具有电能质量统一控制功能的风电微网并网功率接口研究

郑倩，粟时平，李东东，顾海宝，罗鸣

（1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410014；2.新疆巴州电力有限责任公司，新疆 巴州 841000）

1 引言

风能作为一种不可控能源，其风速的随机性、波动性和间歇性等特点［1］，影响了设备的利用率，带来了电压偏差频率波动、电压闪变、谐波污染等电能质量问题，降低了电力系统的可靠性。而且微网与主电网直连过程中，它们连接时间持续长而且有较大的冲击；微网和主电网联网时，由于其功率无法控制，在能量相互传递过程中它们之间将产生大量谐波。与此同时统一电能质量控制器因成本高，功能单一，推广难度较大。

针对这些不足和发展障碍，提出了基于统一电能质量控制器的风电微网并网功率接口的新结构；这个结构风电微网变流器和统一电能质量控制器并联部分的变流器具有相同的主电路结构，所以充分发挥统一电能质量控制集串联电压补偿、并联电流补偿装置和储能装置于一体，也就是说它不仅解决了对主电网的电流谐波、无功补偿和电压畸变量抑制等配电系统电能质量问题，而且解决了风电微网并网向主电网注入复杂的电能质量扰动。与此同时，风电微网的利用也提高了分布式电源的利用率，解决了我国能源紧缺问题，促进了可再生能源发展。在新结构中的储能装置即能改善风电微网并网稳定性，也能抑制风电微网功率波动，维持风电微网电压，降低风电微网对电网电能质量的影响。

因此，这样新结构中实现一个设备多功能使用，它不仅改善了电网的电能质量，降低了应用成本，而且提高了整个系统的利用率，将对有源滤波技术、储能技术和风电微网并网技术的共同发展具有推动作用。

2 具有电能质量统一控制功能的并网功率接口拓扑及其工作原理

具有电能质量统一控制功能的并网功率接口拓扑结构主要由风电微网、储能装置和统一电能质量控制器三大部分组成。

（1）风电微网主要是风力发电机通过整流电路连接到直流微网。微网主要是分布式电源（风力发电机、光伏电池、燃料电池和微燃发电机等）连接成网络，并接入负荷单元，并对分布式电源和负荷起到缓和作用。微电网分为交流微电网和直流微电网。交流微网具有技术成熟，能扩大送电数量和范围等优点，但是存在无功功率和频率的问题；然而直流微网与交流微电网相比，并未增加成本，同时避免了无功功率和频率的问题；所以风电微网采用直流微网。分布式电源风力发电机主要是采用直驱机型，它不仅具有控制简单、效率高和运行可靠的特点而且适合风电转换并有运行可靠、效率高和控制简单的特点［2］。整流电路采用PWM交－直换流器，电压型PWM整流电路是通过电容进行储能从而使直流侧呈低阻抗的电压源特性，正适用于直流微电网。

（2）储能装置采用超级电容，它能有效抑制含风电微网有功、无功功率的波动，维持含风电微网电压稳定［3］。在主电路拓扑结构中储能装置是通过DC－DC变换器并接在统一电能质量控制器的直流侧。储能装置的变换器分别工作buck电流和 boost电路状态，对超级电容进行充磁和放磁。其二极管的具有防止超级电容反极性充电的作用。

图1 储能装置结构

（3）统一电能质量控制器主电路系统主要三相三线制结构，它由一个串联变流器和并联变流器组成，两者共用直流侧。其中串联变流器按受控电压方式工作，通过变压器连接到电网和负载之间。而靠近负载侧的并联变流器按受控源方式工作，通过输出电感连接到电网。

图2 具有电能质量统一控制功能的风电微网接入主电网的并网功率接口的主电路拓扑

工作原理:工作原理是直驱永磁风电机组的分布式电源经过PWM整流器并入直流微电网，再通过直流微电网直接连接到统一电能质量控制的直流侧，最后统一电能质量控制器的并联部分把直流侧的电能以有功电流的形式注入到配电网中去［4］。

3 风电微网接入点电能质量扰动信号检测

信号检测是实现风电微网并网功率结构控制的关键。具有电能质量统一控制功能的并网功率接口由并联电路变流器和串联变流器两部分组成。并联电路变流器的输出主要用于控制风电微网接入点的电流电能质量扰动，需要检测出接入点的电流电能质量扰动；串联变流器的输出主要用于控制风电微网接入点的电压电能质量扰动，需要检测出接入点的电压电能质量扰动。对电流和电流电能质量扰动的检测，本文分别采用了广义瞬时无功理论和广义谐波理论的检测方法。

3.1 基于广义瞬时无功理论的电流电能质量扰动信号检测

谐波电流补偿指令的检测采用基于瞬时无功理论的ip－iq法［5－7］。标准的正、余弦信号是通过（PLL）锁相环获取A相电网电压的相位所得到的。三相电路中负载电流经过C32、C矩阵可以得到ip、iq，再经低通滤波器后可以得到直流基波有功分量、，然后再经过反变换并与三相负载电流ia、ib、ic相减，就可得到谐波电流分量iah、ibh、ich。经过电压调节（AVR）后得到含风电微网并网直流有功分量。Δi是稳定直流侧的直流有功分量。

图3 并联变流电路控制的信号检测

C、C－1分别是C、C的逆矩阵。32

在式中第二项是谐波电流补偿和无功补偿分量，第三项指令电流是风电微网并网有功电流分量，第四项是稳定直流侧的直流有功分量。这四项使基于瞬时无功理论ip－iq法检测出的谐波电流、无功补偿和含风电微网并网有功电流得到合成，再通过统一电能质量控制器把计算出合成电流注入电网就可以同时实现谐波电流补偿、无功补偿和风电微网并网。

3.2 基于广义谐波理论的电压电能质量扰动信号检测

串联变流电路的信号检测方法采用广义谐波理论［8］。在三相电路中，频率等于工频频率的三相对称的正序交流分量，称为三相电路的工频正序分量，频率不等于工频频率的三相分量之和，称为三相电路的广义谐波分量。其中工频正序分量与广义谐波分量完全不相关。广义dq0正交变换的基本思想是将三个相电压进行线性变换，通过线性变换得到一个空间电压矢量，并对空间电压矢量进行工频基波和广义谐波的分解。

在任意三相电路中，设 a、b、c相的任意电压ua（t）、ub（t）、uc（t）为:

其中广义dq0坐标系的变换矩阵线性为:

D33的特点是:①通过线性变换D33所得到的三个分量互不相关；②D为D33的逆变换；③有功功率保持不变。

三相电路中的电压通过广义dq0坐标系变换，其变换成的空间矢量中工频正序电压分量呈直流形式而广义电压谐波呈交流形式。利用其特性，对分离广义电压谐波带来了很大的方便，实现对补偿电压畸变指令的检测。广义电压谐波检测原理:三相不对称系统电压经过线性变换矩阵D33后，再通过低通滤波器（LPF）将其直流电压分量分离出来，再经D33反变换就得到工频正序电压，最后将三相电路电压减去工频正序电压就得到三相广义谐波电压。

图4 串联变流电路控制的信号检测

4 具有电能质量统一控制功能的并网功率接口的三态滞环控制策略

统一电能质量控制器要实时、准确产生补偿量时，控制方法十分重要。本文并联变流电路控制采用三态滞环控制进行控制。滞环控制是补偿参考电流与有源滤波器补偿电流产生偏差信号，当偏差值超过容许误差值时，功率开关动作。两态滞环只有输入和补偿两个状态，而三态滞环不仅有输入和补偿状态，还有续流状态。

两态滞环是指令信号与实际补偿电流信号之间差值偏差信号为Δi，当偏差信号低于容许误差的下阀值时，开关Q1、Q4导通，il电流减小，A相输出电压为－Udc；当偏差信号超过容许误差的上阀值时，Q2、Q3导通，il电流增大，A相输出电压为Udc。

图5 简化A相滞环结构

串、并联变流电路控制采用三态滞环控制。设滞比较器宽度为2δ，补偿电流信号为if，指令信号为ig＞0的正半周，Q1一直闭合；当Q2、Q3导通，Q4闭合，A输出的Udc，il按（Udc－U0）/L上升；当il上升至if大于ig时，Q3闭合，Q4导通，A相输出为0，il按－U0/L变化。若U0大于0，则il下降，直到开关周期结束；若U0小于0，il上升分为三种状态:

（1）if上升率小于ig，if相对ig下降至开关周期结束。

（2）if上升率大于ig，开关周期结束if始终在ig和ig+δ之间，则开关周期保持该状态也就是A相输出为0。

（3）if升至ig+δ，Q2闭合，V1、V4与负载构成续流回路，A相输出为－Udc，il按－（Udc+U0）/L下降至开关周期结束。

ig＜0的负半周，Q2始终闭合。当Q1和 Q4导通，Q3闭合，A 相输出为 －Udc，il按 －（Udc+U0）/L下降；当il下降至ig，Q4闭合，Q3导通，A 相输出为0，il按－U0/L变化。若U0小于0，则if上升至开关周期结束；若U0大于0，则if下降分为三种状态:

（1）if下降率小于ig，if相对ig上升至开关周期结束。（2）if下降率大于ig，开关周期结束if始终在ig和ig－δ，则开关周期保持该状态也就是A相输出为0。（3）if降至ig－δ，Q1闭合，V2、V3与负载构成续流回路，A相输出为Udc，il按（Udc－U0）/L上升至开关周期结束。在整个周期内，统一电能质量控制器串联侧输出的相电压有±Udc和零电压三种状态，所以也称三态滞环控制。

三态滞环控制在一个周期内，逆变器的输出电压经历了两个工作周期，而Udc的频率是开关管频率的两倍，实现倍频功能。三态滞环控制具有实现简单、动态响应快、消耗小和适应能力强等优点［9］。

5 仿真

为了验证本文提出的基于统一电能质量控制器的风电微网并网功率接口及其信号检测与输出控制方法的有效性，通过MATLAB仿真软件进行仿真分析。本文采用在三相三线制系统，主要参数如下:变压器变比1∶1；并联变流器L=20mH，C=700μF，R=5；串联变流器L=20mH；直流电容C=100μF；三相不对称负载分别为R=10，L=3mH；R=8，L=0.3mH；R=5Ω。风电微网直流输出在1000V附近。

（1）串联变流器抑制电压畸变。

图6 电压质量治理

（2）并联变流器补偿谐波电流、无功补偿和风电微网并网的结果。

图7 A相电流治理和风电微网并网

图8 B相电流治理和风电微网并网

图9 C相电流治理和风电微网并网

6 总结

风电微网接入点电能质量统一控制，它克服UPQC和风电微网并网装置的缺点，并兼顾了风电微网并网装置的优良性能和UPQC的对电能质量改善作用，同时也提高了变流器的利用率。这样的风电微网发电系统不仅有效地节省设备投资，系统结构也得到简化，而且响应特性快速，对提高电网供电能力和电能质量具有重要作用。因此，风电微网电能质量统一控制具有广泛的应用前景。

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