電能質(zhì)量監(jiān)測的分布式電源設(shè)計(jì)方案

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摘要:為了實(shí)現(xiàn)分布式電源的高效、可靠和安全運(yùn)行，文中介紹了一種基于電能質(zhì)量監(jiān)測的分布式電源自監(jiān)測逆變器設(shè)計(jì)。這種自監(jiān)測逆變器通過對分布式電源工作模式的監(jiān)測以及輸出電能的測量實(shí)現(xiàn)對閉環(huán)控制器反饋信號的優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)分布式電源在暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)上均能夠跟隨微電網(wǎng)控制中心的控制信號，并輸出符合電網(wǎng)規(guī)范的電能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該自監(jiān)測逆變器能夠應(yīng)用于不同類型的分布式電源，使其在并網(wǎng)模式和孤島模式下均能夠穩(wěn)定輸出電能。

關(guān)鍵詞:分布式電源;智能儀表;電能質(zhì)量;并網(wǎng)模式;孤島模式

0引言

與集中式發(fā)電系統(tǒng)相比，分布式電源(DG)可以提供低成本電力和高度可靠安全的電力，并且環(huán)境污染更少［1－2］。并且配電網(wǎng)沿著距離(即從電源到用戶)輸送的電能絕對值更小，這使得輸配電網(wǎng)的線損也會(huì)有所降低［3－4］。每個(gè)DG都具有電力電子構(gòu)成的逆變器，能夠?qū)⑻柲?、風(fēng)能、電池、燃料電池等基本能源(PES)轉(zhuǎn)換為符合電網(wǎng)規(guī)范的交流電能。同時(shí)，逆變器可以執(zhí)行輔助服務(wù)，如低電壓穿越、諧波補(bǔ)償、恒定發(fā)電控制以及諧波含量校正、無功補(bǔ)償、電壓驟降控制、電壓調(diào)節(jié)不良糾正、故障檢測、孤島故障恢復(fù)等功能［5－7］。這些服務(wù)和功能使得逆變器在提高電能質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性方面也非常有用。為了實(shí)現(xiàn)上述功能，本文對逆變器在閉環(huán)控制系統(tǒng)上集成了DG電能質(zhì)量自監(jiān)測系統(tǒng)，使得逆變器可以在并網(wǎng)模式和孤島模式更加穩(wěn)定輸出高質(zhì)量的電能，并實(shí)現(xiàn)抑制諧波電流、控制無功功率等功能。

1逆變器結(jié)構(gòu)

顯示了DG逆變器的一般結(jié)構(gòu)。電壓和電流信號通過傳感器測量、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信號調(diào)節(jié)器包括一組運(yùn)算放大器，用于正確處理傳感信號［8－9］。數(shù)據(jù)采集卡具有可編程軟件，其中根據(jù)特定目的操縱并網(wǎng)功率數(shù)值［10］。該DG逆變器大多數(shù)時(shí)間是基于本地測量進(jìn)行功率輸出，僅當(dāng)其有源功率注入算法提供限制逆變器輸出功能時(shí)，該DG逆變器才對系統(tǒng)幅度/頻率偏差作出響應(yīng)。參考信號發(fā)生器是負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)采集輸出信息反饋至DG控制電路［11］。

在分布式配電系統(tǒng)中需要通過電能質(zhì)量的監(jiān)測來應(yīng)對雙向電力網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可擴(kuò)展性，監(jiān)控負(fù)載和DG的隨時(shí)接入或斷開，以及由于天氣條件、新負(fù)荷的連接和運(yùn)行邊界的變化所導(dǎo)致的DG經(jīng)常變化的間歇電力容量。面向DG的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。其中所監(jiān)測的功率因數(shù)和諧波分析等信號的量化使用數(shù)字信號進(jìn)行處理。本文所設(shè)計(jì)的自監(jiān)測逆變器結(jié)構(gòu)。顯然自監(jiān)測逆變器是通用逆變器結(jié)構(gòu)集成了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)。其中電能質(zhì)量監(jiān)測目標(biāo)(即有功功率、無功功率和諧波功率)使用所示的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行本地監(jiān)測，同時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)也可接收電網(wǎng)集中控制中心所傳來的遠(yuǎn)程控制信號，為分布式配電網(wǎng)提供低壓穿越、無功功率控制、頻率控制和諧波抑制等一系列輔助控制功能。

2自監(jiān)測逆變器的實(shí)現(xiàn)

自監(jiān)測逆變器的結(jié)構(gòu)分為三個(gè)層:①電力電子部件;②電流和電壓控制方案;③參考信號發(fā)生器。考慮到DG可以通過AC電網(wǎng)的并網(wǎng)逆變器的基本控制策略來控制，因此本研究使用用于基于電流的DG的雙回路功率電流控制器和用于基于電壓的DG的三重閉環(huán)控制(功率－電壓－電流)來設(shè)計(jì)控制方案。后者通過外部環(huán)路控制轉(zhuǎn)換器的輸出功率，中間環(huán)路是輸出電容器兩端的電壓，內(nèi)部環(huán)路是逆變器輸出電流控制。該控制方案可實(shí)現(xiàn)從電網(wǎng)連接到孤島操作的無縫對接。

2．1電力電子逆變器結(jié)構(gòu)

其中DC側(cè)由風(fēng)能、PV或儲(chǔ)能系統(tǒng)以及DC-DC轉(zhuǎn)換器組成;AC側(cè)是具有通過LC濾波器接口的可變負(fù)載的公共實(shí)用程序。電壓源逆變器(VSI)可以用作電壓源或電流源，這取決于如何設(shè)計(jì)控制方案并且調(diào)節(jié)調(diào)制量以通過脈沖寬度調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)逆變器的電力電子元件。

2．2DG總體控制方案

相對于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)不可避免地被看作為電壓源，DG可以根據(jù)操作模式的類型(并網(wǎng)或孤島)或控制方案的不同在配電網(wǎng)中分別充當(dāng)受控電壓源或受控電流源［12－14］。電流源DG可以按照大多數(shù)電網(wǎng)規(guī)范被控制為電網(wǎng)跟隨裝置。電流源DG具有高輸出阻抗，因此電網(wǎng)頻率擾動(dòng)較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。但是，電流源DG沒有任何電網(wǎng)形成能力，因此無法在孤島模式下運(yùn)行?；陔娏鞯腄G的典型控制方案，其中i*是信號參考發(fā)生器模塊提供的電流參考，iL是逆變器LC輸出濾波器的反饋電感電流，PIi是電流比例積分(PI)控制器。電壓源DG可以在孤島模式或并網(wǎng)模式下運(yùn)行［15］。電壓源DG的控制方法調(diào)節(jié)模擬零慣性同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行特性的有功和無功功率。電壓源DG可以看作不間斷電源，因此在并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)需要對上述控制方案進(jìn)行修改。電壓源DG還有虛擬同步發(fā)電機(jī)(或同步器)、虛擬振蕩器控制、電抗器和間接電流等控制方案。顯示了DG的總體控制框圖，其中Δv*是由負(fù)責(zé)控制有功和無功功率的信號參考發(fā)生器提供的參考電壓，e*是標(biāo)稱電壓參考，PIi和PIv分別是電流型和電壓型的PI控制器。必須根據(jù)所需的DG類型選擇基于電流或基于電壓的控制方案。

2．3參考信號發(fā)生器

在電流型和電壓型DG的控制方案中，參考信號是控制方案的輸入。參考信號旨在調(diào)節(jié)有功和無功功率流的穩(wěn)態(tài)，并且可能用于補(bǔ)償諧波含量。以下所闡述的信號參考發(fā)生器可應(yīng)用于任何DG。由同相信號和正交信號的組合創(chuàng)建，并且可能由非基頻信號所創(chuàng)建。這種控制可確保在不知道阻抗值的情況下對電力線阻抗變化的抗擾性。依據(jù)式(3)可以計(jì)算出足以跟蹤或估計(jì)電網(wǎng)電壓的頻率和相位的參考信號，并且可以根據(jù)參考信號調(diào)節(jié)逆變器的每個(gè)相關(guān)項(xiàng)的幅度值，即V‖和V⊥。還可以使用頻率檢測器或鎖相環(huán)(PLL)算法來跟蹤電網(wǎng)的頻率和相位。與電流型逆變器不同，有功和無功功率通過有功和無功電流進(jìn)行明確的控制，電壓型逆變器的有功和無功功率還取決于電力線路的阻抗比R/X。①同項(xiàng)參考信號。

基頻項(xiàng)的閉環(huán)控制方案產(chǎn)生。閉合控制的反饋信號是通過式(4)所計(jì)算的有功功率。對于電流型DG和電壓型DG，輸出控制器分別表示如式(3)所示的電導(dǎo)G或同相項(xiàng)的幅值V‖。vo為與電壓形成比例的參考信號。對于DG應(yīng)用，可以來自任何MPPT技術(shù)，或來自用于儲(chǔ)能應(yīng)用的儲(chǔ)能充電控制器。P*的正負(fù)信號對應(yīng)于充電和放電功率流方向。正交參考信號。對于電壓型DG基頻項(xiàng)(即基于電流型DG的i*a或電壓型DG的)的生成方案對于電流型和電壓型DG，PI控制器的輸出分別為電納B和正交項(xiàng)的幅值V⊥。功率參考信號Q*可以基于無功補(bǔ)償、電壓支持或低電壓穿越來設(shè)置。③非基頻項(xiàng)。通過僅對n次諧波頻率應(yīng)用電導(dǎo)(Gn)和電納(Bn)的概念，非基頻項(xiàng)參考信號可以采用與基頻項(xiàng)參考信號類似的方法生成。其中下標(biāo)“n”表示特定的諧波次數(shù)。其中，變量V是電壓的均方根(RMS)值。I‖n和I⊥n分別是每個(gè)n次諧波的同相和正交電流項(xiàng)的RMS值，通常可以通過快速傅里葉變換(FFT)檢測得出。圖3自監(jiān)測逆變器的仿真實(shí)現(xiàn)

3參考信號跟蹤和諧波補(bǔ)償?shù)膶?shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)?zāi)孀兤魇褂梅抡嫦到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)。示波器用來檢測PWM信號、模擬反饋信號和參考控制信號。圖3所示的自監(jiān)測逆變器DG將來自PES的可用有功功率注入到電網(wǎng)中，并且作為有源電力濾波器在本地操作以補(bǔ)償無功功率和抑制諧波電流。電力電子部件及其控制回路。為了驗(yàn)證自監(jiān)測逆變器對諧波電流的控制和補(bǔ)償，圖3中的并聯(lián)負(fù)載設(shè)置為非線性，并通過功率設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行控制，以確保高功率因數(shù)。顯示了自監(jiān)測逆變器的模擬結(jié)果。圖4(a)顯示了和D‖3動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及跟蹤其相應(yīng)參考控制信號的穩(wěn)態(tài)性能。圖4(b)顯示了非線性負(fù)載電流、DG輸出電流和電網(wǎng)側(cè)電流和電壓的波形。在0．2秒后，DG產(chǎn)生1kW電能，其中負(fù)載吸收其中的一部分，剩余部分流入電網(wǎng)。在0．2秒之后，從DG流入電網(wǎng)的電壓波形移位180°，但是iL波形仍然基本保持正弦波。在0．35秒之后，諧波補(bǔ)償被釋放以清除電網(wǎng)電流iG。非基頻參考信號的選擇性發(fā)生器提供i*h3、i*h5和i*h7。圖4(c)顯示了電網(wǎng)側(cè)I⊥3和I‖3減少至零，表明自監(jiān)測逆變器的補(bǔ)償效果。可以推斷，如果考慮更寬的諧波次數(shù)，這種補(bǔ)償就可以達(dá)到更好的性能值。

4不同工作模式下實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同工作模式切換的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)的電網(wǎng)對所設(shè)計(jì)的自監(jiān)測逆變器在并網(wǎng)連接到孤島模式下電能輸出能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖5(a)中DG1和DG2采用電流控制模式(CCM)的自監(jiān)測逆變器，通過雙回路功率電流控制(即電流型DG)，而DG3是通過具有儲(chǔ)能系統(tǒng)的三回路電源－電壓－電流的電壓控制模式(VCM)中進(jìn)行監(jiān)控的分布式電源。在三個(gè)分布式電源所組成的微電網(wǎng)中設(shè)置2kW的線性負(fù)載。(b)和5(c)顯示了微電網(wǎng)的孤島模式和并網(wǎng)模式的切換。從圖5(b)可以看出，DG3在執(zhí)行主動(dòng)孤島(CB2開路)之前控制電網(wǎng)電流，并且切換是無縫的。(c)中，在因故障導(dǎo)致的孤島(CB1斷開)期間，DG3需要斷開三個(gè)電網(wǎng)電壓周期(CB2開路)，并且在此期間，電壓V略微下降。設(shè)置自監(jiān)測逆變器的DG1和DG2對主線路的電壓/頻率偏差作出反應(yīng)，逐漸達(dá)到電網(wǎng)穩(wěn)定狀態(tài)。

5結(jié)束語

本文介紹了一種可用于DG狀態(tài)監(jiān)測和輸出控制的自監(jiān)測逆變器的設(shè)計(jì)。所提出的自監(jiān)測逆變器集成了電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，能夠在對DG輸出電能和工作模式進(jìn)行監(jiān)測的基礎(chǔ)上，優(yōu)化逆變器的控制模式，使DG輸出的電能質(zhì)量能夠較好適應(yīng)電網(wǎng)規(guī)范。實(shí)驗(yàn)表明，這種自監(jiān)測逆變器可以快速且準(zhǔn)確地跟蹤參考控制信號，有效抑制諧波電流，并能夠在并網(wǎng)模式和孤島模式之間穩(wěn)定輸出高質(zhì)量電能。

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作者：林文孝 楊延 連浩 方龍泉 單位：南瑞集團(tuán)有限公司 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司 國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團(tuán)北京中電普華信息技術(shù)有限公司