并、串联补偿在分布式发电系统中的运用

摘  要：随着分布式发电在电力系统中的占比不断增大，分布式发电在生产生活中的作用也愈发重要。由于分布式发电发展快、并网标准不一，为此存在电压不稳定、谐波量较大、穿越能力不强等不利因素，这些因素会影响电力系统供电质量及分布式发电的使用效率。串联补偿对电压稳定性有明显效果，并联补偿则对系统的电流、谐波及负载适应性有积极作用。文章对并、串联补偿在分布式发电系统中的应用及仿真进行了详细的介绍。

关键词：串联补偿;并联补偿;分布式发电

中图分类号：TN713+.8       文献标识码：A文章编号：2096-4706（2021）24-0035-06

Abstract： With the increasing proportion of distributed power generation in power system， the role of distributed power generation in production and life is becoming more and more important. Due to the rapid development of distributed power generation and different grid connection standards， there are adverse factors such as unstable voltage， large amount of harmonic wave and weak ride through capacity， which will affect the power supply quality of power system and the use efficiency of distributed power generation. Series compensation has obvious effect on voltage stability， while parallel compensation plays a positive role in current， harmonic wave and load adaptability of the system. This paper introduces the application and simulation of parallel and series compensation in distributed power generation system in detail.

Keywords： series compensation; parallel compensation; distributed power generation

0  引  言

隨着分布式发电的迅速发展，其已在全世界范围内普及，成为家喻户晓一种发电形式。也正是由于推广速度之快捷，使得其固有的一些问题还处于重要的研究和改善阶段，如电网中运用并、串联补偿技术实现对电网电压稳定、电流平衡、谐波治理等多方面改善优化研究[1-3]，以及并、串联补偿设备在实际生产过程中的使用研究[4，5]，都取得了不错的成效。但对于并、串联联合使用的研究还存在控制系统设计烦琐、模块分立、转换效率低等方面的问题，本文将对并、串联补偿在分布式发电中的应用和模型仿真做详细阐述。

1  串联补偿在分布式发电中的应用及仿真

由于本文研究的是以分布式发电为基础的补偿系统，这里以变耦式串补为例进行分析。对于三相系统而言，主要由两个串联互感器BT1和BT2组成，其中BT1的主要作用是实现对被补偿电压数据的采集和变换，BT2则是实现对电压的补偿，而随着电压变化则可以通过分布式发电能源的分配来实现，其原理结构示意图如图1所示。

由结构原理图进行等效代换可以得出其等效原理图，设定互感器BT1和BT2的互感系数分别为k1和k2，则中间互感器系数可以表示为，由三相电路的平衡性可知，单相变化规律满足三相变化情况，只是相角之间相差120°，因此可以得出单相等值电路等效图，如图2所示，下面对等值电路进行分析。

2  有源串联补偿模型及分析

2.1  有源串联补偿

目前有源串联补偿的方式通常有两种：（1）基于谐波电流检测的电压补偿模式。（2）基于谐波电压检测的电压补偿模式。两种方式本质上是通过电容本身的容抗特性与线路中的感抗相互作用，来抑制谐波，这样既可以使线路的总电抗降低（使得线路的总体电压损耗减小），也可以阻止电网与电阻之间产生谐振，提高系统的稳定性。有源串联补偿在对系统无功补偿、防止电压瞬变以及三相不平衡方面有着良好的效果[6]。有源串联补偿拓扑结构图如图3所示。

2.2  分布式有源串联补偿模型

该系统以电网及分布式发电系统为基础，通过电源调节器对分布式发电电源进行分配，实现电压大小及相位的调节，减小线路总阻抗，从而实现对系统的无功功率补偿，这样既可以实现对无功功率的瞬时补偿，同时多余的电量也可以输入电网，既提高了电能质量，也提高了分布式发电的使用率，图4为分布式有源串联补偿模型示意图。

2.3  有源串联补偿仿真

为真实反映日常生产生活情况，本系统以配电网为例，设系统初始状态为三相不平衡过电压状态，且三相电源波动范围在1.1～1.3 pu之间，分布式发电通过能源管理器对系统供电的同时，对系统进行电压补偿。根据图4分布式有源串联补偿模型及电力系统和分布式发电特性，在MATLAB中，simulink系统可以构建出有源串联补偿仿真模型，如图5所示。

系统以电源三相不平衡调节为基础，且三相过电压情况不同，变化范围在1.1～1.3 pu之间，通过仿真可以发现，即使系统初始状态三相电压变化各异，但通过串联补偿后系统电压都呈稳态变化，且三相电压相等，均为311 V。补偿过程系统电压变化情况如图6所示。

串联补偿后，负载电压变化平稳，符合电压变化规律，且幅值基本无误差，系统负载电压变化情况如图7所示。

串联补偿后负载电流存在谐波影响，呈波动变化，负载电流变化情况如图8所示。

图6为电网电压变化过程，在开始的0.1秒内，三相电压呈不平衡过电压变化，而进行补偿后，如图7所示，电压呈稳态变化，且峰值保持311 V不变，说明该系统在串联补偿过程中对电压的补偿效果良好。但从图8负载电流情况来看，依然存在谐波影响，对电流补偿效果欠佳。

3  并联有源补偿分析及仿真

3.1  并联有源滤波基本原理

并联有源滤波过程原理主要是通过电流信号检测及调制，产生一个与负载谐波大小相等、方向相反的补偿电流，并与电源侧电流叠加，最终形成稳定的正弦波电流。其原理图如图9所示。

而要实现对电流的补偿，首先要采集谐波电流，然后对谐波电流进行分析，再拟定补偿策略，实现对电流及无功的补偿。

3.2  并联有源补偿模型分析

以三相并联有源补偿系统为例，参见如图10所示的系统原理图，其中e为电源;R为电源侧等效电阻;L为有源滤波交流电感;C为有源滤波电容;is、il、ic分别为电源电流、负载电流及补偿电流;Vdc为有源滤波直流电压;C0为高频滤波电容，其值一般较小，主要起高频信号过滤作用，对补偿系统影响不大。因此，对于三相对称系统则有：

3.3  ip-iq控制策略

三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为Va、Vb、Vc和ia、ib、ic，将其通过坐标变换变换到α-β两相正交的坐标系，得到两相瞬时电压Vα、Vβ和lα、lβ，具体变换情况为[6]：

3.4  并联有源滤波仿真及分析

以分布式发电并联有源补偿为例，如图12所示。基本过程为：首先对系统进行数据采集，采集的数据经ip-iq转换，转换后的数据反馈给能源管理器，能量管理器根据需要对系统进行补偿，其余的电流电压以电能的形式输入电网。根据分布式发电并联有源补偿模型，再结合电力系统及分布式发电特性，在MATLAB simulink中确立并联有源滤波仿真模型，如图13所示。

由仿真过程信号跟踪情况可知，整个过程除突变瞬间出现信号跟踪失真外，其他时间段的信号情况都很好，如图14所示。

由图14、图15、图16可知，除系统电压发生突变瞬间系统信号突变外，其余时间信号正常，通过对电流前后变化对比可以得出，并联有源滤波后，系统的电流呈正弦变化，且谐波分量小，但电压存在突变现象。

电压谐波量，其变化情况整体上比较平稳，如图15所示。

图16显示了滤波后电流电压变化情况，电压在突变瞬间，呈现明显增值;滤波后电流呈正弦波形变化。

4  结  论

以分布式电源并、串联补偿为例，充分分析了并、串联过程中串联补偿电压、并联补偿电流原理及其仿真效果，可以得出串联补偿对电压补偿效果良好，仿真可以达到无误差程度。并联有源滤波对电流的补偿效果较好，但依然存在谐波量，主要反映出两方面问题：一是参数配置方面还存在优化的可能;二是可以通过组建环网的形式加以修正。因此，对于分布式电源接入系统，通过自身电流电压对系统的补偿而言是可行的，同时也大大提高了系统的电能质量及分布式电源的穿越能力。

参考文献：

[1] 周鑫，王韶，张文龙，等.配电网固定串联补偿多目标优化 [J].电力系统保護与控制，2017，45（24）：115-122.

[2] 杨文，马媛，许晓康，等.三相三线制并联有源电力滤波器对次谐波补偿作用研究 [J].甘肃科技纵横，2021，50（7）：37-39.

[3] 刘文邈，贾清泉，孙玲玲，等.计及多功能逆变器贡献的电压检测型APF分布式谐波治理优化配置 [J/OL].中国电机工程学报：1-15.[2021-11-02].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2107.TM.20210701.1500.004.html.

[4] 段志兴.新型SVG静止无功发生器在保定地区电网中的应用研究 [D].北京：华北电力大学，2017.

[5] 邱军，王楚迪.电力系统无功功率补偿技术发展研究 [J].电气开关，2015，53（1）：49-53.

[6] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿 [M].北京：机械工业出版社，2005.

作者简介：吴坤华（1982—），男，汉族，江西上饶人，讲师，硕士研究生，研究方向：电力工程、新能源发电。