21ic智能電網：采用有源濾波器和靜止無功補償裝置聯合運行的方式來提高孤立運行的微網電能質量，其中有源濾波器接在分布式電源逆變器出口側，濾除諧波電流，其電流檢測采用ip-iq法，跟蹤控制采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調制的方法;靜止無功補償裝置，由晶閘管控制的電抗器和晶閘管投切的電容器組成，安裝在微網負荷側，隨負荷需求供給無功，維持負荷側電壓穩(wěn)定，減小系統網損，并提高電能質量。經實驗證明了該聯合系統對提高微網電能質量是有效的。

在能源需求與環(huán)境保護的雙重壓力下，既清潔又可再生的分布式發(fā)電技術獲得了極大的發(fā)展;與此同時，分布式電源DG(Distributed Generation)的接入也帶來了不小的負面影響，它發(fā)電的間斷性，增加了配電網潮流的不確定性，影響電壓的穩(wěn)定性，同時產生諧波等[1～3]?，F在分布式發(fā)電供能系統多以微網方式接入電網并網或孤立運行。它是從系統角度將分布式發(fā)電單元與負載組成單一的可控單元，是集成多個DG和負荷的獨立系統。微網在一定程度上克服了分布式電源的缺陷。

與傳統配電網相比，微網的特殊網絡性質和運行特點，以及包含其中的眾多儲能設備、檢測控制設備都使微網電能質量問題有了許多新的特點[4～6]。本文采用有源電力濾波器APF(Active Power Filter)和靜止無功補償裝置SVC(Static Var Compensator)聯合補償的方式，對微網進行電能質量的改善。另外本文假設微網在孤島模式下也能夠提供負載所需的有功功率，所以微網頻率始終可以保持穩(wěn)定。通過在天津大學智能電網教育部重點實驗室微網實驗室實驗結果證明了電能質量改善系統的有效性。

1 APF的檢測和控制

1.1 APF的工作原理

APF按接入電網的方式，分串聯型、并聯型、串-并聯型三種結構[7，8]，本文采用并聯型結構，并聯型APF投切靈活，各種保護也相應簡單，技術上比較成熟。并聯型APF的工作原理為：通過產生與檢測電流中的諧波和無功分量大小相等、相位互差180°的補償電流注入電網，使網側電流成為與電網電壓同相的正弦波，從而達到凈化電網的目的[9，10]。因此并聯型APF技術的關鍵在于補償電流的檢測和補償電流跟蹤控制兩個環(huán)節(jié)。其工作原理圖如圖1所示。

圖一 APF原理

1.2 APF的檢測方法

目前最常用的諧波檢測技術都是基于三相電路瞬時無功功率理論[11]，主要的檢測方法有兩種p-q法和ip-iq法。由于電網電壓含有畸變和不對稱分量時，p-q法得到的有功電流將是與電壓具有相同頻率、相位和波形的畸變波形，而ip-iq法中電網電壓不對稱造成的正弦信號相位偏差對不對稱分量對諧波的補償沒有影響。本文采用后者作為諧波檢測方法。具體原理如圖2所示。

圖2　ip-iq電流檢測法

電流諧波檢測系統首先利用PLL(phase locked loop)鎖相環(huán)節(jié)獲得與電網a相電壓同頻同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號cosωt，通過矩陣將電流從abc靜止坐標系變換到dq0旋轉坐標系，IpIq經過低通濾波器LPF后獲基波對應的ipiq，經過反變換最終獲得基波電流ifabc，諧波電流值可通過含諧波的電流與基波電流差值得到。

1.3 APF的電流跟蹤控制方法

APF在獲得指令電流信號后，產生的實際補償電流應能實時跟蹤指令電流的變化，這就要求APF的控制方法有很好的實時性。基于并聯型APF的電流控制方法比較多，本文采用無差拍控制與空間矢量脈沖寬度調制SVPWM(space vector pulse width modulation)結合的方法。

無差拍控制是數字系統特有的一種控制方式，容易數字化，性能較傳統方法有很大的提高，效果是在每一個采樣點上系統的輸出都與其指令完全一致，沒有任何相位滯后和幅值偏差。數字系統能實現無差拍控制是因為系統下一拍的輸出量總是可以表示為當前時刻的輸入控制量與系統狀態(tài)變量的線性組合[12]。例如，一個系統用方程描述為：

式中：x為狀態(tài)量;u為輸入量;y為輸出量。

下一拍的輸出量可以表示為：

令下一拍的指令為

從而得

以上表明，系統的輸出在每一拍都與指令相等，即達到無差拍的效果。

無差拍控制這個環(huán)節(jié)在功能上實現了把對電流諧波的跟蹤控制轉換為對電壓諧波的跟蹤控制，從而為后面的SVPWM提供了可供跟蹤的電壓參考量，原理框圖如圖3所示。

圖三 無差拍控制原理

SVPWM與傳統的調制方式相比，電流畸變率小，直流電壓利用率高，補償效果好，尤其是非常適合數字化和實時控制，其具體模型圖如圖4所示。

圖4　空間矢量脈沖寬度調制SVPWM

圖中各個子系統作用依次是：“N1”判斷電壓參考向量在六邊形(針對三相三線制線路)的哪個扇區(qū);“XYZ”選定開關向量;“Subsystem”計算各個開關向量的作用時間;“Subsystem1”選定開關向量的作用順序;“produce PWM”發(fā)出觸發(fā)脈沖。

2 SVC的工作原理

SVC裝置一般并聯于電路中，可以快速連續(xù)的調節(jié)無功功率來維持線路電壓水平恒定，具有性價比高、技術成熟和可靠性高等優(yōu)良性能[13]。

SVC的構成形式很多，但基本元件是晶閘管控制的電抗器TCR(thyristor controlle dreactor)和晶閘管投切的電容器TSC(thyristor switched capacitor)。圖5為SVC基本構成，濾波器的引入是為了消除系統產生的諧波。

圖五 SVC基本構成

晶閘管控制電抗器(TCR型)是根據母線上無功功率的變化，控制晶閘管的觸發(fā)角a調節(jié)電抗器的感性無功。晶閘管投切電容器(TSC型)是根據負荷感性無功功率的變化，通過反并聯晶閘管來投入或切除電容器。SVC將TCR和TSC共同配合，克服了之前單靠電容器投切的進行無功補償的不連續(xù)性，利用晶閘管作為固態(tài)開關來控制接入系統的電抗器和電容器的容量，使所需無功功率作隨機調整，從而維持系統或負荷側電壓的穩(wěn)定。

3 實驗算例

在天津大學智能電網教育部重點實驗室的微網實驗室做實驗結果如下。

(1)構建的孤立運行模式下的微網系統，具體參數如表1所示。

表一 孤島模式下微網參數

在負荷無功需求為Q=100var時，故障錄波儀所得系統電壓(a相)和電流(a相)波形如圖6所示。由圖可知，系統電壓基本滿足要求，但電流畸變度達7.25%。

圖六 微網獨立運行時系統電壓電流模型

將電能質量改善系統添加到微網后，所得系統電壓(a相)和電流(a相)波形，如圖7所示。由圖可知系統的電流畸變度降至1.55%，電流電能質量得到提高。

圖7　聯合系統應用于微網后系統電壓電流波形

由圖6和圖7可以明顯看出將電能質量改善系統應用于孤島模式下的微網后，系統電壓可穩(wěn)定在一定的范圍內，系統電流畸變程度大大降低，微網整體電能質量有較大的提高。

(2)微網在并網運行時，由于大電網的影響，所組成系統的電流畸變度達2.5%，加上本文所提其電能質量改善系統后，電流畸變度降至1.21%。

4 結語

本文微網(運行于孤島模式)進行電能質量研究，在綜合考慮電能質量改善的效果和經濟性后，采用APF接在分布式電源側快速實時實現諧波濾除功能。實驗結果表明，加入電能質量改善系統的微網系統電壓保持穩(wěn)定，電流畸變大大降低，微網電能質量有了明顯提高，從而驗證了電能質量改善系統的有效性。

參考文獻：

[1]　Lasseter　R　H，Piagi　P.Microgrid：A　conceptual　solution[C]∥IEEE　35th　Annual　Power　Electronics Specialists　Conference，Aachen，Germany：2004.

[2]王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統若干問題研究.電力系統自動化，2008，32(20)：1-4，31.

[3]王成山，肖朝霞，王守相.微網綜合控制與分析.電力系統自動化，2008，32(7)：98-103.

[4]國海，蘇建徽，張國榮.微電網技術研究現狀.四川電力技術，2009，32(2)：1-6.

[5]雷之力，魯希娟.微網電能質量特點及有源濾波補償方式研究綜述.湖南電力，2009，29(5)：59-62.

[6]韓奕，張東霞，胡學浩，等.中國微網標準體系研究.電力系統自動化，2010，34(1)：69-72.

[7]陳仲.并聯有源電力濾波器實用關鍵技術的研究.杭州：浙江大學電氣工程學院，2005.

[8]薛迎成，王正虎.一種三相并聯有源濾波器的仿真研究，2009，12(5)：4-7.

[9]　Li　Yunwei，Mahinda　V　D，Chiang　Loh　Poh.Microgrid　power　quality　enhancement　Using　a　three-phase four-wire　grid-interfacing　compensator[J].IEEE Trans　on　Industry　Applications，2005，41(6)：1707-1719.

[10]Carastro　F，Sumner　M，Zanchetta　P.An　enhanced shunt　active　filter　with　energy　storage　for　microgrids[C]∥IEEE　Industry　Applications　Society　Annual Meeting，Edmonton，Canada：2008.

[11]鄭征，杜翠靜，常萬倉.三相不對稱系統中諧波電流檢測的新方法.電力系統及其自動化學報，2010，22(3)：50-54.

[12]何英杰，劉進軍，王兆安，等.基于重復預測原理的三電平APF無差拍控制方法.電工技術學報，2010，25(2)：114-120，133.

[13]張志文，梁英，李勇，等.新型SVC中無功功率檢測及濾波器的優(yōu)化設計.電力系統及其自動化學報，2009，21(6)：51-55.

更多好文：21ic智能電網