基于配电网的混合补偿控制策略

张永年，宋红为，吴兆彬

（1.兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州730050；2.国网甘肃省电力公司 天水供电公司，天水741000）

随着电力电子器件和非线性负荷在配网中的大量应用，使得配电网中电能质量问题日益严重，单一的补偿已经难以满足配电网电能质量要求，为更好地改善配电网电能质量，混合补偿的研究逐渐成为了一个重点[1]。

分布式电源一般需要通过并网逆变器接入电网，考虑到分布式电源和静止无功发生器在结构上的相似性，在保证分布式电源DG 满足有功功率输出的情况下，可以利用其裕量参与无功补偿[2]。近年来，国内外学者对混合无功补偿的研究取得了一定的发展。文献[3]提出一种将静止无功发生器和LC补偿相结合的补偿方式，利用静止无功发生器SVG和LC 在补偿方式上的特点，对配电网无功功率进行动态精确补偿。文献[4]提出一种晶闸管投切电容器与静止无功发生器协同运行的混合无功补偿系统，该系统能够在进行无功补偿的同时抑制一定的不平衡电压，从而保证系统的稳定运行。然而，这些研究多是利用常见的无功补偿设备之间进行配合来实现混合无功补偿，并未对DG 的补偿能力加以利用。

文献[5]提出一种基于DG 并网逆变器的无功补偿协调控制系统，利用投切电容器组对无功功率粗补偿，并网逆变器进行无功功率的精确补偿，使得该系统具有动态补偿配网无功需求的能力。但研究仅针对无功功率的补偿，未涉及不平衡电压等电压质量问题。故在此提出一种DG 与SVG 混合补偿配电网无功功率的协调控制策略。

1 配电网电压质量协调控制结构

文中所提控制策略首先利用DG 的裕量和配电网固有的并联电容器组进行无功补偿；当DG 补偿的无功不能达到配电网的无功需求时，利用比例复数积分PCI（proportional complex integral）控制方法控制SVG 协调补偿[6-7]，同时能抑制一定的不平衡电压。通过对DG 和SVG 之间的协调控制，达到改善电压质量的目的，并尽可能地消纳可再生能源，节约设备投入成本。其协调控制系统结构如图1所示。

图1 协调控制系统结构Fig.1 Coordinated control system structure

图中，协调控制系统主要包括DG 无功补偿控制和SVG 协调补偿控制。检测电网公共连接点PCC（point of common coupling）电压uabc和负载电流iabc，计算出配网所需补偿的无功电流iqref，采用PV法对有容量裕度的DG 进行控制，参与配电网无功补偿，利用比例复数积分控制方法控制SVG 补偿DG 欠补的无功级差，并能对系统的不平衡电压起到抑制作用。通过DG 和SVG 两者的协调运行实现动态无功补偿，从而改善电压质量。

2 电压质量协调控制策略

2.1 DG 无功补偿控制

DG 并网逆变器采用PV 控制方式[8]，能够输出定量的有功功率的同时灵活分配无功功率。在三相对称电压下，假设d 轴与并网点电压矢量重合，则uq=0，此时有功功率与无功功率计算为

逆变器PV 控制原理如图2所示。该控制方式有2 个设定值——逆变器所需输出的有功功率Pref和并网点电压Uref。

由图可见，利用检测得到的公共连接点电压uabc和负载电流iabc，经过dq0 变换后得到d 轴的电压ud和电流id，以及q 轴的电压uq和iq。d 轴电流参考值分量idref由有功功率设定值Pref计算得到。并将电压参考值Uref与实际电压进行比较，并通过PI 控制器计算，输出q 轴电流分量参考值iqref。

图2 逆变器PV 控制原理Fig.2 Principle of PV control for inverters

在dq 旋转坐标系下，由于d 轴分量和q 轴分量之间存在耦合，需要将d，q 轴电流分别与ω 和电感L 相乘，实现电流的前馈解耦。并将d，q 轴电流参考分量idref，idref与id，iq做差后通过PI 计算，PI 控制器的输出与电流前馈解耦、电压前馈补偿相结合得到逆变器的d，q 轴电压参考值udref和uqref。再将所得的电压参考值经过dq 反变换，得到最终的逆变器调制信号，通过对逆变器的控制来实现DG 参与无功补偿。

2.2 SVG 协调补偿控制

为了充分利用DG 的余量对配电网提供无功补偿，利用PCI 的控制方法对SVG 进行协调控制，作为DG 的一种辅助补偿设备，并能抑制一定的电压不平衡度。其控制策略框图如图3所示。

图3 SVG 控制策略Fig.3 SVG control strategy

利用直流侧电压与所给电压参考值的差值，经过PCI 计算得到参考电流值，再与并网电流的正序分量作比较得到母线电压稳定控制信号。将负载侧电流和DG 逆变器出口电流进行正负序分量分离后，并进行相应的比较，再经过PCI 控制器，得到SVG 所需补偿的无功电流大小，最后通过αβ 反变换，生成相应的脉冲控制信号对SVG 进行协调控制，使得SVG 实现对无功功率和不平衡电压的同时补偿。

2.2.1 电流正负序量分离

当系统工作在不平衡工况时，为了更好地保证系统的稳定运行，需要对系统中存在电流的正负分量和负序分量进行计算和补偿。由于基于复数滤波器的正负序分量分离方法具有运算量小、结构简单等特点，故采用该方法来对电流进行正负序分量分离，如图4所示。正负序电流的计算公式为

式中：ωc为滤波器截止频率；ω0，-ω0分别为正、负序电流分量的频率。在β 轴方向，正负序电流计算公式与α 轴相同。

图4 电流正负序分量的分离Fig.4 Separation of positive and negative sequence components of current

由式（3）和式（4）可得

得到的滤波器幅频特性为

由式（6）可知，当频率为正序分量频率ω0时，滤波器的幅频特性为为负序分量频率-ω0的幅频特性为因此，经滤波器滤波后，正序分量可以无衰减通过，而负序分量完全衰减，从而实现正负序分量分离的作用。同理，可通过计算将电流负序分量进行分离。

2.2.2 比例复数积分控制

使用传统的PI 控制方法抑制非线性扰动时，系统中会产生静态误差，使得指令信号无法实现无静差跟踪，这将影响SVG 的协调补偿效果。因此，使用PCI 控制方法降低系统中的稳态误差，PCI 控制的频域为

式中：kp为比例系数；ki为复数积分系数；ω0为电流分量频率。

PCI 控制的主要问题是实现在幅值不变的情况下相角移动90°。可以利用移相90°的全通滤波器来完成传统PCI 控制中的移相环节。全通滤波器的传递函数为

式中：ω0为电流分量频率；c 为常系数，且c≤ω0。PCI控制器的控制框图如图5所示。

图5 PCI 控制器的控制框图Fig.5 Control block diagram of PCI controller

3 仿真试验分析

为验证所提协调控制策略的有效性和正确性，在MatLab/Simulink 中建立系统模型，如图6所示。

图6 DG 和SVG 协调补偿仿真模型Fig.6 Simulation model of DG and SVG coordination compensation

图中，2 台DG 均由直流电源、三相逆变桥和LCL滤波电路组成，功率均为3 kW。S1和S2为DG 处所带的本地负荷功率；SVG 额定容量为200 kV·A，并联接入并网点。系统模型参数见表1。

表1 系统电路参数Tab.1 System circuit parameters

利用所提协调补偿策略使得DG 和SVG 互补运行，运行结果如图7所示。

图7 DG 和APF 协调补偿输出电压电流波形Fig.7 Output voltage and current waveforms of coordinated compensation between DG and APF

由图7（a），（b）可见，未补偿时，PCC 点的电压、电流uPCC和iPCC存在着明显的不平衡以及畸变。在0.5 s 时DG 参与补偿，可以看出，PCC 点的电压质量得到明显的改善，电压波形几乎接近正弦。因DG补偿为电压补偿，所以对于电流的改善效果并不明显。而且由于DG 补偿容量的限制，无法对电压质量进行完全补偿，输出的电压依旧存在不平衡问题。在0.6 s 时SVG 进行协调补偿，电压的不平衡以及无功得到足够的补偿，使得PCC 点电压质量和电流质量都得到很大的改善。

由图7（c）可见，DG 在参与补偿前输出电压波形为正弦波，0.5 s 时DG 参与补偿，使得自身输出电压质量下降，严重时会造成连接在DG 母线上的负载无法正常工作；0.6 s 时，投入SVG 进行协调补偿，DG 输出电压质量也得到较大的改善。通过对DG 和SVG 的协调补偿，不仅能够改善PCC 点的电压质量，还能够保证DG 输出电压质量稳定。

4 结语

考虑到DG 与SVG 在结构上的相似性，提出了将DG 和SVG 相组合的电压质量协调控制策略。当系统所需无功功率大小在DG 逆变器输出范围内时，利用DG 对系统补偿；当DG 无法满足系统无功需求时，将SVG 投入系统，协调DG 进行协调补偿。通过仿真，验证了所提策略能够改善并网点电压质量，还可以解决电压不平衡问题，从而维持系统的稳定运行，达到改善系统电压质量的目的。