充放儲一體化站對區域配電網的諧波治理

楊敏霞，賈玉健，馮俊淇，解 大

(上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

以電動汽車為代表的新能源技術為改善全球惡化的環境以及能源問題提供了新的途徑。電動汽車能源供給設施是電動汽車發展的重要基礎支撐和電動汽車商業化過程中的重要環節，其主要有以下三種類型:充電樁、充電站以及電池更換站[1～6]。

電動汽車及其充電站對電網的影響主要可以從兩方面考慮:一方面電動汽車作為電網負荷接入電網;另一方面電動汽車可作為儲能點向電網送電。這些都將改變電網的負荷特性，可能帶來不可預估的影響[7～9]，倘若進行科學規劃，又可帶來可觀的經濟效益。

有關電動汽車充電站對配電網電能質量的影響，國內外已經開展了一系列的研究。California Energy Commission發表的一篇關于能源的報告中指出，在充電周期中，電池充電站給電網帶來高達2.36%～28%的總諧波失真 (Total Harmonic Distortion，THD)[10，11]。另一方面，由于電網電力電子設備用戶增多，諧波污染也日益嚴重，諧波治理技術成為提高電網電能質量的關鍵[12，13]。

電動汽車充放儲一體化電站的研發有利于解決這些問題，一體化電站將充電站、更換站與儲能站的功能融合進行設計和研究，通過合理設計調度，最大幅度地降低電動汽車充電對電網的不利，并且充分開發利用一體化站的電池儲能系統，在保障電動汽車供能需求的基礎上，改善電網電能質量。因其環保、安全、經濟、高效等優點，一體化電站將成為未來電動汽車充電站的重要發展趨勢。

本文主要研究一體化站對區域配電網的諧波治理效果，并通過仿真進行驗證。

1 充放儲一體化站

充放儲一體化站主要由三部分組成，分別為調度中心、多用途變流裝置、電池系統，其中，調度中心是一體化站的控制中心;多用途變流裝置實現電池系統與電網的能量雙向流動;電池系統實現兩方面的功能，一為電動汽車供給電能，二為對退役電池再開發實現電池儲能并為電網提供電能支持。

為了實現一體化站對電網的輔助功能，關鍵是多用途變流裝置的設計與控制。變流裝置的拓撲結構采用PWM整流逆變雙向變流器以及Buck/Boost雙向直流斬波器，兩者均可實現能量的雙向流動:一方面，根據電池的充電方案，通過變流裝置將電網能量以合適的充電電壓輸送至電池系統;另一方面，當電網系統有需求時，可將電池系統的儲能通過變流裝置以合適的并網電壓電流向電網輸送，協助改善電網電能質量，如圖1所示。

圖1 多用途變流裝置的結構Fig.1 Structure of multi－function converter

下文將分析一體化站對區域配電網提供諧波治理服務的可行性，研究其治理方案并通過仿真進行驗證。

2 配電網的諧波治理

2.1 配電網的諧波來源及危害

在現代電力系統中，隨著大量電力電子設備的投入，電網諧波污染日趨嚴重，諧波治理問題突出。

在配電網中，大量的電力電子裝置的廣泛應用造成了較為嚴重的諧波源。例如整流器、逆變器、調壓器和變頻裝置等，這些電力電子裝置廣泛地應用于電機控制、UPS設備、各種充電設備等。

諧波污染已成為影響電能質量的一大因素，其危害主要有如下幾個方面:增加設備損耗，引起溫升導致壽命縮短甚至引發故障，如旋轉電機、輸電線路、變壓器等;造成繼電保護、自動裝置拒動或者誤動;使電力電容器發生諧振，造成電容器故障損壞等[14]。

2.2 配電網的諧波治理

對于配電網的諧波治理，可以從以下幾方面考慮[15]:

(1)在受端采取治理措施，減輕或者消除諧波對設備的影響。

(2)在諧波源采取治理措施，改善諧波源特性，減少諧波的產生。

(3)在傳輸過程中采取治理措施，通過補償和濾波的方式補償和濾除電網諧波，譬如無源濾波器和有源濾波器。

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其中，采用有源濾波器技術治理配電網諧波污染控制靈活主動，是現代電力系統諧波治理的未來發展趨勢。

本文研究的一體化電站具備有源控制裝置的特性，在實現其為電動汽車供能的基本功能外，還可主動為電網提供諧波補償，下文將具體闡述其治理方案并通過仿真進行驗證。

3 一體化電站對區域配電網的諧波治理

3.1 一體化電站實現區域配電網諧波治理功能的可行性

采用一體化站可實現對電網諧波的治理，其基本原理如圖2所示。

圖2 諧波補償原理圖Fig.2 Control algorithm of harmonic compensation

圖2中，諧波源一般由非線性負載產生，如電力電子裝置等，產生諧波電流Ih，為了治理該諧波源，一體化站通過實時檢測負荷支路的電流，通過諧波算法計算出諧波成分，然后轉變為一體化站變流器的PWM控制信號，控制變流器輸出等幅反向的補償電流。實現一體化站對電網諧波的主動治理。

一體化站在治理電網諧波的功能上相當于帶儲能裝置的有源濾波器，從電網的角度上看可視為接入一個無損裝置，一體化站變流裝置的損耗由電池儲能系統提供。

整個治理過程可分為以下幾個部分:諧波檢測環節、控制模塊、變流裝置，如圖3所示。

圖3 諧波治理功能結構圖Fig.3 Structure of harmonic treatment device

諧波檢測環節和控制模塊是整個補償裝關鍵，通過諧波檢測環節得到諧波電流信號，生成參考電流信號，與變流器實際產生的補償電流ic作比較，將其偏差作為滯環比較的輸入，通過滯環比較環節產生PWM控制信號，控制變流器電路的IGBT開斷，控制變流器向電網注入的電流ic，從而實現注入的補償電流能迅速準確跟蹤參考電流，達到諧波補償的控制目標，如圖4所示。

圖4 諧波補償控制算法Fig.4 Control algorithm of harmonic compensation

3.2 變流裝置的控制策略實現

圖5 變流器的拓撲結構設計Fig.5 Topological structure of converter

該結構的DC/DC環節為Buck/Boost電路，主要作用是進行升、降壓變換，從而避免交流變壓器的使用，得到合適的蓄電池充放電電壓。蓄電池充電時，PWM變換器工作在整流狀態，將電網側交流電壓整流為直流電壓，該電壓經雙向DC/DC變換器降壓得到蓄電池充電電壓;放電時，PWM變換器工作在逆變狀態，雙向DC/DC變換器升壓向逆變器提供直流側輸入側電壓，經逆變器輸出合適的交流電壓。這種拓撲結構的主要優點是適應性強、便于控制，可實現對多串并聯的電池模塊的充放電管理，使得蓄電池的容量配置更加靈活。

在可逆PWM變流器的控制上，采用雙閉環滯環電流控制，電壓外環取直流側電壓為反饋，采用PI調節，目的是穩定直流側電壓;電流內環采用P調節以及滯環跟蹤控制，靈活跟蹤控制網側電流[10]。

為了實現諧波治理功能，需要對多用途變流裝置進行控制:變流器接入電網相當于一個可控電流源并入電網，通過諧波電流檢測電路獲取區域配電網的諧波電流，經運算電路計算得到指令電流并生成PWM變流器的控制信號，驅動PWM電路產生實際補償電流。整體控制框圖如圖6所示。

圖6 變流器控制算法實現框圖Fig.6 Control algorithm of converter

3.3 檢測算法的實現

在電流檢測算法的設計上，利用瞬時無功功率理論[18，19]，將 abc三相系統電壓、電流轉換成αβ0坐標系或dq0坐標系上的矢量，將電壓、電流矢量的叉積定義為瞬時無功功率，然后將這些功率進行逆變換得到三相補償電流。相對于傳統功率理論，瞬時無功功率避開了平均值的環節，實現了無功和諧波電流的實時檢測，對于三相平衡系統的瞬變電流檢測具有較好的實時性，有利于系統的快速控制，獲得更好的補償效果。采用p－q法檢測無功電流以及諧波電流的算法框圖如圖7所示。

圖7 p－q法檢測無功電流以及諧波電流的算法框圖Fig.7 Algorithm implementation by p －q detection method

算法分析:

式 (1)為三相系統電壓，將其abc/αβ變換，得到:

同理，三相負載電流也進行abc/αβ變換，得到iα，iβ。再通過αβ/pq系數計算有功無功分量，如式(3):

再通過低通濾波器得到直流分量p，q，若電壓波形沒有畸變，則由基波up，ip產生，q由基波uq，iq產生。基波電流分量通過反變換pq/αβ，αβ/abc得到，如式 (4)所示:

將 ia，ib，ic與 iaf，ibf，icf相減可得到諧波電流分量。

以上檢測算法具有實時準確的優點，但對于硬件的要求也比較高，需要大量的坐標變換以及高精度的鎖相環。

利用一體化電站進行諧波治理充分開發了一體化電站的功能，并且具有諸多技術優勢:變流裝置采用PWM控制，響應速度快，補償效果好(可動態抑制諧波)，并且控制靈活。下文將對一體化電站進行建模并通過仿真研究其諧波治理效果。

3.4 一體化電站對區域配電網諧波治理效果仿真

根據圖6的控制策略，在EMTP中建立仿真模型，變流裝置直流側穩壓電容取100 mF，交流側濾波電感值為0.6 mH，變流裝置接入線電壓380 V的低壓配電網，接入點諧波源采用三相不控整流電路，仿真結果如圖7所示。

圖7 諧波治理仿真結果Fig.7 Simulation results for harmonic compensation

在EMTP仿真中，負荷支路由于存在三相不控整流電路，產生較大的5次、7次、11次諧波，電流發生畸變，如圖7(a)所示，各次諧波電流幅值如圖7(d)所示。為了治理該諧波，通過諧波檢測裝置檢測諧波電流分量，根據檢測到的諧波電流分量進行處理計算得到補償參考電流，根據參考電流以及目標補償的差值，通過滯環比較環節進行電流跟蹤，輸出PWM波控制變流裝置的IGBT通斷，控制一體化站向電網注入等幅反向的諧波電流，抵消諧波源對電網的諧波電流污染，實際輸出的補償電流如圖7(b)所示，補償后系統電流如圖7(c)所示，可見補償效果較理想，補償后各次諧波電流幅值如圖7(e)所示，諧波源產生的5次、7次、11次諧波基本抑制。圖7(f)為系統電流、含諧波源支路電流以及一體化站接入點電壓的波形，由于系統電流已經得到諧波補償，接入點電壓波形呈正弦波，但電流存在毛刺，所以經過阻抗壓降后的電壓波形并不光滑，這也在允許的范圍內。

4 結論

本文提出的利用電動汽車充放儲一體化站實現電網諧波治理具備響應速度快、補償效果好(可動態抑制諧波)并且控制靈活等優勢。

多用途變流裝置采用雙閉環滯環比較控制策略，外環為電壓環可實現直流側的穩壓，內環為電流環可實現輸出電流的靈活控制;采用電流型滯環比較跟蹤方法，實現對輸出電流的跟蹤控制，達到對諧波電流的快速精確補償。EMTP仿真結果驗證，該控制策略能檢測諧波電流并進行精確補償，實現一體化站迅速有效地治理電網諧波。

一體化站不僅消除了以往單一的充電機對電網的諧波污染，而且通過統一設計，具備對接入點電網的諧波治理功能，提高了一體化站的增值效益，具有廣闊的推廣應用前景。