基于配電網(wǎng)的混合補(bǔ)償控制策略

張永年，宋紅為，吳兆彬

（1.蘭州理工大學(xué) 電氣工程與信息工程學(xué)院，蘭州730050；2.國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司 天水供電公司，天水741000）

隨著電力電子器件和非線性負(fù)荷在配網(wǎng)中的大量應(yīng)用，使得配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問(wèn)題日益嚴(yán)重，單一的補(bǔ)償已經(jīng)難以滿足配電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，為更好地改善配電網(wǎng)電能質(zhì)量，混合補(bǔ)償?shù)难芯恐饾u成為了一個(gè)重點(diǎn)[1]。

分布式電源一般需要通過(guò)并網(wǎng)逆變器接入電網(wǎng)，考慮到分布式電源和靜止無(wú)功發(fā)生器在結(jié)構(gòu)上的相似性，在保證分布式電源DG 滿足有功功率輸出的情況下，可以利用其裕量參與無(wú)功補(bǔ)償[2]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)混合無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯咳〉昧艘欢ǖ陌l(fā)展。文獻(xiàn)[3]提出一種將靜止無(wú)功發(fā)生器和LC補(bǔ)償相結(jié)合的補(bǔ)償方式，利用靜止無(wú)功發(fā)生器SVG和LC 在補(bǔ)償方式上的特點(diǎn)，對(duì)配電網(wǎng)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)精確補(bǔ)償。文獻(xiàn)[4]提出一種晶閘管投切電容器與靜止無(wú)功發(fā)生器協(xié)同運(yùn)行的混合無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠在進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)抑制一定的不平衡電壓，從而保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。然而，這些研究多是利用常見的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備之間進(jìn)行配合來(lái)實(shí)現(xiàn)混合無(wú)功補(bǔ)償，并未對(duì)DG 的補(bǔ)償能力加以利用。

文獻(xiàn)[5]提出一種基于DG 并網(wǎng)逆變器的無(wú)功補(bǔ)償協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，利用投切電容器組對(duì)無(wú)功功率粗補(bǔ)償，并網(wǎng)逆變器進(jìn)行無(wú)功功率的精確補(bǔ)償，使得該系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)補(bǔ)償配網(wǎng)無(wú)功需求的能力。但研究?jī)H針對(duì)無(wú)功功率的補(bǔ)償，未涉及不平衡電壓等電壓質(zhì)量問(wèn)題。故在此提出一種DG 與SVG 混合補(bǔ)償配電網(wǎng)無(wú)功功率的協(xié)調(diào)控制策略。

1 配電網(wǎng)電壓質(zhì)量協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

文中所提控制策略首先利用DG 的裕量和配電網(wǎng)固有的并聯(lián)電容器組進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償；當(dāng)DG 補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功不能達(dá)到配電網(wǎng)的無(wú)功需求時(shí)，利用比例復(fù)數(shù)積分PCI（proportional complex integral）控制方法控制SVG 協(xié)調(diào)補(bǔ)償[6-7]，同時(shí)能抑制一定的不平衡電壓。通過(guò)對(duì)DG 和SVG 之間的協(xié)調(diào)控制，達(dá)到改善電壓質(zhì)量的目的，并盡可能地消納可再生能源，節(jié)約設(shè)備投入成本。其協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Coordinated control system structure

圖中，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要包括DG 無(wú)功補(bǔ)償控制和SVG 協(xié)調(diào)補(bǔ)償控制。檢測(cè)電網(wǎng)公共連接點(diǎn)PCC（point of common coupling）電壓uabc和負(fù)載電流iabc，計(jì)算出配網(wǎng)所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流iqref，采用PV法對(duì)有容量裕度的DG 進(jìn)行控制，參與配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償，利用比例復(fù)數(shù)積分控制方法控制SVG 補(bǔ)償DG 欠補(bǔ)的無(wú)功級(jí)差，并能對(duì)系統(tǒng)的不平衡電壓起到抑制作用。通過(guò)DG 和SVG 兩者的協(xié)調(diào)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，從而改善電壓質(zhì)量。

2 電壓質(zhì)量協(xié)調(diào)控制策略

2.1 DG 無(wú)功補(bǔ)償控制

DG 并網(wǎng)逆變器采用PV 控制方式[8]，能夠輸出定量的有功功率的同時(shí)靈活分配無(wú)功功率。在三相對(duì)稱電壓下，假設(shè)d 軸與并網(wǎng)點(diǎn)電壓矢量重合，則uq=0，此時(shí)有功功率與無(wú)功功率計(jì)算為

逆變器PV 控制原理如圖2所示。該控制方式有2 個(gè)設(shè)定值——逆變器所需輸出的有功功率Pref和并網(wǎng)點(diǎn)電壓Uref。

由圖可見，利用檢測(cè)得到的公共連接點(diǎn)電壓uabc和負(fù)載電流iabc，經(jīng)過(guò)dq0 變換后得到d 軸的電壓ud和電流id，以及q 軸的電壓uq和iq。d 軸電流參考值分量idref由有功功率設(shè)定值Pref計(jì)算得到。并將電壓參考值Uref與實(shí)際電壓進(jìn)行比較，并通過(guò)PI 控制器計(jì)算，輸出q 軸電流分量參考值iqref。

圖2 逆變器PV 控制原理Fig.2 Principle of PV control for inverters

在dq 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，由于d 軸分量和q 軸分量之間存在耦合，需要將d，q 軸電流分別與ω 和電感L 相乘，實(shí)現(xiàn)電流的前饋解耦。并將d，q 軸電流參考分量idref，idref與id，iq做差后通過(guò)PI 計(jì)算，PI 控制器的輸出與電流前饋解耦、電壓前饋補(bǔ)償相結(jié)合得到逆變器的d，q 軸電壓參考值udref和uqref。再將所得的電壓參考值經(jīng)過(guò)dq 反變換，得到最終的逆變器調(diào)制信號(hào)，通過(guò)對(duì)逆變器的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)DG 參與無(wú)功補(bǔ)償。

2.2 SVG 協(xié)調(diào)補(bǔ)償控制

為了充分利用DG 的余量對(duì)配電網(wǎng)提供無(wú)功補(bǔ)償，利用PCI 的控制方法對(duì)SVG 進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，作為DG 的一種輔助補(bǔ)償設(shè)備，并能抑制一定的電壓不平衡度。其控制策略框圖如圖3所示。

圖3 SVG 控制策略Fig.3 SVG control strategy

利用直流側(cè)電壓與所給電壓參考值的差值，經(jīng)過(guò)PCI 計(jì)算得到參考電流值，再與并網(wǎng)電流的正序分量作比較得到母線電壓穩(wěn)定控制信號(hào)。將負(fù)載側(cè)電流和DG 逆變器出口電流進(jìn)行正負(fù)序分量分離后，并進(jìn)行相應(yīng)的比較，再經(jīng)過(guò)PCI 控制器，得到SVG 所需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流大小，最后通過(guò)αβ 反變換，生成相應(yīng)的脈沖控制信號(hào)對(duì)SVG 進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，使得SVG 實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)功功率和不平衡電壓的同時(shí)補(bǔ)償。

2.2.1 電流正負(fù)序量分離

當(dāng)系統(tǒng)工作在不平衡工況時(shí)，為了更好地保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)中存在電流的正負(fù)分量和負(fù)序分量進(jìn)行計(jì)算和補(bǔ)償。由于基于復(fù)數(shù)濾波器的正負(fù)序分量分離方法具有運(yùn)算量小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，故采用該方法來(lái)對(duì)電流進(jìn)行正負(fù)序分量分離，如圖4所示。正負(fù)序電流的計(jì)算公式為

式中：ωc為濾波器截止頻率；ω0，-ω0分別為正、負(fù)序電流分量的頻率。在β 軸方向，正負(fù)序電流計(jì)算公式與α 軸相同。

圖4 電流正負(fù)序分量的分離Fig.4 Separation of positive and negative sequence components of current

由式（3）和式（4）可得

得到的濾波器幅頻特性為

由式（6）可知，當(dāng)頻率為正序分量頻率ω0時(shí)，濾波器的幅頻特性為為負(fù)序分量頻率-ω0的幅頻特性為因此，經(jīng)濾波器濾波后，正序分量可以無(wú)衰減通過(guò)，而負(fù)序分量完全衰減，從而實(shí)現(xiàn)正負(fù)序分量分離的作用。同理，可通過(guò)計(jì)算將電流負(fù)序分量進(jìn)行分離。

2.2.2 比例復(fù)數(shù)積分控制

使用傳統(tǒng)的PI 控制方法抑制非線性擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)誤差，使得指令信號(hào)無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤，這將影響SVG 的協(xié)調(diào)補(bǔ)償效果。因此，使用PCI 控制方法降低系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)誤差，PCI 控制的頻域?yàn)?/p>

式中：kp為比例系數(shù)；ki為復(fù)數(shù)積分系數(shù)；ω0為電流分量頻率。

PCI 控制的主要問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)在幅值不變的情況下相角移動(dòng)90°。可以利用移相90°的全通濾波器來(lái)完成傳統(tǒng)PCI 控制中的移相環(huán)節(jié)。全通濾波器的傳遞函數(shù)為

式中：ω0為電流分量頻率；c 為常系數(shù)，且c≤ω0。PCI控制器的控制框圖如圖5所示。

圖5 PCI 控制器的控制框圖Fig.5 Control block diagram of PCI controller

3 仿真試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證所提協(xié)調(diào)控制策略的有效性和正確性，在MatLab/Simulink 中建立系統(tǒng)模型，如圖6所示。

圖6 DG 和SVG 協(xié)調(diào)補(bǔ)償仿真模型Fig.6 Simulation model of DG and SVG coordination compensation

圖中，2 臺(tái)DG 均由直流電源、三相逆變橋和LCL濾波電路組成，功率均為3 kW。S1和S2為DG 處所帶的本地負(fù)荷功率；SVG 額定容量為200 kV·A，并聯(lián)接入并網(wǎng)點(diǎn)。系統(tǒng)模型參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)電路參數(shù)Tab.1 System circuit parameters

利用所提協(xié)調(diào)補(bǔ)償策略使得DG 和SVG 互補(bǔ)運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果如圖7所示。

圖7 DG 和APF 協(xié)調(diào)補(bǔ)償輸出電壓電流波形Fig.7 Output voltage and current waveforms of coordinated compensation between DG and APF

由圖7（a），（b）可見，未補(bǔ)償時(shí)，PCC 點(diǎn)的電壓、電流uPCC和iPCC存在著明顯的不平衡以及畸變。在0.5 s 時(shí)DG 參與補(bǔ)償，可以看出，PCC 點(diǎn)的電壓質(zhì)量得到明顯的改善，電壓波形幾乎接近正弦。因DG補(bǔ)償為電壓補(bǔ)償，所以對(duì)于電流的改善效果并不明顯。而且由于DG 補(bǔ)償容量的限制，無(wú)法對(duì)電壓質(zhì)量進(jìn)行完全補(bǔ)償，輸出的電壓依舊存在不平衡問(wèn)題。在0.6 s 時(shí)SVG 進(jìn)行協(xié)調(diào)補(bǔ)償，電壓的不平衡以及無(wú)功得到足夠的補(bǔ)償，使得PCC 點(diǎn)電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量都得到很大的改善。

由圖7（c）可見，DG 在參與補(bǔ)償前輸出電壓波形為正弦波，0.5 s 時(shí)DG 參與補(bǔ)償，使得自身輸出電壓質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成連接在DG 母線上的負(fù)載無(wú)法正常工作；0.6 s 時(shí)，投入SVG 進(jìn)行協(xié)調(diào)補(bǔ)償，DG 輸出電壓質(zhì)量也得到較大的改善。通過(guò)對(duì)DG 和SVG 的協(xié)調(diào)補(bǔ)償，不僅能夠改善PCC 點(diǎn)的電壓質(zhì)量，還能夠保證DG 輸出電壓質(zhì)量穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到DG 與SVG 在結(jié)構(gòu)上的相似性，提出了將DG 和SVG 相組合的電壓質(zhì)量協(xié)調(diào)控制策略。當(dāng)系統(tǒng)所需無(wú)功功率大小在DG 逆變器輸出范圍內(nèi)時(shí)，利用DG 對(duì)系統(tǒng)補(bǔ)償；當(dāng)DG 無(wú)法滿足系統(tǒng)無(wú)功需求時(shí)，將SVG 投入系統(tǒng)，協(xié)調(diào)DG 進(jìn)行協(xié)調(diào)補(bǔ)償。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了所提策略能夠改善并網(wǎng)點(diǎn)電壓質(zhì)量，還可以解決電壓不平衡問(wèn)題，從而維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到改善系統(tǒng)電壓質(zhì)量的目的。