǔ)償電流控制策略—調(diào)節(jié)”三個(gè)步驟，有效地保障了微網(wǎng)電能的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了單位電功率因數(shù)的科學(xué)合理。

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