電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)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(cè)的分布式電源自監(jiān)測(cè)逆變器設(shè)計(jì)。這種自監(jiān)測(cè)逆變器通過(guò)對(duì)分布式電源工作模式的監(jiān)測(cè)以及輸出電能的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)閉環(huán)控制器反饋信號(hào)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(hào)，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(cè)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(duì)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?yáng)能、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(wú)功補(bǔ)償、電壓驟降控制、電壓調(diào)節(jié)不良糾正、故障檢測(cè)、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(duì)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(cè)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(wú)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(hào)通過(guò)傳感器測(cè)量、轉(zhuǎn)換和傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)。信號(hào)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(hào)［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(cè)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(duì)系統(tǒng)幅度/頻率偏差作出響應(yīng)。參考信號(hào)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(guò)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)來(lái)應(yīng)對(duì)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(kāi)，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(cè)系統(tǒng)。其中所監(jiān)測(cè)的功率因數(shù)和諧波分析等信號(hào)的量化使用數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理。本文所設(shè)計(jì)的自監(jiān)測(cè)逆變器結(jié)構(gòu)。顯然自監(jiān)測(cè)逆變器是通用逆變器結(jié)構(gòu)集成了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)目標(biāo)(即有功功率、無(wú)功功率和諧波功率)使用所示的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行本地監(jiān)測(cè)，同時(shí)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也可接收電網(wǎng)集中控制中心所傳來(lái)的遠(yuǎn)程控制信號(hào)，為分布式配電網(wǎng)提供低壓穿越、無(wú)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(cè)逆變器的實(shí)現(xiàn)
自監(jiān)測(cè)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(hào)發(fā)生器。考慮到DG可以通過(guò)AC電網(wǎng)的并網(wǎng)逆變器的基本控制策略來(lái)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(lái)設(shè)計(jì)控制方案。后者通過(guò)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(wú)縫對(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(méi)有任何電網(wǎng)形成能力，因此無(wú)法在孤島模式下運(yùn)行。基于電流的DG的典型控制方案，其中i*是信號(hào)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(wú)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(duì)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(wú)功功率的信號(hào)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(hào)發(fā)生器
在電流型和電壓型DG的控制方案中，參考信號(hào)是控制方案的輸入。參考信號(hào)旨在調(diào)節(jié)有功和無(wú)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(hào)參考發(fā)生器可應(yīng)用于任何DG。由同相信號(hào)和正交信號(hào)的組合創(chuàng)建，并且可能由非基頻信號(hào)所創(chuàng)建。這種控制可確保在不知道阻抗值的情況下對(duì)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(hào)，并且可以根據(jù)參考信號(hào)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(cè)器或鎖相環(huán)(PLL)算法來(lái)跟蹤電網(wǎng)的頻率和相位。與電流型逆變器不同，有功和無(wú)功功率通過(guò)有功和無(wú)功電流進(jìn)行明確的控制，電壓型逆變器的有功和無(wú)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(hào)。
基頻項(xiàng)的閉環(huán)控制方案產(chǎn)生。閉合控制的反饋信號(hào)是通過(guò)式(4)所計(jì)算的有功功率。對(duì)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(hào)。對(duì)于DG應(yīng)用，可以來(lái)自任何MPPT技術(shù)，或來(lái)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(hào)對(duì)應(yīng)于充電和放電功率流方向。正交參考信號(hào)。對(duì)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(duì)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(hào)Q*可以基于無(wú)功補(bǔ)償、電壓支持或低電壓穿越來(lái)設(shè)置。③非基頻項(xiàng)。通過(guò)僅對(duì)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(hào)可以采用與基頻項(xiàng)參考信號(hào)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?？梢酝ㄟ^(guò)快速傅里葉變換(FFT)檢測(cè)得出。圖3自監(jiān)測(cè)逆變器的仿真實(shí)現(xiàn)
3參考信號(hào)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(lái)檢測(cè)PWM信號(hào)、模擬反饋信號(hào)和參考控制信號(hào)。圖3所示的自監(jiān)測(cè)逆變器DG將來(lái)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(wú)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(cè)逆變器對(duì)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(guò)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(cè)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(hào)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(hào)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(cè)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(duì)所設(shè)計(jì)的自監(jiān)測(cè)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(cè)逆變器，通過(guò)雙回路功率電流控制(即電流型DG)，而DG3是通過(guò)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(kāi)路)之前控制電網(wǎng)電流，并且切換是無(wú)縫的。(c)中，在因故障導(dǎo)致的孤島(CB1斷開(kāi))期間，DG3需要斷開(kāi)三個(gè)電網(wǎng)電壓周期(CB2開(kāi)路)，并且在此期間，電壓V略微下降。設(shè)置自監(jiān)測(cè)逆變器的DG1和DG2對(duì)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(yǔ)
本文介紹了一種可用于DG狀態(tài)監(jiān)測(cè)和輸出控制的自監(jiān)測(cè)逆變器的設(shè)計(jì)。所提出的自監(jiān)測(cè)逆變器集成了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠在對(duì)DG輸出電能和工作模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)逆變器可以快速且準(zhǔn)確地跟蹤參考控制信號(hào)，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(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司 國(guó)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
