含微网的配网统一电能质量调节装置

李圣清， 张彬， 栗伟周， 李永安

(1.湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007;2.南京钛能电气有限公司，江苏南京211800)

0 引言

随着电力电子技术的发展，可再生能源得到越来越多的开发和应用，导致低压配网中出现大量的分布式发电装置及并网的电力电子设备［1-6］，加之原有低压配网中存在大量的电力电子器件和非线性负载，给配网带来了严重的电能质量问题［7-8］。同时，配网的容量一般较小，上一级电网的谐波向低压电网的渗透也相对比较严重。这就导致微网高渗透率下的低压配网谐波问题比普通配网更为严重［9-10］。

尽管分布式电源给系统带来了许多不确定性，例如其波动可能造成系统电压闪变以及引进大量谐波等，使电能质量一些方面进一步恶化，但其也存在改善电能质量的潜力。因为现有改善电能质量的技术是建立在电力电子技术基础上的，而分布式发电也正是建立在电力电子技术的基础上，这样新型电力系统使得利用自身的电力电子转换器成为可能，利用现有电力电子设备吸收或释放有功、无功，从而不仅实现电能的传输转换，而且改善了系统的电能质量，减少系统的额外投资。文献［11］建立了多功能并网逆变器拓扑的数学模型，利用加权电流反馈方法设计了其并网电流跟踪控制器，基于输出滤波器中阻尼电阻功耗与阻尼比之间的关系，设计了阻尼电阻。给出了一种包含并网功率跟踪和电能质量补偿两部分的指令电流生成算法。但是，该指令电流生成算法比较复杂。文献［12］运用光伏并网发电与有源电力滤波器的统一控制思想，利用二者拓扑结构特性对系统功能进行了进一步拓展，提出光伏发电与有源滤波器的统一控制模型，该装置能同时实现光伏并网发电、无功补偿和谐波电流抑制，且能够实现后备式UPS功能，即在供电系统停电时可以紧急对重要负载供电，确保重要用户不受系统断电的影响。

本文详细分析了分布式电源对原有配网电压、电流电能质量的作用机理，提出了含微网的配网电能质量调节器，使其发挥该环境下既能并网发电又能治理谐波和无功的功能，提高工作效率并降低投资成本。

1 分布式电源对配网电能质量的影响机理

1.1 分布式电源对配电网电压的影响机理

分布式电源的突变性、间歇性及随机性对配电网其他用户的供电电压造成冲击，使得配电网电压出现波动、闪变等重大电压质量问题。分布式电源对其并入点的冲击是最大的，因此研究对DG并入点的电压影响最具代表性。

带有分布式电源的配电网在DG接入点的等效电路如图1所示。

当分布式电源注入系统功率改变时，会使线路上的电流产生变化。由图1所示等效电路，可估算分布式电源发电量波动时，在DG接入点上的电压变化值为

又有

代入式(1)，得

式中:ΔSn为分布式电源的注入功率变化;Sk为DG接入点处短路容量;Zs=(Rs+jXs)为电网等效阻抗;ΔI为线路电流变化量;α为从DG接入点看入的电网阻抗角;β为分布式电源功率因数角;u为DG接入点电压。

图1 分布式电源并网等效电路Fig.1 The gridconnected equivalent circuit of distributed generation

同一线路两端的相位移不计时，可忽略垂直分量，则

式中，K表示分布式电源对系统电压的冲击程度。

由式(5)可得，分布式电源对系统供电电压的冲击与注入功率的变化、并入系统的短路容量及分布式电源的功率因数有关，这些因素是引起配电网电压波动、闪变等重大电压质量问题的主要原因。

1.2 对配电网电流质量的影响机理

随着微网技术的快速发展，必将使原有低压配网中出现小型燃气轮机、燃料电池以及太阳能、风能等分布式电源发电装置，这些分布式电源输出的能量通常是由电力电子器件构成的并网逆变器向配网输送，必将会带来谐波污染。当微网在配网系统的渗透率增加，配网内分布式电源规模足够大时，多个谐波源叠加造成的谐波含量会严重影响配网电能质量，不仅如此，多个谐振源还会在系统内激发高次谐波的功率谐振，以及配网中原有用电设备中的非线性用电设备数量和比重迅速增大，必将导致配网电流谐波畸变率的进一步恶化，威胁配网的安全与稳定运行。

2 含微电网的配电网统一电能质量调节器

2.1 系统结构及工作原理

分布式电源并网逆变电路结构与配网常规有源电能质量调节装置一致，都具有逆变器，因而可用一套设备实现多种功能。本文设计的电能质量调节器的单相系统结构如图2所示。

图2 系统结构图Fig.2 The system structure diagram

主要由检测电路、控制电路、逆变电路、无源滤波器和储能单元等构成，由图2可知:

1)与分布式电源并网发电装置相比，该装置仅增加了谐波、无功电流检测环节，使系统并网发电的同时治理配网系统谐波。当该装置并网发电时，可控制逆变器输出与电网同频同相的有功基波电流。而且分布式电源可与并网逆变器直接相连而不再需要升压变换电路，从而提高了分布式电源并网发电的效率。

另外，电网基波电压均施加在并网逆变器交流侧电力电容器上，最大限度地降低逆变器的容量，同时PPF组装设在负载侧实现就地补偿，APF中直流侧电压远低于电网基波电压，改善了因负载谐波电流注入引起的配网公共连接点处电能质量问题，提高了系统运行稳定性。

2)与常规有源电能质量调节装置相比仅增加了一个DG单元，既结构简单，又具有电能质量补偿装置的诸多优点。当需要该装置发挥电能质量调节的作用时，只要控制逆变器中的谐波与无功指令电流即可。并且当并网逆变器因故障而不得己旁路后，无源滤波器仍可起到一定的谐波抑制及无功补偿作用。

2.2 复合指令电流的合成运算

谐波与无功电流的检测是分布式电源并网逆变器发挥电能质量调节器功能的关键。传统的p-q检测方法有着广泛的应用，但这种方法仅仅适用于三相电压波形无畸变的平衡系统，当电压波形有畸变时，检测精度将得不到保证。由前面的分析可知，大量的分布式电源并网出力的改变将导致原有配网电压发生波动与畸变，p-q谐波检测方法将不再适用。鉴相原理谐波电流检测法是基于通讯技术中的相位鉴别方法，其特点是各相独立进行检测，没有三相带来的误差，因而在三相电网电压波动或畸变时都能准确检测谐波电流。在此种方法中，采用与配网母线电压同频的单位余弦、正弦信号分别与电网电流直接相乘，并经低通滤波器后得到电网电流中的瞬时基波有功及无功电流，进而得到瞬时谐波电流。另外，传统基于鉴相原理的谐波电流检测法是开环系统，其检测精度和动态响应性能很大程度上取决于低通滤波器参数的设计，截止频率和阶数的设计比较困难。而且系统稳定性能低，鲁棒性差，易受系统其他参数的影响。为了提高系统的稳定性与动态性能，本文在检测鉴相支路增加比例积分调节器，考虑到一个n阶低通滤波器与积分单元通过闭环形式可以构造n+1阶低通滤波器，将开环电路模型设置成闭环电路来改善其鲁棒性，采用积分环节来代替低通滤波器，降低设计的难度。复合指令电流的合成如图3所示。

图3 复合指令电流的合成运算Fig.3 The synthesis operation of complex instruction current

一套装置实现并网发电和治理电能质量等多种功能，势必大大降低装置成本，并提高系统运行稳定性、工作效率和动态性能。

3 仿真与实验

3.1 仿真

图4为建立的含微网的配网统一电能质量调节装置整体Matlab仿真模型。配网系统电压380 V/50 Hz，分布式电源输出机口电压等效为800 V;开关频率为10 kHz;负载为不可控整流阻感性负载，负载电阻R=20 Ω，L=25 mH;调节装置交流输出侧参数为 L=5 mH，C=105.2 μF。

图4 统一电能质量调节装置整体仿真模型Fig.4 The whole simulation model of unified power quality conditioner

仿真过程中该装置未投入运行时配网电源系统侧电流、电压波形如图5所示。从图中可以明显的看出此时系统电流波形畸变严重，与常规正弦电流波形相比相差甚远，电流总畸变率高达24.09%，严重不符合国家相关谐波畸变率要求(5%)，而且电流和电压在相位上存在一定的相位误差，这是由于负载需要吸收一定的无功功率导致的。

该装置投入运行后系统的电流、电压波形如图6所示，此时控制该装置的指令电流中并未加入并网发电有功电流，负载所需有功电能全部来源于配网电源，由波形可以看出，该装置此时较好的发挥了原有电能质量调节装置的功能，电流波形有了较大的改善，且电流与电压之间存在的相位差较之前已有明显的缩小，电流总畸变率减小到3.45%，符合国家相关谐波畸变率要求。

图6 该装置投入后系统电流电压波形Fig.6 The system voltage and current waveform after the device is put into operation

该装置投入运行且复合指令电流中加入10 A有功电流指令时的系统电流、电压波形如图7所示，配网电源系统侧电流幅值有所减小，此时电流畸变率为3.58%，表明该装置在发挥原有电能质量调节装置功能的基础上，同时实现了并网发电，此时电流与电压同频同相，配网电源和并网的分布式电源共同提供负载所需的功率。

图7 系统电流、电压波形Fig.7 The system current and voltage waveform

3.2 实验

为了验证本文所提电能质量调节装置设计方案的可行性，进行了相关实验，实验控制芯片选择TI公司的定点32位TMS320F2812。主要包括电能质量治理实验、并网发电与电能质量治理实验两个方面。

1)电能质量治理实验

该电能质量调节装置未投入系统运行时，实测的实验系统电源侧电流、电压波形如图8所示，图中上半图为电压波形(400 V/div)，下半图为电流波形(20 A/div)。

由图8可知，系统电源侧电流与电压波形同频同向，电流总谐波畸变率(THD)高达24.9%，电流畸变较为严重，严重超过国标。

当该装置投入系统运行后，实验系统电源侧电流、电压波形如图 9所示，上半图为电压波形(400 V/div)，下半图为电流波形(20 A/div)。

图8 该装置未投入运行时系统电流电压波形Fig.8 The system voltage and current waveform of the device is not put into operation

由图9可知，该装置投入运行稳定后可较好发挥电能质量治理功能，电流波形接近于正弦波。同样采用电能质量分析仪对电流进行畸变率分析可知，此时的电流总谐波畸变率大小为4.51%，较前面已有明显的改善效果。

图9 该装置投入后系统电流电压波形Fig.9 The system voltage and current waveform after the device is put into operation

2)电能质量治理与并网发电实验

该装置同时发挥电能质量治理功能与并网发电的实验系统电流电压波形如图10所示，上半图为电压波形(400 V/div)，下半图为电流波形(20 A/div)。

图10 系统电流、电压波形Fig.10 The system current and voltage waveform

从图10中可以看出此时装置运行以后系统电流波形趋于正弦波且电流的畸变率值为4.37%，能够满足国家相关标准，说明此时该装置依然可以较好的发挥原有电能质量调节装置的谐波治理及无功补偿功能。

由图9与图10对比可以明显看出此时电流波形方向正好相反，表明此时系统电源侧的电流是由负载及此装置侧流向电源侧的，表明该装置向电网输送了有功能量，其大小不但可以满足负载的有功需求，还可以将多余的有功输送到电网电源侧。此时该装置不但发挥了无功补偿及谐波治理装置的功能，还同时向电网电源侧和负载提供有功电能，实现了分布式电源的并网发电功能。系统电流畸变率不仅满足国家公用电网谐波标准还达到了微电网分布式电源并网发电畸变率标准要求。

4 结语

本文针对微网背景下的配网电能质量治理问题展开了研究，分析了分布式电源对原有配网电压、电流电能质量的作用机理，提出了一种含微网的配网统一电能质量调节装置。仿真和实验结果验证了该装置能够实现并网发电与电能质量综合治理的多种功能。

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