考虑储能容量的电网电能质量治理策略

2021-03-20余中平关洪浩孟高军王耿耿

可再生能源 2021年3期

余中平，关洪浩，余金，孟高军，王耿耿

（1.国网新疆电力有限公司经济技术研究院，新疆乌鲁木齐 830011；2.南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167）

0 引言

随着各国大力推进新能源政策的实施，太阳能、风能等分布式可再生能源的应用受到了广泛的重视[1]，[2]。可再生能源出力一般都具有随机性和间歇性，若其直接并网，会造成严重的电能质量问题，特别是在公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）处，电网内存在的谐波、无功、三相不平衡等电能质量问题会更加突出[3]，[4]。因此，如何治理分布式能源在并网点的电能质量问题，使得电网安全稳定运行是目前研究的热点。

由于储能技术的不断发展和成本的降低，在分布式电源系统中添加储能装置，成为解决这些问题的重要环节[5]。文献[6]～[8]介绍了实际配电网中，在光伏、风电等分布式能源中加入储能装置，能够有效改善变流器并网时出现的电能质量问题，减少了弃光、弃风现象的发生。文献[9]通过一种新型光-储系统柔性并网模型，利用储能平衡最优并网有功功率与光伏最大出力之间的差值，并采用P/Q解耦控制使得全网节点电压满足安全约束，有效地解决了高渗透率清洁能源并网造成的电能质量问题。文献[10]分析了储能系统功率平滑与有源滤波统一控制的原理，采用CPT理论和重复控制算法，充分利用储能变流器资源进行电网谐波、无功补偿，有效解决了新能源并网时带来的电能质量问题。

但上述文献在改善电网电能质量时都未考虑储能系统自身SOC，当SOC较低时，如果继续利用储能资源治理全部的电能质量问题，就会造成储能电池过放，缩短储能系统使用寿命，同时也会导致电能质量治理效果不佳。文献[11]，[12]提出了一种分频控制，利用其频率选择特性，在储能容量不足时，选择对电网稳定运行影响较大的特定次频率的谐波进行补偿，但该控制策略只单一地解决了谐波问题，未能解决其他电能质量问题。文献[13]，[14]提出在储能容量不足时，为电网中普遍存在的谐波、三相不平衡、无功等问题设定治理优先级，根据制定的控制策略，在不同的储能SOC时治理相应等级的电能质量问题。但分布式能源并网时的电能质量优先级是不同的，当电能质量优先级设计不合理时将会严重影响电能质量问题的治理，甚至造成分布式能源并网失败。综上所述，现有文献往往很难在既考虑储能SOC，又能最大化地利用变流器剩余容量治理电网中存在的综合电能质量问题。

本文提出一种基于储能容量的电能质量治理策略。首先，介绍了PCS的结构并给出了参考电流生成方法；随后，根据储能系统当前容量，选择补偿控制方法，并重点针对储能容量不足情况，提出基于PVPI的PCS分频控制策略，利用PVPI控制具有的频率选择特性，根据储能剩余容量有选择地治理电网谐波、无功、三相不平衡等电能质量问题；最后，通过仿真和实验，验证了所提出的变流器控制策略能够满足要求。

1 储能变流器实现原理

1.1 储能变流器主结构拓扑

图1所示为多功能储能变流器主结构拓扑，主要由储能电池、四桥臂双向变流器和控制单元组成。图中：Udc，idc分别为直流电压和直流电流；L为变流器侧电感，与滤波电容C构成LC滤波电路；iLx，isx，usx（x=a，b，c，n）分别为变流器侧输出电流、电网侧电流和电压，并作为控制器的触发脉冲信号，控制储能变流器的输出；储能电池由磷酸铁锂电池和超级电容复合组成。储能变流器既能传输有功功率，又能根据自身的剩余容量，对电网谐波、无功和不平衡电流进行治理，有效地改善电网的电能质量问题。

图1 储能变流器主结构拓扑Fig.1 Main structure topology of energy storage converter

1.2 参考电流生成方法

1.2.1补偿电流检测

储能变流器在实现传输有功功率的同时兼具综合电能质量补偿控制，需要克服电网不平衡电压畸变生成无功、不平衡及谐波补偿电流。本文采用基于瞬时功率理论的电流检测方法，首先利用Clarke（Cabc-αβ）变换，将三相电网电压ua，ub，uc变换到 αβ两相静止坐标系中，如式（1）所示。

由式（1）可知，经过变换后得到的uα，uβ中含有高次谐波分量和正负序基波分量，为抑制不平衡电压的干扰，需要将正序基波分量从中提取出来。本文采用基于具有滤波及频率跟踪功能的自适应陷波器（Adaptive Notch Filter，ANF），最终提取出不含谐波、无功、三相不平衡分量的基波正序电压分量。基于ANF的基波正序电压检测框图如图2所示，其中，分别为基波正序电压α，β分量。

图2 基于ANF的基波正序电压检测框图Fig.2 Fundamental positive sequence voltage detectiondiagram based on ANF

在生成补偿电流过程中，需要将αβ坐标系变换到dq同步旋转坐标系中，而同步旋转角正弦、余弦可直接由检测出的，表示。

为保证分布式电源并网成功，同步旋转角须要与电网实际基波电压相位始终保持一致。首先通过Clarke（Cabc-αβ）变换将三相静止坐标系内的电流ia，ib，ic变换到 αβ两相静止坐标系内，表示为iα，iβ，其中包含正序基波分量和谐波、无功及不平衡负序分量。利用Park变换将iα，iβ变换到dq同步旋转坐标系中，Park变换可将基波正序分量转化为直流分量，表示为直流形式的有功、无功电流id，iq，同时iα，iβ中的谐波、无功及不平衡负序分量均以谐波的形式存在于id，iq中，可以采用低通滤波器（Low Pass Filter，LPF）滤除id，iq中的谐波，从而得到不含谐波的直流有功电流和无功电流。再通过Park反变换将，i变换到αβ两相静止坐标系下，得到不含谐波、无功和不平衡负序电流的基波有功电流，，用αβ两相静止坐标系内电流iα，iβ减去，，就生成了含有谐波、无功和不平衡基波负序分量的补偿电流，。综上所述，PCS电流补偿检测框图如图3所示。

图3 PCS电流补偿检测框图Fig.3 PCS current compensation detection block diagram

1.2.2并网参考电流生成方法

PCS的主结构拓扑图如图1所示。PCS在基频dq坐标系下的等效数学模型可以表示为

式中：L和R为储能变流器并网时进线电感和电阻；uα，uβ和iα，iβ分别为电网电压和电流在 αβ两相静止坐标系下的分量；ucα，ucβ为PCS侧电压在αβ两相静止坐标系下的分量。

PCS输出的有功功率Pg和无功功率Qg可分别表示为

由式（4）可知，要控制变流器功率输出，只需控制iα，iβ即可。当控制变流器输出有功和无功时，令Pg=，Qg=，代入式（4），得：

2 PCS补偿控制方法

将储能装置并联在PCC处，其目标是根据控制指令产生大小相等、方向相反的特定频次的补偿电流，与电网中待补偿相互抵消，以此来改善电网中的电能质量。如果不考虑储能电池当前容量，直接对电能质量问题进行补偿，会造成电池过放，降低电池使用寿命。PCS采用的复合控制框图如图4所示。

图4 PCS复合控制框图Fig.4 PCS composite control block diagram

当储能电池可输出容量大于计算出的待补偿容量时，PCS进行全补偿控制，治理电网中的谐波、无功及三相不平衡问题；当储能电池可输出容量小于计算出的待补偿容量时，PCS进行分频选择补偿控制，此时PCS根据自身容量选择只补偿无功、不平衡电流、特定次电流谐波（3，5，7次等）或特定次谐波之和，实现有限补偿输出。最后经过PWM环节生成控制信号控制PCS输出，完成电网电能质量治理。

针对分布式能源并网控制要求，PCS在控制时应兼顾系统稳定、控制精度和稳态误差等要求。考虑到重复控制具有结构简单、跟踪精度高、鲁棒性强等优点，PCS进行全补偿控制时，采用文献[15]，[16]提出的基于改进重复控制算法的内环控制器，将比例控制器与重复控制器相并联，有效地克服了传统重复控制器响应速度慢的缺点。

本文重点考虑当储能容量不足时的分频补偿，从而对电网中的电能质量问题进行有选择的重点补偿，其控制框图如图5所示。

图5 PCS分频选择控制框图Fig.5 PCS frequency division selection control block diagram

如图5所示，本文分频控制采用复矢量（CPI）控制方式，即将矢量比例积分（VPI）控制通过公式fabc=fdqe-jωt进行等效变换。

式中：τp，τi分别为比例系数和积分系数。

将VPI与CPI进行对比可知，式（7）中PI控制比例项 τp与jωτp/s之间存在耦合关系，难以实现系统的单独响应控制。为改善其响应能力，在CPI控制基础上并联比例控制项 τpo，并联后表达式如下：

将dq旋转坐标系内的式（8）变换到 αβ两相静止坐标系，可得：

式（9）即为比例谐振控制器中的一种，称为PVPI控制。PVPI控制利用谐振特性使频率ω处的增益值理论上达到无穷大，当系统在谐振频率为ω时，系统输出无静差跟踪同频率正弦指令输入。

因为在VPI控制中增加了比例项，使系统开环零点发生变化从而加快了系统对于输入变化的响应速度。同时PVPI控制能使非谐振频率点的信号受到有效抑制，仅实现对某一频率信号控制，就可以通过改变比例项 τpo独立补偿各次谐波。PVPI分频控制算法为

分频控制输出量UPVPI（s）与三角波进行调制，即可产生开关器件的触发脉冲，通过PCS复合控制方法，注入配电网响应的综合补偿电流，使得PCS能够在自身容量不足的情况下，有选择地治理电网中的电能质量问题，有效提高了电池寿命，使利用储能治理电网中电能质量问题更具经济性。

3 仿真分析

如图6所示，利用MATLAB/Simulink建立由分布式电源、储能装置和负荷组成的分布式电源并网结构图，对本文提出的储能变流器控制策略进行仿真验证，并重点验证PCS在储能容量不足情况下的治理情况。实验所需具体参数如表1所示。

图6 分布式能源并网结构图Fig.6 Distributed energy connection structure

表1 PCS并网参数Table 1 PCS grid-connected parameters

续表1

3.1 谐波补偿实验分析

图7、图8所示为电池储能系统参与电能质量治理前后PCS输出侧电流波形。储能变流器在投入补偿策略前，由于分布式能源并网中大量电力电子器件的运用以及负载中存在非线性、不平衡敏感性负荷，分布式电源并网电流发生畸变。图7给出了PCS输出侧电流在充放电运行状态时的谐波幅值占基波幅值的百分比，畸变率为4.78%。如图8所示，储能系统参与谐波补偿后，并网电流波形明显改善，波形接近正弦波，畸变率降低为1.86%，达到了并网要求，有效地解决了电网中的谐波问题。

图7 补偿谐波前并网电流波形及谐波分析Fig.7 Analysis of current waveform and harmonics before compensating harmonic current

图8 补偿谐波后并网电流波形及谐波分析Fig.8 Analysis of current waveform and harmonics after compensating harmonic current

3.2 无功补偿分析

图9为无功补偿前后并网电压电流相位波形。电池储能系统在2.52 s前未投入无功补偿模块，因为本地负载中存在无功负荷，需要从交流电网中吸收无功功率，造成分布式能源并网点处并网电压和电流存在相位差。在2.52 s时电池储能系统投入无功补偿控制模块，此时逆变器迅速调整输出电流，并网电压、电流保持同相位，实现了对本地负荷的无功补偿，校正了并网电流的功率因数，使其功率因数接近于1，有效地实现了无功功率补偿。

图9 无功补偿前后波形Fig.9 Waveforms before and after reactive compensation

3.3负序电流补偿及电能质量综合治理

在本地负载中投入三相电感值不一致的电感器，本地负载中就会包含无功分量及负序分量，此时储能变流器需要进行三相不平衡及无功问题的综合电能质量问题治理，同时完成对无功电流及负序电流的补偿。

如图10所示，电池储能系统在提供补偿之前，变流器并网电流发生畸变且不平衡，同时并网电流与电压不同相位，这说明在并网点处同时存在三相不平衡、无功及谐波问题。在储能装置提供补偿后，入网电流正弦度高，并网电流、电压三相平衡且同相位。由此可见，本文考虑储能容量的电网电能质量治理策略能够在保护储能电池的基础上，具有良好的综合电能质量治理能力。