基于儲能系統的新型配電臺區電能質量治理方法

蘭征, 尹銳, 鄒彬, 何東

(湖南工業大學電氣與信息工程學院, 湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著新型配電網的不斷發展, 非線性、 沖擊性的負荷大量接入配電網, 尤其是電力電子裝置的廣泛應用, 對新型配電臺區電能質量提出更高的要求[1－4]。 各種分布式能源具有隨機性、 分散性的特點, 帶來的電能質量問題更加嚴重[5－6]。

為確保新型配電臺區安全穩定運行, 應對電能質量問題進行治理。 傳統電能質量治理方法往往功能單一, 而新型配電臺區電能質量問題種類較多；并且傳統設備控制不靈活, 難以連續調控, 無法實現電能質量精細管理。 儲能技術可在不同時間尺度上實現對新型配電臺區功率和能量輸入與輸出的控制[7], 有效利用分布式能源并網功率, 穩定臺區有功功率波動, 改善臺區穩定性和運行特性。 將儲能與電能質量治理裝置相結合[8], 不但可以對新型配電臺區中的諧波和無功電流進行補償、 治理新型配電臺區的電能質量問題, 而且還能發揮儲能系統在分布式能源并網功率波動時穩定新型配電臺區有功功率的優勢[9－11]。

儲能裝置具有快速響應、 功率靈活配置、 受外部條件制約小、 受可變性隨機性能源影響小的優點[12－13], 已有大量學者對儲能系統與電能質量治理裝置組合治理配電系統中的電能質量問題展開研究[14－17]。 文獻[14] 建立了一種采用多功能控制策略的儲能系統, 可以同時起到功率平衡和電能質量治理的效果。 文獻[15] 將蓄電池與有源濾波器(active power filter, APF) 結合, 建立組合系統整體動態模型, 應用空間矢量控制策略, 調節微電網有功和無功功率, 抑制諧波。 文獻[16] 將儲能系統功率平滑與APF 統一控制相結合, 利用變流器剩余容量完成電網諧波補償。 文獻[17]通過儲能變流器控制, 補償諧波正負序分量。

本文根據已有研究, 利用儲能系統與APF 拓撲結構相似的特點, 在改進控制策略、 儲能系統調節功率的同時, 兼具電能質量調節功能[18]。 首先,分析新型配電臺區內負載連接情況, 搭建數學模型, 構建儲能系統拓撲結構； 隨后, 詳細描述儲能系統各部分工作原理和控制策略； 最后, 通過觀察儲能電池充放電狀態及新型配電臺區首端電流、 功率的仿真結果, 驗證該方法在電能質量治理和平衡有功功率波動方面的有效性。

1 儲能系統結構與拓撲

圖1 為新型配電臺區結構示意圖, 各支路上接有不同類型的多種負載[19]。 與以往的配電臺區一樣, 新型配電臺區中也存在著大量單相負荷和三相負荷, 以及線性負荷與非線性負荷, 嚴重影響臺區的電能質量[20]。 隨著分布式能源的大量接入, 充電樁等新型充放電設備的投入使用, 電流基波大小隨之改變, 諧波電流含量和電網潮流分布有所變化, 新型配電臺區面臨著更多的臺區電能質量問題[21]。

圖1 新型配電臺區結構

APF 作為一種常見的電能質量治理裝置, 可以通過運算電路將檢測到的無功電流與諧波生成指令電流, 再傳輸至控制電路, 并在調制PWM 信號后發送至驅動電路。 然后將驅動信號發送到變流器控制開關管, 再通過濾波器濾波, 最終起到電能質量治理效果。 但是APF 只可起到電能質量治理的效果, 無法穩定新型配電臺區中因分布式能源隨機性、 間歇性導致的功率波動[22]。

為了有效解決新型配電臺區所產生的電能質量問題, 將儲能系統并聯在新型配電臺區首端, 拓撲結構如圖2 所示。 儲能鋰電池先通過雙向半橋進行DC/DC 轉換, 再連接四橋臂逆變器, 在為逆變器提供能量的同時, 也可以達到穩定母線電壓的效果。 然后經過L濾波并連接在10 kV/380 V 新型配電臺區首端,L、R分別是濾波電感及寄生電阻。儲能系統可以有效改善新型配電臺區電能質量, 為分布式能源并網下的臺區運行提供保證。

圖2 儲能系統拓撲結構

2 儲能系統工作原理

2.1 儲能系統建模

由于基波頻率遠遠小于逆變器的開關頻率, 為了避免開關管損耗等非線性因素的影響, 儲能系統交流側在abc坐標系的數學模型為:

式中,ex為電網電壓；ix為儲能系統輸出電流；ux為逆變器輸出電壓,x代表a、 b、 c 三相中的一相；in、un分別為中性線上的電流、 電壓。

為了使控制器效果更好, 避免四線制系統中的耦合影響, 需要對式(1) 進行Clark 變換, 從而得到在αβ坐標系下的數學模型:

由式(2) 可知,αβ坐標系下3 個逆變器相互獨立, 且只包含直流分量, 便于穩定控制。

Clark 變換的矩陣為:

2.2 諧波檢測方法

新型配電系統中非線性負載和并網逆變器的大量接入, 造成諧波含量提升, 嚴重影響配電網電能質量。 諧波檢測作為治理諧波最基礎的環節, 選擇快速有效的檢測方法顯得尤為重要。 有功電流檢測法、 基于瞬時無功功率理論的檢測法、 變步長的自適應檢測法等方法已經得到廣泛應用[23]。 其中基于瞬時無功理論的諧波檢測法因原理簡單、 實用性強被大多數學者使用。

p－q檢測法和ip－iq檢測法是兩種基于瞬時無功功率理論的檢測方法。 兩種方法在電網電壓未發生畸變時均可實現對無功電流的檢測。 因為在電網電壓畸變時基波產生的有功功率分量p、 無功功率分量q中多了各次諧波電壓、 電流相作用的分量, 所以p－q檢測法的結果不精準。 而ip－iq檢測法由于只采取sinωt、 －cosωt進行運算, 畸變電壓的諧波分量不會對運算造成影響, 因而結果更為精準。 在ip－iq檢測環節, 需要用到鎖相環獲取電壓相位, 并利用低通濾波器消除高次諧波, 鎖相環和濾波器的選擇對諧波檢測的準確性有較大影響。

為提高檢測精度, 本文采用滑動均值濾波器進行濾波, 在一定條件下可視為理想濾波器, 可以在單位滑窗時間內對輸入信號進行計算, 得到的算術平均值作為輸出, 以起到濾除相應倍數交流信號的作用。 常見表達式為:

式中,x(τ)、(t)分別為輸入與輸出信號；Tω為單位滑窗時間。

在離散域中, 采樣的數目表示為N, 進行Z變化后的表達式為:

滑動均值濾波器結構如圖3 所示, 經過Park變換以后, 負載電流中包含的所需濾除的奇次諧波都變為偶次。

圖3 滑動均值濾波器結構

取Tω＝0.01 s 時, 滑動均值濾波器可以濾除100 Hz 及其整數倍的交頻分量, 而直流分量的幅頻、 相頻特性增益為0, 不受影響, 因此提升了檢測環節的動態性能。

如圖4 所示, 當需要補償諧波和無功時, 可斷開q通道, 得到所需的補償電流； 并將三相負載電流之和除以3, 即可得到中性線所需的零序補償電流, 應用于三相四線制系統之中。

圖4 ip－iq檢測法框圖

鎖相環若要在非理想電網電壓條件下準確獲取相位信息, 必須將基波正序電壓分離出來。 通過自適應陷波器(adaptive notch filter, ANF) 精準捕捉基波正序相位, 精準鎖相。 自適應陷波器鎖相環(ANF－PLL) 基本思路是將三相電網電壓通過坐標變化, 將三相交流量變換為直流分量, 在變換過程中d、q的2 倍工頻交流量得到了有效濾除。再通過2 倍工頻量, 提取得到所需的負序分量幅值和相位[24]。 電壓正序分量的幅值Up作為d軸分量, 鎖相環中的誤差信號作為q軸分量, 傳輸到PI 調節器, 無負序分量影響的頻率和相位即可生成。 在這種方式下, 可以有效避免電網電壓不對稱所帶來的影響。 在準確提取電網電壓頻率的同時,也可以有效得到基波正序及負序的電壓幅值與相位角[25]。

3 儲能系統控制策略

3.1 儲能電池充放電策略

本文選取鋰電池作為儲能電池, 保證直流母線電壓恒定。 外環通過將直流母線Udc與給定值Udc0做差, 得出誤差值, 并通過PI 控制器。 當母線電壓小于所設定極限值時, 通過判斷指令重置PID指數, 保證母線電壓穩定, 再將所得誤差值給到內環電感電流IL0, 生成逆變器指令。

儲能電池可根據當前荷電狀態 (state of charge, SOC) 與臺區首端的有功功率差值進行充放電。 當儲能電池SOC 小于5%時, 控制絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)關斷, 儲能系統無法進行配電臺區有功功率調節和電能質量治理。 當SOC 處于5%～95%時, 儲能電池可根據分布式能源并網功率與配電臺區有功功率參考值的差值進行充放電。 若該差值為正, 儲能電池進行充電, 儲存多余參考值的并網能量, 并同時進行無功補償與諧波治理。 若該差值接近0, 儲能電池容量趨于穩定, 僅進行臺區電能質量治理。 若該差值為負, 儲能電池進行放電, 補償小于參考值的并網能量, 并同時參與臺區電能質量治理。 當SOC 大于等于95%, 為防止儲能電池充放電越界,此時控制IGBT 關斷, 使得母線電壓保持在參考值。 為防止SOC 大于等于95%時仍存在短時間充電過程, 在母線電壓輸出側并聯斬波電阻, 并通過IGBT 進行控制, 使得儲能電池越上限時不影響母線電壓。

3.2 指令電流合成策略

為了使儲能系統可以穩定新型配電臺區有功功率, 在治理諧波電流的同時, 加入可以抑制功率波動的電流指令。

假設用戶側所消耗的有功功率為Pload, 光伏、風電、 水電等分布式能源所發出的有功功率為PDG, 新型配電臺區首端的有功功率為Pref, 則儲能系統為平抑功率波動所需提供的有功為P＝Pload－Pref－PDG。 若將三相電網電壓合成的旋轉矢量與同步坐標系d軸重合, 則此時P還可以表示為:

由式(6) 可知, 控制儲能輸出有功電流id即可實現對其有功功率的控制。 在諧波檢測環節, 將iq設為0, 在得到的補償電流基礎上, 加上用來平抑功率波動的有功功率電流, 最終構成所需的指令電流。

平抑功率波動對應的是50 Hz 周期的時間尺度, 而諧波治理對應的是高次諧波, 例如5 次、 7次諧波對應的是5×50 Hz 或7×50 Hz 周期的時間尺度, 因而采用合理的控制策略可以使二者實現時間尺度上的統一。

3.3 復合控制策略

由上述分析可知, 指令電流是通過不同周期的信號疊加而成。 傳統的PI 控制具有良好的動態特性, 可以無誤差地對直流信號進行跟蹤, 但是抑制非線性擾動的能力比較有限, 難以對正弦指令的誤差實現跟蹤。 而在重復控制中, 因為固定延遲環節的存在, 跟蹤速度上通常會有一個周期的滯后, 動態響應較慢。 為滿足逆變器的動態與靜態要求, 不能僅采用單一的控制策略, 所以將重復控制與PI控制進行結合, 得到可以滿足動態與靜態要求的復合控制策略。

圖5 為復合控制的控制框圖, 指令輸出值iref,α通過重復控制器Q(z)z－N進行濾波, 由于存在周期性干擾, 所以引入周期延遲z－N, 并令Q(z) ＝0.95 以降低干擾。 然后再通過補償器C(z), 對APF 的幅頻和相位特性進行補償, 最終得到實際輸出值iα。 考慮電網電壓對控制的擾動, 引入擾動量eα。GPI(z) 為復合控制中的PI 控制器,G(z)為傳遞函數, 可以提高電流的跟蹤準確度, 達到更好的控制效果。

圖5 復合控制框圖

4 仿真驗證

為驗證本文所提儲能系統對治理新型配電臺區電能質量問題的可靠性和有效性, 利用MATLAB/Simulink 仿真平臺, 分別對儲能電池充放電、 臺區電流三相不平衡治理、 諧波電流治理和平抑有功功率波動進行了仿真驗證, 仿真參數見表1。

表1 仿真參數

4.1 儲能充電與放電

仿真中通過功率的投切模擬新型配電臺區中的分布式能源功率波動。 新型配電臺區中分布式能源有功功率曲線如圖6 所示, 在0 s 時, 臺區分布式能源輸出20 kW 的并網有功功率； 在5 s 時并網有功功率減少至10 kW 左右, 并持續進步、 緩慢減小, 在7 s 時并網有功功率減少至5 kW。

圖6 分布式能源有功功率變化

圖7 、 圖8、 圖9 分別為儲能電池輸出電流、電壓、 功率波形圖, 圖10 為儲能電池剩余容量變化圖。 在0 ～3 s 時SOC 由初始的90%經過吸收分布式能源富余的能量上升至92%, 此時電壓恒定,電流為負。 在3～5 s 時, 由于并網功率減小, 為滿足負載所需功率, 儲能發出能量, SOC 下降至91.4%, 此時電流為正。 在5 ～7 s 時, 分布式能源并網功率繼續減小, 為穩定配電臺區有功功率, 儲能電池需要提供能量, SOC 從91.4% 下降至89.4%, 此時電流為正。

圖7 儲能電池輸出電流

圖8 儲能電池輸出電壓

圖9 儲能電池輸出功率

圖10 儲能電池SOC 變化圖

4.2 電流三相不平衡治理

在未接入儲能系統之前, 圖11、 圖12 為儲能系統參與電能質量治理前后新型配電臺區的電流輸出波形。 在未接入儲能系統之前, 新型配電臺區各相接有大小不同的單相負載和非線性負載, 導致臺區電流三相不平衡。 由圖11 可知, 當臺區未治理運行時, 臺區電流波形三相不平衡。 在接入儲能系統之后, 對臺區進行無功和不平衡電流補償, 治理效果如圖12 所示。 在儲能系統治理之后, 新型配電臺區電流三相趨于平衡, 波形趨于正弦波, 配電臺區運行安全穩定。

圖11 新型配電臺區治理前電流波形

圖12 新型配電臺區治理后電流波形

4.3 諧波電流治理

新型電力系統中大量非線性負載的接入, 增加了新型配電臺區的諧波比例, 導致電流波形畸變較大。 考慮分布式能源功率波動對基波電流大小的影響, 將儲能系統治理前后諧波含量百分比進行對比分析。

圖13 為未接入儲能系統前新型配電臺區電流諧波含量示意圖, 畸變率為14.02%, 其中3 次諧波1.78%、 5 次諧波13.48%、 7 次諧波3.01%。圖14 為接入儲能系統后臺區電流諧波含量示意圖,畸變率為4.35%, 其中3 次諧波0.12%、 5 次諧波0.92%、 7 次諧波0.05%。 經過儲能系統補償之后, 新型配電臺區電流諧波含量有效減少, 滿足5%以下的安全運行要求, 諧波問題得到合理解決。

圖13 新型配電臺區治理前諧波含量

圖14 新型配電臺區治理后諧波含量

4.4 平抑功率波動

未接入儲能系統前新型配電臺區功率如圖15(a) 所示, 分布式能源的并網功率大于負載所消耗的功率, 臺區吸收并網功率。 隨著風光并網功率的減少, 為繼續滿足負載消耗, 電網輸出功率增大。 由于負載中存在非阻性元件, 臺區中還會存在一定的無功功率。 接入儲能系統后新型配電臺區功率如圖15 (b) 所示, 由于儲能系統具有平抑功率波動的效果, 新型配電臺區首端有功功率穩定保持在所設置的30 kW 參考值。 同時儲能系統進行無功補償, 新型配電臺區首端無功功率穩定為0。

圖15 新型配電臺區治理前、 后功率

5 結語

本文提出一種基于儲能系統的新型配電臺區電能質量治理方法, 可以有效治理臺區電能質量問題。 在接入光伏、 風電、 單相線性及三相非線性負載的情況下, 有效改善了新型配電臺區電流三相不平衡度, 減小了電流中的諧波含量, 提高了系統運行的安全穩定性。 同時在考慮分布式能源隨機性所帶來的功率波動時, 新型配電臺區仍可保持穩定的有功功率, 電能質量治理效果明顯。