改進分布式發電系統電能質量的控制策略

解鵬雁

摘 要：在并網模式中，幾乎所有分布式發電系統的單相逆變器都只向電網注入有功功率。本文對單相逆變器的電能質量特性，即含有電流諧波分量的有功和無功功率特性進行了研究，通過在控制策略中并聯有源電力濾波器（APF），并采用電流參考發生器和重復電流控制器來實現相關的研究。本文采用單相系統的兩相變換法提取諧波分量，并提供負載所需的無功功率。

關鍵詞：分布式發電；電能質量；瞬時無功功率

電力電子是將分布式發電單元結合在一起的重要組成部分，從而實現電力系統的高效率和高性能。由于原有的控制策略是針對三相有源濾波器研究的，因此在單相逆變電路中采用有源濾波器時，一定要特別注意有源濾波器的性能需要符合單相電力系統[1]。所有分布式發電系統的單相逆變器都只向電網注入有功功率，即通過需要產生的參考有功功率計算參考電流。

本文對應用在分布式發電系統的單相逆變器提出了一種改進的電能質量控制策略，分布式發電單元和有源電力濾波器結合起來，可以控制逆變器的有功功率從電源流到電網，并對無功功率和非線性負載電流諧波進行補償，使電網電流保持接近正弦。

1 諧波參考電流

本文采用了一種基于重復控制器的專用逆變器電流控制方案，該控制策略可以使FIR濾波器抽頭數減半，從計算的角度更加容易實現。

參考電流的計算可以使用正弦信號積分器（SSI）和瞬時無功功率（IRP）理論來完成[2]。這種方法無延遲的得到應用于IRP理論或其他技術（最初用于三相系統）所需的虛擬變量。

改進電能質量的單相逆變器控制策略流程如下圖所示。逆變器參考電流iF由參考電流發生器產生，電流控制基于重復控制器。

2 基波參考電流

在穩態運行中，傳遞函數（1）和（2）在頻域中的相位關系是∠H1jw=∠H2jw+π2 （3）

根據伯德圖發現當ka變小時，濾波器變得更有選擇性。然而，在這種情況下，相位在基波頻率ω0周圍的延遲也越來越高。

這種特性可以用于獲取正交基波分量，該基波分量被用于補償局部負載無功功率。SSI產生的信號IL1β僅用于計算基本無功參考q*，采用IRP理論中的無功功率定義如下：

由于系統是單相的，因此忽略電流i*1β，在諧波參考電流i*hα中加入i*1α以獲得逆變器參考電流，用于提取非線性負載電流基波分量的SSI濾波器性能靈活，可以調整其增益ka提高參考發生器的選擇性或改善其瞬時響應。需要強調的是本文創建虛擬變量的方法與現有的另一種計算虛擬變量方法存在不同之處。在本文中，由SSI濾波器得到的用于產生電流參考的正交基波分量是正弦信號，相位偏移90°。在現有的方法中，獲得的虛擬變量是由負載電流所有頻率的相位旋轉90°產生的，而且含有高次諧波的信號，在這種情況下，需要在虛擬變量和逆變器基準電流中引入相位延遲。

3 電流控制方案

對產生有功功率和補償無功功率的逆變器來說，基準電流在基頻是正弦信號，如果帶寬足夠高，就可以采用常規PI控制器。如果逆變器還必須補償電流諧波，則參考電流的正弦信號將會畸變[3]。在這種情況下，PI控制器將無法實現零穩態誤差。

因此，本文采用的電流控制策略是基于傳統PI算法的重復控制器，當參考電流存在高次諧波時，可以實現零穩態誤差。在該方案中，關鍵問題在于如何實現重復控制，重復控制器僅僅是n路濾波器，因此可以通過采用離散傅里葉變換（DFT）來設計濾波器，從而實現單相諧波補償的單位增益。

4 結論

本文研究了一種用于分布式發電系統的單相逆變器，獲得了并網運行中的諧波和無功功率補償等電能質量特性，提出了基于SSI和IRP理論的電流參考發生器控制方案，并配以專用的重復電流控制器，使逆變器控制具有較好的暫態性能，并將有功功率和無功功率輸出到負載中。具有較好的電能質量和低諧波畸變。

參考文獻：

[1]張逸，林焱，吳丹岳.電能質量監測系統研究現狀及發展趨勢[J].電力系統保護與控制，2015，2（5）：44.

[2]王慧敏.含分布式電源的配電網電能質量分析[D].太原理工大學，2016.

[3]趙憲，周力行，鄧維.改進的層次分析法在含分布式電源系統電能質量綜合評估中的應用[J].中國電力，2014，12（18）：213-222.