具有電能質(zhì)量統(tǒng)一控制功能的風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)功率接口研究

鄭倩，粟時(shí)平，李東東，顧海寶，羅鳴

（1.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410014；2.新疆巴州電力有限責(zé)任公司，新疆 巴州 841000）

1 引言

風(fēng)能作為一種不可控能源，其風(fēng)速的隨機(jī)性、波動性和間歇性等特點(diǎn)［1］，影響了設(shè)備的利用率，帶來了電壓偏差頻率波動、電壓閃變、諧波污染等電能質(zhì)量問題，降低了電力系統(tǒng)的可靠性。而且微網(wǎng)與主電網(wǎng)直連過程中，它們連接時(shí)間持續(xù)長而且有較大的沖擊；微網(wǎng)和主電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，由于其功率無法控制，在能量相互傳遞過程中它們之間將產(chǎn)生大量諧波。與此同時(shí)統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器因成本高，功能單一，推廣難度較大。

針對這些不足和發(fā)展障礙，提出了基于統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)功率接口的新結(jié)構(gòu)；這個(gè)結(jié)構(gòu)風(fēng)電微網(wǎng)變流器和統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器并聯(lián)部分的變流器具有相同的主電路結(jié)構(gòu)，所以充分發(fā)揮統(tǒng)一電能質(zhì)量控制集串聯(lián)電壓補(bǔ)償、并聯(lián)電流補(bǔ)償裝置和儲能裝置于一體，也就是說它不僅解決了對主電網(wǎng)的電流諧波、無功補(bǔ)償和電壓畸變量抑制等配電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，而且解決了風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)向主電網(wǎng)注入復(fù)雜的電能質(zhì)量擾動。與此同時(shí)，風(fēng)電微網(wǎng)的利用也提高了分布式電源的利用率，解決了我國能源緊缺問題，促進(jìn)了可再生能源發(fā)展。在新結(jié)構(gòu)中的儲能裝置即能改善風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)穩(wěn)定性，也能抑制風(fēng)電微網(wǎng)功率波動，維持風(fēng)電微網(wǎng)電壓，降低風(fēng)電微網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

因此，這樣新結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)設(shè)備多功能使用，它不僅改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低了應(yīng)用成本，而且提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率，將對有源濾波技術(shù)、儲能技術(shù)和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)技術(shù)的共同發(fā)展具有推動作用。

2 具有電能質(zhì)量統(tǒng)一控制功能的并網(wǎng)功率接口拓?fù)浼捌涔ぷ髟?/h2>

具有電能質(zhì)量統(tǒng)一控制功能的并網(wǎng)功率接口拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要由風(fēng)電微網(wǎng)、儲能裝置和統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器三大部分組成。

（1）風(fēng)電微網(wǎng)主要是風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過整流電路連接到直流微網(wǎng)。微網(wǎng)主要是分布式電源（風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池、燃料電池和微燃發(fā)電機(jī)等）連接成網(wǎng)絡(luò)，并接入負(fù)荷單元，并對分布式電源和負(fù)荷起到緩和作用。微電網(wǎng)分為交流微電網(wǎng)和直流微電網(wǎng)。交流微網(wǎng)具有技術(shù)成熟，能擴(kuò)大送電數(shù)量和范圍等優(yōu)點(diǎn)，但是存在無功功率和頻率的問題；然而直流微網(wǎng)與交流微電網(wǎng)相比，并未增加成本，同時(shí)避免了無功功率和頻率的問題；所以風(fēng)電微網(wǎng)采用直流微網(wǎng)。分布式電源風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是采用直驅(qū)機(jī)型，它不僅具有控制簡單、效率高和運(yùn)行可靠的特點(diǎn)而且適合風(fēng)電轉(zhuǎn)換并有運(yùn)行可靠、效率高和控制簡單的特點(diǎn)［2］。整流電路采用PWM交－直換流器，電壓型PWM整流電路是通過電容進(jìn)行儲能從而使直流側(cè)呈低阻抗的電壓源特性，正適用于直流微電網(wǎng)。

（2）儲能裝置采用超級電容，它能有效抑制含風(fēng)電微網(wǎng)有功、無功功率的波動，維持含風(fēng)電微網(wǎng)電壓穩(wěn)定［3］。在主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中儲能裝置是通過DC－DC變換器并接在統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的直流側(cè)。儲能裝置的變換器分別工作buck電流和 boost電路狀態(tài)，對超級電容進(jìn)行充磁和放磁。其二極管的具有防止超級電容反極性充電的作用。

圖1 儲能裝置結(jié)構(gòu)

（3）統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器主電路系統(tǒng)主要三相三線制結(jié)構(gòu)，它由一個(gè)串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器組成，兩者共用直流側(cè)。其中串聯(lián)變流器按受控電壓方式工作，通過變壓器連接到電網(wǎng)和負(fù)載之間。而靠近負(fù)載側(cè)的并聯(lián)變流器按受控源方式工作，通過輸出電感連接到電網(wǎng)。

圖2 具有電能質(zhì)量統(tǒng)一控制功能的風(fēng)電微網(wǎng)接入主電網(wǎng)的并網(wǎng)功率接口的主電路拓?fù)?/p>

工作原理:工作原理是直驅(qū)永磁風(fēng)電機(jī)組的分布式電源經(jīng)過PWM整流器并入直流微電網(wǎng)，再通過直流微電網(wǎng)直接連接到統(tǒng)一電能質(zhì)量控制的直流側(cè)，最后統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的并聯(lián)部分把直流側(cè)的電能以有功電流的形式注入到配電網(wǎng)中去［4］。

3 風(fēng)電微網(wǎng)接入點(diǎn)電能質(zhì)量擾動信號檢測

信號檢測是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)功率結(jié)構(gòu)控制的關(guān)鍵。具有電能質(zhì)量統(tǒng)一控制功能的并網(wǎng)功率接口由并聯(lián)電路變流器和串聯(lián)變流器兩部分組成。并聯(lián)電路變流器的輸出主要用于控制風(fēng)電微網(wǎng)接入點(diǎn)的電流電能質(zhì)量擾動，需要檢測出接入點(diǎn)的電流電能質(zhì)量擾動；串聯(lián)變流器的輸出主要用于控制風(fēng)電微網(wǎng)接入點(diǎn)的電壓電能質(zhì)量擾動，需要檢測出接入點(diǎn)的電壓電能質(zhì)量擾動。對電流和電流電能質(zhì)量擾動的檢測，本文分別采用了廣義瞬時(shí)無功理論和廣義諧波理論的檢測方法。

3.1 基于廣義瞬時(shí)無功理論的電流電能質(zhì)量擾動信號檢測

諧波電流補(bǔ)償指令的檢測采用基于瞬時(shí)無功理論的ip－iq法［5－7］。標(biāo)準(zhǔn)的正、余弦信號是通過（PLL）鎖相環(huán)獲取A相電網(wǎng)電壓的相位所得到的。三相電路中負(fù)載電流經(jīng)過C32、C矩陣可以得到ip、iq，再經(jīng)低通濾波器后可以得到直流基波有功分量、，然后再經(jīng)過反變換并與三相負(fù)載電流ia、ib、ic相減，就可得到諧波電流分量iah、ibh、ich。經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)（AVR）后得到含風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)直流有功分量。Δi是穩(wěn)定直流側(cè)的直流有功分量。

圖3 并聯(lián)變流電路控制的信號檢測

C、C－1分別是C、C的逆矩陣。32

在式中第二項(xiàng)是諧波電流補(bǔ)償和無功補(bǔ)償分量，第三項(xiàng)指令電流是風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)有功電流分量，第四項(xiàng)是穩(wěn)定直流側(cè)的直流有功分量。這四項(xiàng)使基于瞬時(shí)無功理論ip－iq法檢測出的諧波電流、無功補(bǔ)償和含風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)有功電流得到合成，再通過統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器把計(jì)算出合成電流注入電網(wǎng)就可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波電流補(bǔ)償、無功補(bǔ)償和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)。

3.2 基于廣義諧波理論的電壓電能質(zhì)量擾動信號檢測

串聯(lián)變流電路的信號檢測方法采用廣義諧波理論［8］。在三相電路中，頻率等于工頻頻率的三相對稱的正序交流分量，稱為三相電路的工頻正序分量，頻率不等于工頻頻率的三相分量之和，稱為三相電路的廣義諧波分量。其中工頻正序分量與廣義諧波分量完全不相關(guān)。廣義dq0正交變換的基本思想是將三個(gè)相電壓進(jìn)行線性變換，通過線性變換得到一個(gè)空間電壓矢量，并對空間電壓矢量進(jìn)行工頻基波和廣義諧波的分解。

在任意三相電路中，設(shè) a、b、c相的任意電壓ua（t）、ub（t）、uc（t）為:

其中廣義dq0坐標(biāo)系的變換矩陣線性為:

D33的特點(diǎn)是:①通過線性變換D33所得到的三個(gè)分量互不相關(guān)；②D為D33的逆變換；③有功功率保持不變。

三相電路中的電壓通過廣義dq0坐標(biāo)系變換，其變換成的空間矢量中工頻正序電壓分量呈直流形式而廣義電壓諧波呈交流形式。利用其特性，對分離廣義電壓諧波帶來了很大的方便，實(shí)現(xiàn)對補(bǔ)償電壓畸變指令的檢測。廣義電壓諧波檢測原理:三相不對稱系統(tǒng)電壓經(jīng)過線性變換矩陣D33后，再通過低通濾波器（LPF）將其直流電壓分量分離出來，再經(jīng)D33反變換就得到工頻正序電壓，最后將三相電路電壓減去工頻正序電壓就得到三相廣義諧波電壓。

圖4 串聯(lián)變流電路控制的信號檢測

4 具有電能質(zhì)量統(tǒng)一控制功能的并網(wǎng)功率接口的三態(tài)滯環(huán)控制策略

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器要實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確產(chǎn)生補(bǔ)償量時(shí)，控制方法十分重要。本文并聯(lián)變流電路控制采用三態(tài)滯環(huán)控制進(jìn)行控制。滯環(huán)控制是補(bǔ)償參考電流與有源濾波器補(bǔ)償電流產(chǎn)生偏差信號，當(dāng)偏差值超過容許誤差值時(shí)，功率開關(guān)動作。兩態(tài)滯環(huán)只有輸入和補(bǔ)償兩個(gè)狀態(tài)，而三態(tài)滯環(huán)不僅有輸入和補(bǔ)償狀態(tài)，還有續(xù)流狀態(tài)。

兩態(tài)滯環(huán)是指令信號與實(shí)際補(bǔ)償電流信號之間差值偏差信號為Δi，當(dāng)偏差信號低于容許誤差的下閥值時(shí)，開關(guān)Q1、Q4導(dǎo)通，il電流減小，A相輸出電壓為－Udc；當(dāng)偏差信號超過容許誤差的上閥值時(shí)，Q2、Q3導(dǎo)通，il電流增大，A相輸出電壓為Udc。

圖5 簡化A相滯環(huán)結(jié)構(gòu)

串、并聯(lián)變流電路控制采用三態(tài)滯環(huán)控制。設(shè)滯比較器寬度為2δ，補(bǔ)償電流信號為if，指令信號為ig＞0的正半周，Q1一直閉合；當(dāng)Q2、Q3導(dǎo)通，Q4閉合，A輸出的Udc，il按（Udc－U0）/L上升；當(dāng)il上升至if大于ig時(shí)，Q3閉合，Q4導(dǎo)通，A相輸出為0，il按－U0/L變化。若U0大于0，則il下降，直到開關(guān)周期結(jié)束；若U0小于0，il上升分為三種狀態(tài):

（1）if上升率小于ig，if相對ig下降至開關(guān)周期結(jié)束。

（2）if上升率大于ig，開關(guān)周期結(jié)束if始終在ig和ig+δ之間，則開關(guān)周期保持該狀態(tài)也就是A相輸出為0。

（3）if升至ig+δ，Q2閉合，V1、V4與負(fù)載構(gòu)成續(xù)流回路，A相輸出為－Udc，il按－（Udc+U0）/L下降至開關(guān)周期結(jié)束。

ig＜0的負(fù)半周，Q2始終閉合。當(dāng)Q1和 Q4導(dǎo)通，Q3閉合，A 相輸出為 －Udc，il按 －（Udc+U0）/L下降；當(dāng)il下降至ig，Q4閉合，Q3導(dǎo)通，A 相輸出為0，il按－U0/L變化。若U0小于0，則if上升至開關(guān)周期結(jié)束；若U0大于0，則if下降分為三種狀態(tài):

（1）if下降率小于ig，if相對ig上升至開關(guān)周期結(jié)束。（2）if下降率大于ig，開關(guān)周期結(jié)束if始終在ig和ig－δ，則開關(guān)周期保持該狀態(tài)也就是A相輸出為0。（3）if降至ig－δ，Q1閉合，V2、V3與負(fù)載構(gòu)成續(xù)流回路，A相輸出為Udc，il按（Udc－U0）/L上升至開關(guān)周期結(jié)束。在整個(gè)周期內(nèi)，統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器串聯(lián)側(cè)輸出的相電壓有±Udc和零電壓三種狀態(tài)，所以也稱三態(tài)滯環(huán)控制。

三態(tài)滯環(huán)控制在一個(gè)周期內(nèi)，逆變器的輸出電壓經(jīng)歷了兩個(gè)工作周期，而Udc的頻率是開關(guān)管頻率的兩倍，實(shí)現(xiàn)倍頻功能。三態(tài)滯環(huán)控制具有實(shí)現(xiàn)簡單、動態(tài)響應(yīng)快、消耗小和適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［9］。

5 仿真

為了驗(yàn)證本文提出的基于統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器的風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)功率接口及其信號檢測與輸出控制方法的有效性，通過MATLAB仿真軟件進(jìn)行仿真分析。本文采用在三相三線制系統(tǒng)，主要參數(shù)如下:變壓器變比1∶1；并聯(lián)變流器L=20mH，C=700μF，R=5；串聯(lián)變流器L=20mH；直流電容C=100μF；三相不對稱負(fù)載分別為R=10，L=3mH；R=8，L=0.3mH；R=5Ω。風(fēng)電微網(wǎng)直流輸出在1000V附近。

（1）串聯(lián)變流器抑制電壓畸變。

圖6 電壓質(zhì)量治理

（2）并聯(lián)變流器補(bǔ)償諧波電流、無功補(bǔ)償和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)的結(jié)果。

圖7 A相電流治理和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)

圖8 B相電流治理和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)

圖9 C相電流治理和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)

6 總結(jié)

風(fēng)電微網(wǎng)接入點(diǎn)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制，它克服UPQC和風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)裝置的缺點(diǎn)，并兼顧了風(fēng)電微網(wǎng)并網(wǎng)裝置的優(yōu)良性能和UPQC的對電能質(zhì)量改善作用，同時(shí)也提高了變流器的利用率。這樣的風(fēng)電微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)不僅有效地節(jié)省設(shè)備投資，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到簡化，而且響應(yīng)特性快速，對提高電網(wǎng)供電能力和電能質(zhì)量具有重要作用。因此，風(fēng)電微網(wǎng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制具有廣泛的應(yīng)用前景。

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