采用APF和SVC改善微網(wǎng)電能質量

21ic智能電網(wǎng)：采用有源濾波器和靜止無功補償裝置聯(lián)合運行的方式來提高孤立運行的微網(wǎng)電能質量，其中有源濾波器接在分布式電源逆變器出口側，濾除諧波電流，其電流檢測采用ip-iq法，跟蹤控制采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調制的方法;靜止無功補償裝置，由晶閘管控制的電抗器和晶閘管投切的電容器組成，安裝在微網(wǎng)負荷側，隨負荷需求供給無功，維持負荷側電壓穩(wěn)定，減小系統(tǒng)網(wǎng)損，并提高電能質量。經(jīng)實驗證明了該聯(lián)合系統(tǒng)對提高微網(wǎng)電能質量是有效的。

在能源需求與環(huán)境保護的雙重壓力下，既清潔又可再生的分布式發(fā)電技術獲得了極大的發(fā)展;與此同時，分布式電源DG(Distributed Generation)的接入也帶來了不小的負面影響，它發(fā)電的間斷性，增加了配電網(wǎng)潮流的不確定性，影響電壓的穩(wěn)定性，同時產(chǎn)生諧波等[1～3]?，F(xiàn)在分布式發(fā)電供能系統(tǒng)多以微網(wǎng)方式接入電網(wǎng)并網(wǎng)或孤立運行。它是從系統(tǒng)角度將分布式發(fā)電單元與負載組成單一的可控單元，是集成多個DG和負荷的獨立系統(tǒng)。微網(wǎng)在一定程度上克服了分布式電源的缺陷。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，微網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡性質和運行特點，以及包含其中的眾多儲能設備、檢測控制設備都使微網(wǎng)電能質量問題有了許多新的特點[4～6]。本文采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)和靜止無功補償裝置SVC(Static Var Compensator)聯(lián)合補償?shù)姆绞?，對微網(wǎng)進行電能質量的改善。另外本文假設微網(wǎng)在孤島模式下也能夠提供負載所需的有功功率，所以微網(wǎng)頻率始終可以保持穩(wěn)定。通過在天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室微網(wǎng)實驗室實驗結果證明了電能質量改善系統(tǒng)的有效性。

1 APF的檢測和控制

1.1 APF的工作原理

APF按接入電網(wǎng)的方式，分串聯(lián)型、并聯(lián)型、串-并聯(lián)型三種結構[7，8]，本文采用并聯(lián)型結構，并聯(lián)型APF投切靈活，各種保護也相應簡單，技術上比較成熟。并聯(lián)型APF的工作原理為：通過產(chǎn)生與檢測電流中的諧波和無功分量大小相等、相位互差180°的補償電流注入電網(wǎng)，使網(wǎng)側電流成為與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，從而達到凈化電網(wǎng)的目的[9，10]。因此并聯(lián)型APF技術的關鍵在于補償電流的檢測和補償電流跟蹤控制兩個環(huán)節(jié)。其工作原理圖如圖1所示。

圖一 APF原理

1.2 APF的檢測方法

目前最常用的諧波檢測技術都是基于三相電路瞬時無功功率理論[11]，主要的檢測方法有兩種p-q法和ip-iq法。由于電網(wǎng)電壓含有畸變和不對稱分量時，p-q法得到的有功電流將是與電壓具有相同頻率、相位和波形的畸變波形，而ip-iq法中電網(wǎng)電壓不對稱造成的正弦信號相位偏差對不對稱分量對諧波的補償沒有影響。本文采用后者作為諧波檢測方法。具體原理如圖2所示。

圖2　ip-iq電流檢測法

電流諧波檢測系統(tǒng)首先利用PLL(phase locked loop)鎖相環(huán)節(jié)獲得與電網(wǎng)a相電壓同頻同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號cosωt，通過矩陣將電流從abc靜止坐標系變換到dq0旋轉坐標系，IpIq經(jīng)過低通濾波器LPF后獲基波對應的ipiq，經(jīng)過反變換最終獲得基波電流ifabc，諧波電流值可通過含諧波的電流與基波電流差值得到。

1.3 APF的電流跟蹤控制方法

APF在獲得指令電流信號后，產(chǎn)生的實際補償電流應能實時跟蹤指令電流的變化，這就要求APF的控制方法有很好的實時性?；诓⒙?lián)型APF的電流控制方法比較多，本文采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調制SVPWM(space vector pulse width modulation)結合的方法。

無差拍控制是數(shù)字系統(tǒng)特有的一種控制方式，容易數(shù)字化，性能較傳統(tǒng)方法有很大的提高，效果是在每一個采樣點上系統(tǒng)的輸出都與其指令完全一致，沒有任何相位滯后和幅值偏差。數(shù)字系統(tǒng)能實現(xiàn)無差拍控制是因為系統(tǒng)下一拍的輸出量總是可以表示為當前時刻的輸入控制量與系統(tǒng)狀態(tài)變量的線性組合[12]。例如，一個系統(tǒng)用方程描述為：

式中：x為狀態(tài)量;u為輸入量;y為輸出量。

下一拍的輸出量可以表示為：

令下一拍的指令為

從而得

以上表明，系統(tǒng)的輸出在每一拍都與指令相等，即達到無差拍的效果。

無差拍控制這個環(huán)節(jié)在功能上實現(xiàn)了把對電流諧波的跟蹤控制轉換為對電壓諧波的跟蹤控制，從而為后面的SVPWM提供了可供跟蹤的電壓參考量，原理框圖如圖3所示。

圖三 無差拍控制原理

SVPWM與傳統(tǒng)的調制方式相比，電流畸變率小，直流電壓利用率高，補償效果好，尤其是非常適合數(shù)字化和實時控制，其具體模型圖如圖4所示。