一种微电网背景下的新型电能质量调节器

摘要：针对微电网中的电能质量治理问题，提出一种用于改善电能质量的补偿装置设计方案。它在原有混合型有源电力滤波器(HAPF)基础上增加了分布式电源及储能元件，采用一种改进型id-iq复合指令电流检测及合成实现方法，较好地实现了一机多能的要求。该装置在有效解决微电网谐波和无功电流补偿的同时，也能较好地实现分布式电源并网发电功能，最大程度节约了治理成本。仿真与实验运行数据表明，该设计方案有效、可靠。
关键词：微电网；调节器；电能质量；有源电力滤波器

1 引言
随着微电网在电网系统渗透率的不断提高，电网将面临由分布式电源及非线性负载所引起的电能质量问题。改善电能质量的工程应用中，并联HAPF有着广泛应用。由于非线性负载的时变特性，HAPF常处于低功率工作状态。另外微电网中分布式电源具有极强的间歇性和随机性，导致逆变器输出容量浪费。近年来，开发微电源并网逆变器的剩余容量来改善电网电能质量的问题开始得到关注。在此提出一种微电网电能质量调节器的设计方案，实现了多功能化。采用一种改进型id-iq复合指令电流检测及合成实现方法，实验运行数据表明，提出的设计思路与方案可行。

2 新型电能质量调节器设计与原理
2．1 微电网新型电能质量调节器拓扑结构
在HAPF系统中，当直流侧电压超出给定值时，APF将通过并网逆变器向电网注入有功电能来降低直流侧的电压，意即可通过提高APF直流侧的电压，来实现把直流侧电能以有功电能形式注入电网的目标．这也是在微电网HAPF系统上实现分布式电源并网发电的理论基础。微电网新型电能质量调节器HAPF的拓扑结构如图1所示。

该拓扑由并网逆变器及其控制单元、无源滤波器(PPF)组、微电网分布式电源及储能单元组成。并网逆变器直流侧与储能单元及分布式电源相连，交流侧通过电抗和电力电容器与电网相连，电抗和电力电容器将调谐至某固定次谐波，构成单调谐无源LC滤波器，其中，原有APF逆变器交流侧输出滤波电感被包含在单调谐无源LC滤波器电感中。与常规并联APF比较可见，仅增加了一个调谐电容器，既保持了最简单的结构，又具有混合补偿装置的诸多优点。并且，当并网逆变器因故障而不得已旁路后，由于单调谐无源LC滤波器的存在，装置仍可起到一定的滤波作用。
当装置工作时，电网基波电压均施加在并网逆变器交流侧电力电容器上，最大限度地降低APF逆变器的容量，同时PPF组装设在负载侧实现就地补偿，APF中直流侧电压远低于电网基波电压，分布式电源可与并网逆变器直接相连而不再需要升压变换电路，提高了分布式电源并网发电的效率，降低了成本。
2．2 微电网新型HAPF工作原理
图2示出微电网新型HAPF单相等效电路。其中直流侧带微电网分布式电源和储能单元的并网逆变器被等效为一个理想的受控电压源uDG，电网中非线性负载可被等效为一个理想的电流源。
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式(2)表明，当需要HAPF发挥电能质量调节装置的作用时，控制HAPF有源逆变器中io含有谐波与无功指令电流即可。当分布式电源通过HAPF并网发电时，可控制逆变器输出与电网同频同相的有功基波电流即可。

经电压调节后得到的有功直流分量，则可知新型HAPF复合控制指令电流可经以下算法合成：

控制分布式电源的并网逆变器把计算出的上述指令电流输出到电网，即可实现谐波治理、无功补偿及并网发电功能。

4 仿真与实验
4．1 仿 真
在Matlab／Simulink中，建立微电网新型HAPF的仿真电路模型，系统参数为：三相220 V／50 Hz交流电源，滞后触发晶闸管整流桥，整流负载为20 Ω与10 mH电感串联，700 V直流电源等效微电网分布式电源，PWM开关频率10 kHz。通过改变电流指令的构成使新型HAPF工作在不同的输出模式下。新型HAPF仅输出谐波与无功电流时，取流向电网的方向为电流正方向，新型HAPF投入前系统单相电流ia、电压ua波形如图4a所示。可见，电流从电网流向负载，波形畸变严重，且存在明显的相位滞后，系统谐波电流总畸变率高达31．1％。新型HAPF投入后的ia，ua波形如图4b所示，可见波形接近正弦波，谐波电流总畸变率降为1．1％，电网电能质量得到较大改善。表明新型HAPF较好地发挥了电能质量调节装置的作用。

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新型HAPF输出有功、谐波及无功电流时，ia，ua波形如图4c所示，可见ia与ua同频同相，表明新型HAPF不但补偿了负载所需的无功及谐波分量，还向电网和负载提供了有功电能，较好地发挥了一机多能的作用。
4．2 实 验
图5示出0．2 kV新型HAPF实验系统原理图，PPF组包括5次和11次支路。系统参数L5=0．25 mH，C5=1 590．3μF，L11=0．11 mH，C11= 795．3μF，L0=0．7 mH，C0=10．3μF，Cdc=4 950μF，分布式电源等效为700 V直流源。

新型HAPF发出单位功率因数有功电流时，图6a为ua，ia的实验波形。可见，分布式电源通过HAPF向电网输出正弦度很好的有功电流，功率因数控制在较为理想的程度范围。通过FLUKE43B型电能质量分析仪对注入电流进行分析，电流总谐波畸变率仅为0．8％，较好地实现了向电网发出单位功率因数的正弦有功电能的目标。

新型HAPF向电网提供有功、无功同时补偿负载谐波时，图6b为ua，ia实验波形。特征谐波分量分析表明：5，7，11，13，17，19次谐波对应的谐波含量分别为1．2％，0．1％，0．8％，0．3％，0．6％，0．4％。可见，电网电流的总谐波畸变率被减小到3．8％，实测电源电流11．6 A，有功功率为-1 880 W，无功功率为-3 457．6 var。此时电网有功和无功功率均功电流和绝大部分谐波电流，同时还将多余的有功电流和无功电流回送到电网，第5，7，11次特征谐波也得到了很好的抑制，达到了国标要求。电网的电流波形得到了改善。

5 结论
在分析微电网分布式电源和原有HAPF工作原理的基础上，提出一种微电网背景下的新型HAPF拓扑结构，并对其工作原理进行了详细分析，采用一种改进型id-iq复合指令电流检测及合成实现方法，仿真与实验数据表明新型HAPF较好地实现了原有电能质量调节装置及并网发电的双重功能，验证了方案的可行性。