考慮儲能容量的電網電能質量治理策略

余中平，關洪浩，余 金，孟高軍，王耿耿

（1.國網新疆電力有限公司經濟技術研究院，新疆 烏魯木齊 830011；2.南京工程學院 電力工程學院，江蘇南 京 211167）

0 引言

隨著各國大力推進新能源政策的實施，太陽能、風能等分布式可再生能源的應用受到了廣泛的重視[1]，[2]。可再生能源出力一般都具有隨機性和間歇性，若其直接并網，會造成嚴重的電能質量問題，特別是在公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）處，電 網 內 存 在 的 諧 波、無 功、三相不平衡等電能質量問題會更加突出[3]，[4]。因此，如何治理分布式能源在并網點的電能質量問題，使得電網安全穩定運行是目前研究的熱點。

由于儲能技術的不斷發展和成本的降低，在分布式電源系統中添加儲能裝置，成為解決這些問題的重要環節[5]。文獻[6]～[8]介紹了實際配電網中，在光伏、風電等分布式能源中加入儲能裝置，能夠有效改善變流器并網時出現的電能質量問題，減少了棄光、棄風現象的發生。文獻[9]通過一種新型光-儲系統柔性并網模型，利用儲能平衡最優并網有功功率與光伏最大出力之間的差值，并采用P/Q解耦控制使得全網節點電壓滿足安全約束，有效地解決了高滲透率清潔能源并網造成的電能質量問題。文獻[10]分析了儲能系統功率平滑與有源濾波統一控制的原理，采用CPT理論和重復控制算法，充分利用儲能變流器資源進行電網諧波、無功補償，有效解決了新能源并網時帶來的電能質量問題。

但上述文獻在改善電網電能質量時都未考慮儲能系統自身SOC，當SOC較低時，如果繼續利用儲能資源治理全部的電能質量問題，就會造成儲能電池過放，縮短儲能系統使用壽命，同時也會導致電能質量治理效果不佳。文獻[11]，[12]提出了一種分頻控制，利用其頻率選擇特性，在儲能容量不足時，選擇對電網穩定運行影響較大的特定次頻率的諧波進行補償，但該控制策略只單一地解決了諧波問題，未能解決其他電能質量問題。文獻[13]，[14]提出在儲能容量不足時，為電網中普遍存在的諧波、三相不平衡、無功等問題設定治理優先級，根據制定的控制策略，在不同的儲能SOC時治理相應等級的電能質量問題。但分布式能源并網時的電能質量優先級是不同的，當電能質量優先級設計不合理時將會嚴重影響電能質量問題的治理，甚至造成分布式能源并網失敗。綜上所述，現有文獻往往很難在既考慮儲能SOC，又能最大化地利用變流器剩余容量治理電網中存在的綜合電能質量問題。

本文提出一種基于儲能容量的電能質量治理策略。首先，介紹了PCS的結構并給出了參考電流生成方法；隨后，根據儲能系統當前容量，選擇補償控制方法，并重點針對儲能容量不足情況，提出基于PVPI的PCS分頻控制策略，利用PVPI控制具有的頻率選擇特性，根據儲能剩余容量有選擇地治理電網諧波、無功、三相不平衡等電能質量問題；最后，通過仿真和實驗，驗證了所提出的變流器控制策略能夠滿足要求。

1 儲能變流器實現原理

1.1 儲能變流器主結構拓撲

圖1所示為多功能儲能變流器主結構拓撲，主要由儲能電池、四橋臂雙向變流器和控制單元組成。圖中：Udc，idc分別為直流電壓和直流電流；L為變流器側電感，與濾波電容C構成LC濾波電路；iLx，isx，usx（x=a，b，c，n）分 別 為 變 流 器 側 輸 出 電流、電網側電流和電壓，并作為控制器的觸發脈沖信號，控制儲能變流器的輸出；儲能電池由磷酸鐵鋰電池和超級電容復合組成。儲能變流器既能傳輸有功功率，又能根據自身的剩余容量，對電網諧波、無功和不平衡電流進行治理，有效地改善電網的電能質量問題。

圖1 儲能變流器主結構拓撲Fig.1 Main structure topology of energy storage converter

1.2 參考電流生成方法

1.2.1補償電流檢測

儲能變流器在實現傳輸有功功率的同時兼具綜合電能質量補償控制，需要克服電網不平衡電壓畸變生成無功、不平衡及諧波補償電流。本文采用基于瞬時功率理論的電流檢測方法，首先利用Clarke（Cabc-αβ）變 換，將 三 相 電 網 電 壓ua，ub，uc變 換到 αβ兩相靜止坐標系中，如式（1）所示。

由式（1）可知，經過變換后得到的uα，uβ中含有高次諧波分量和正負序基波分量，為抑制不平衡電壓的干擾，需要將正序基波分量從中提取出來。本文采用基于具有濾波及頻率跟蹤功能的自適應陷波器（Adaptive Notch Filter，ANF），最終提取出不含諧波、無功、三相不平衡分量的基波正序電壓分量。基于ANF的基波正序電壓檢測框圖如圖2所示，其中，分別為基波正序電壓α，β分量。

圖2 基于ANF的基波正序電壓檢測框圖Fig.2 Fundamental positive sequence voltage detectiondiagram based on ANF

在生成補償電流過程中，需要將αβ坐標系變換到dq同步旋轉坐標系中，而同步旋轉角正弦、余弦可直接由檢測出的，表示。

為保證分布式電源并網成功，同步旋轉角須要與電網實際基波電壓相位始終保持一致。首先通 過Clarke（Cabc-αβ）變 換 將 三 相 靜 止 坐 標 系 內 的 電流ia，ib，ic變換到 αβ兩相靜止坐標系內，表示為iα，iβ，其 中 包 含 正 序 基 波 分 量 和 諧 波、無 功 及 不 平衡負序分量。利用Park變換將iα，iβ變換到dq同步旋轉坐標系中，Park變換可將基波正序分量轉化為直流分量，表示為直流形式的有功、無功電流id，iq，同 時iα，iβ中 的 諧 波、無 功 及 不 平 衡 負 序 分 量均以諧波的形式存在于id，iq中，可以采用低通濾波 器（Low Pass Filter，LPF）濾 除id，iq中 的 諧 波，從而得到不含諧波的直流有功電流和無功電流。再通過Park反變換將，i變換到αβ兩相靜止坐標系下，得到不含諧波、無功和不平衡負序電流的基波有功電流，，用αβ兩相靜止坐標系內電流iα，iβ減去，，就生成了含有諧波、無功和不平衡基波負序分量的補償電流，。綜上所述，PCS電流補償檢測框圖如圖3所示。

圖3 PCS電流補償檢測框圖Fig.3 PCS current compensation detection block diagram

1.2.2并網參考電流生成方法

PCS的主結構拓撲圖如圖1所示。PCS在基頻dq坐標系下的等效數學模型可以表示為

式中：L和R為儲能變流器并網時進線電感和電阻；uα，uβ和iα，iβ分 別 為 電 網 電 壓 和 電 流 在 αβ兩相 靜 止 坐 標 系 下 的 分 量；ucα，ucβ為PCS側 電 壓 在αβ兩相靜止坐標系下的分量。

PCS輸出的有功功率Pg和無功功率Qg可分別表示為

由式（4）可知，要控制變流器功率輸出，只需控制iα，iβ即可。當控制變流器輸出有功和無功時，令Pg=，Qg=，代入式（4），得：

2 PCS補償控制方法

將儲能裝置并聯在PCC處，其目標是根據控制指令產生大小相等、方向相反的特定頻次的補償電流，與電網中待補償相互抵消，以此來改善電網中的電能質量。如果不考慮儲能電池當前容量，直接對電能質量問題進行補償，會造成電池過放，降低電池使用壽命。PCS采用的復合控制框圖如圖4所示。

圖4 PCS復合控制框圖Fig.4 PCS composite control block diagram

當儲能電池可輸出容量大于計算出的待補償容量時，PCS進行全補償控制，治理電網中的諧波、無功及三相不平衡問題；當儲能電池可輸出容量小于計算出的待補償容量時，PCS進行分頻選擇補償控制，此時PCS根據自身容量選擇只補償無功、不平衡電流、特定次電流諧波（3，5，7次等）或特定次諧波之和，實現有限補償輸出。最后經過PWM環節生成控制信號控制PCS輸出，完成電網電能質量治理。

針對分布式能源并網控制要求，PCS在控制時應兼顧系統穩定、控制精度和穩態誤差等要求。考慮到重復控制具有結構簡單、跟蹤精度高、魯棒性強等優點，PCS進行全補償控制時，采用文獻[15]，[16]提出的基于改進重復控制算法的內環控制器，將比例控制器與重復控制器相并聯，有效地克服了傳統重復控制器響應速度慢的缺點。

本文重點考慮當儲能容量不足時的分頻補償，從而對電網中的電能質量問題進行有選擇的重點補償，其控制框圖如圖5所示。

圖5 PCS分頻選擇控制框圖Fig.5 PCS frequency division selection control block diagram

如圖5所示，本文分頻控制采用復矢量（CPI）控制方式，即將矢量比例積分（VPI）控制通過公式fabc=fdqe-jωt進 行 等 效 變 換。

式 中：τp，τi分 別 為 比 例 系 數 和 積 分 系 數。

將VPI與CPI進行對 比可知，式（7）中PI控制比例項 τp與jωτp/s之間存在耦合關系，難以實現系統的單獨響應控制。為改善其響應能力，在CPI控制基礎上并聯比例控制項 τpo，并聯后表達式如下：

將dq旋轉坐標系內的式（8）變換到 αβ兩相靜止坐標系，可得：

式（9）即為比例諧振控制器中的一種，稱為PVPI控制。PVPI控制利用諧振特性使頻率ω處的增益值理論上達到無窮大，當系統在諧振頻率為ω時，系統輸出無靜差跟蹤同頻率正弦指令輸入。

因為在VPI控制中增加了比例項，使系統開環零點發生變化從而加快了系統對于輸入變化的響應速度。同時PVPI控制能使非諧振頻率點的信號受到有效抑制，僅實現對某一頻率信號控制，就可以通過改變比例項 τpo獨立補償各次諧波。PVPI分頻控制算法為

分頻控制輸出量UPVPI（s）與三角波進行調制，即可產生開關器件的觸發脈沖，通過PCS復合控制方法，注入配電網響應的綜合補償電流，使得PCS能夠在自身容量不足的情況下，有選擇地治理電網中的電能質量問題，有效提高了電池壽命，使利用儲能治理電網中電能質量問題更具經濟性。

3 仿真分析

如圖6所示，利用MATLAB/Simulink建立由分布式電源、儲能裝置和負荷組成的分布式電源并網結構圖，對本文提出的儲能變流器控制策略進行仿真驗證，并重點驗證PCS在儲能容量不足情況下的治理情況。實驗所需具體參數如表1所示。

圖6 分布式能源并網結構圖Fig.6 Distributed energy connection structure

表1 PCS并網參數Table 1 PCS grid-connected parameters

續表1

3.1 諧波補償實驗分析

圖7、圖8所示為電池儲能系統參與電能質量治理前后PCS輸出側電流波形。儲能變流器在投入補償策略前，由于分布式能源并網中大量電力電子器件的運用以及負載中存在非線性、不平衡敏感性負荷，分布式電源并網電流發生畸變。圖7給出了PCS輸出側電流在充放電運行狀態時的諧波幅值占基波幅值的百分比，畸變率為4.78%。如圖8所示，儲能系統參與諧波補償后，并網電流波形明顯改善，波形接近正弦波，畸變率降低為1.86%，達到了并網要求，有效地解決了電網中的諧波問題。

圖7 補償諧波前并網電流波形及諧波分析Fig.7 Analysis of current waveform and harmonics before compensating harmonic current

圖8 補償諧波后并網電流波形及諧波分析Fig.8 Analysis of current waveform and harmonics after compensating harmonic current

3.2 無功補償分析

圖9為無功補償前后并網電壓電流相位波形。電池儲能系統在2.52 s前未投入無功補償模塊，因為本地負載中存在無功負荷，需要從交流電網中吸收無功功率，造成分布式能源并網點處并網電壓和電流存在相位差。在2.52 s時電池儲能系統投入無功補償控制模塊，此時逆變器迅速調整輸出電流，并網電壓、電流保持同相位，實現了對本地負荷的無功補償，校正了并網電流的功率因數，使其功率因數接近于1，有效地實現了無功功率補償。

圖9 無功補償前后波形Fig.9 Waveforms before and after reactive compensation

3.3負序電流補償及電能質量綜合治理

在本地負載中投入三相電感值不一致的電感器，本地負載中就會包含無功分量及負序分量，此時儲能變流器需要進行三相不平衡及無功問題的綜合電能質量問題治理，同時完成對無功電流及負序電流的補償。

如圖10所示，電池儲能系統在提供補償之前，變流器并網電流發生畸變且不平衡，同時并網電流與電壓不同相位，這說明在并網點處同時存在三相不平衡、無功及諧波問題。在儲能裝置提供補償后，入網電流正弦度高，并網電流、電壓三相平衡且同相位。由此可見，本文考慮儲能容量的電網電能質量治理策略能夠在保護儲能電池的基礎上，具有良好的綜合電能質量治理能力。

圖10 負序電流及電能質量綜合治理前后波形Fig.10 Negative sequence current and power quality control waveform

4 結論

本文在考慮PCS儲能容量情況下，對電網電能質量的治理策略進行了相關研究，并得出以下結論。

①提出PCS主電路拓撲和參考電流生成方法，并采用基于ANF的基波正序電壓檢測方法抑制電壓畸變，提高PCS參考電流生成精度。

②在考慮儲能容量的基礎上，對電網電能質量問題提出全補償控制和分頻補償控制，同時重點針對儲能容量不足情況，提出PVPI控制策略，實現對電網中的電能質量問題有選擇地補償，并仿真驗證了所提控制策略的有效性。