论文部分内容阅读
电力电子设备的大量应用加剧了对电网的污染，电力系统的无功及谐波问题日益严重，传统的谐波抑制方法已难以满足现代电力系统的需要。目前，有源电力滤波器（Active Power Filter，简称APF）在提高电能质量方面得到广泛的应用。而电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）投资相对较小、便于安装，具有快速功率吞吐和四象限运行的能力，越来越多地应用在微电网中。它可以根据微电网的实时情况吸收多余的能量或者为微电网提供缺额功率，但在实际情况中，其功能并没有得到充分应用，很多时候会有冗余容量，甚至经常处于闲置状态，所以将有源电力滤波器和储能系统结合使用，具有经济性和很高的实用价值。
本文将储能系统的输出功率指令和APF的谐波无功指令合成，对二者进行统一控制，在一种装置上实现多种功能，既能治理微网谐波，又能调节微网的有功和无功平衡，提高储能系统的利用率，且成本较低，实现较容易。
储能系统与APF的运行原理
储能系统
储能装置和电力电子变换器组成储能系统。储能装置和微电网用逆变桥链接，可以完成微电网组网和运行模式无缝切换并且使能量可以进行双向流动。通过调整变流器来控制电池储能系统，使电压的幅值和相角得到合适的调整，以便实现储能系统与微电网系统之间有功、无功的交换。
有源电力滤波器与储能系统的结合基础
有源电力滤波器主要抑制谐波和补偿无功。储能系统的功能是吸收或释放有功电能，维持电网功率动态平衡，从本质上讲都为微电网注入电能。对比可知，APF和储能系统主电路结构及连接电网方式相同，不同的是APF的直流侧是电容器，想要补偿谐波和无功，要求有很大的系统容量。储能系统的直流侧相当于直流电源，要想为微电网提供电能，需经过大容量的逆变器转化为三相交流电，因此可以将二者进行组合。
图1为有源电力滤波与储能系统相结合后的总体原理框图。将储能系统并联在APF的直流侧，然后通过逆变器输出。将非线性负载的电流和逆变器并联接入点的电压送到功率、谐波计算单元，计算出两者的合成信号，与给定的信号比较，利用比较输出的指令信号得出补偿电流的指令信号，再控制变流器产生补偿电流。
传统的有源电力滤波器直流侧用电容器作为储能元件，在快速跟踪微电网谐波的同时，易产生开关损耗，而且会从系统中吸收一定有功功率，如此会引起电容器上电压波动，使有源电力滤波器的直流侧出现欠压或过压情况，从而影响APF的正常工作，情况危急的时候甚至会对其使用安全造成影响。因此将有源电力滤波与储能系统相结合，提高了直流侧电压稳定性，增加了APF的安全性且适当减小其容量。同时，储能系统利用率提高，使其增加治理谐波的功能。
控制策略
指令信号的合成
在微电网中，由于事故或负荷的投切导致微电网功率变化时，各微电源输出的功率需要合理分配，当需要微电源输出的有功超过其实际允许的有功功率极限值Pmax时，微电网电压的频率偏差将不满足其正常运行时对电压频率的要求，这时电池储能系统就注入适当的有功功率来稳定微电网频率。要实现这一功能可以控制图1逆变器注入主电路的补偿电流ic。该补偿电流指令信号生成如图2所示。
采用基于瞬时无功功率的ip-iq检测法，图2中PLL是数字锁相环，用于获取A相电压的相位并产生的正、余弦信号。三相负载电流iLa、iLb、iLc经过矩阵变换C32和C可以计算出ip、iq，经低通滤波器得到其直流分量、。
Pref和Qref是需要储能系统输出的有功和无功功率， 设Qref=0，Pref为：
（1）
式中，preq是负荷变化时计算得到微电源需要输出的有功功率，Pmax是实际允许其输出的有功极限值。在储能系统需要的功率确定后，可以通过式（2）-（5）得到其对应电流的给定值。逆变器输出的三相电压表示为：
（2）
由（2）式通过park变换，从静止abc坐标变换到旋转dq坐标：
（3）
对储能系统逆变器接入点的电压UL进行park变换，使Uq和Ud实现解耦，可得：
（4）
经过park变换，逆变器输出的d轴和q轴电流分别为id、iq，而Uq=0，所以当逆变器输出有功功率和无功功率分别为Pref、Qref时，逆变器输出的参考电流为：
（5）
这样就将对逆变器输出功率的控制转换为对电流的控制。将idf与检测到的无功、谐波指令信号直流分量经式（6）-（7）合成。
（6）
（7）
式中：
C23、C-1为坐标变换矩阵，与C32、C互为逆矩阵，w为角频率。
由式（7）可知，前一部分是负载的谐波和无功电流分量，后一部分是控制储能系统输出的指令电流的基波电流，通过逆变器把合成的指令信号注入电网便可补偿无功和谐波，并且使储能系统输出所需功率，实现组合装置的功能。
组合装置的控制策略
本文将有源电力滤波器与储能系统相结合，采用三相桥式变流电路，而变流器根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压源型变流电路;直流侧是电流源的称为电流源型变流电路，电压源型变流器按照控制技术不同又分为电压源电压控制和电压源电流控制两大类。本文采用电压源型变流器。控制单元是根据补偿电流的补偿信号和实际补偿电流之间的相互关系，使变流器输出电流跟踪给定的指令电流，此时变流器控制方法属于电压源型变流器的电流控制方法。电流跟踪型PWM控制方式主要有三种方法：瞬时值比较方式、滞环控制、三角波控制方式。
本文采用的滞环控制方法是目前应用较广泛的一种电流跟踪控制法，硬件电路简单，电流响应快，它的原理是以检测模块计算出的电网谐波电流作为指令值，与实际的补偿电流相减，误差进入滞环控制器与设定环宽相比较，当误差大小超过环宽值，改变主电路中逆变器开关的通断，从而达到控制电流的目的。根据此原理，将之前谐波电流和有功功率参考电流合成的总电流指令信号与变流器实际产生的电流信号进行做差后送入滞环比较环节，最终产生六路通断的PWM控制信号，控制变流器产生相应的补偿电流，达到补偿目的。
仿真分析验证
利用Matlab/Simulink软件对储能系统与APF组合装置进行仿真与分析，将储能系统等效成直流源，忽略系统阻抗，其输出电压为750V，等效内阻R为0.2Ω。系统的线电压为380V，频率为50Hz。线路内阻Rs=1Ω，电感Ls=1mH。非线性负载用三相不可控整流桥来模拟，负载电阻为20Ω，负载电感为1mH。变流器输出电感为2mH，直流侧电容为6800μF，低通滤波器的截止频率为30Hz，并且设有功功率给定值Pref=2kW，无功功率给定值Qref=0Var。仿真过程中，利用SIMULINK电力系统模块提供的powergui这一图形用户界面工具进行FFT分析，仿真结果如图3-图7。
图3为补偿前电源电压和电流波形图，图4为补偿后电源电压和电流波形图。由图3可知在非正弦负载作用下，电源电流发生了严重的畸变，含有大量谐波，电压和电流之间存在相位差。由图5可知电源电流中含有1、5、7、11、13、17、19次谐波，电流总畸变率THD=21.79%。从图4可以看出补偿后电流波形已基本接近正弦波，电压和电流波形达到同相位。由图6知电源谐波含量下降到3.96%，补偿后5次、7次和11次以及其他高次谐波有了明显的减少，达到预期的效果。由图7可知，投入组合装置后，0.01s左右功率发生的缺额被补偿，并且有功波动减小，基本稳定在2kW，无功功率经过调节也趋近与0，进而平滑微电网的无功和有功。
本文将微电网储能系统和有源电力滤波器进行组合，分析了两者的结合基础，将储能系统并联在APF的直流侧，不仅有效利用了储能系统的冗余容量，而且整个装置使用一套逆变器，节约了投资成本。该组合装置不仅可以对微电网中存在的谐波进行有效治理，还能有效调节微电网中的功率平衡。最后用Matlab对该组合装置进行仿真，验证了结论的合理性和有效性，为微电网中降低谐波治理成本提高储能系统利用率提供有价值的参考。（作者供职于辽宁工业大学电气工程学院）
本文将储能系统的输出功率指令和APF的谐波无功指令合成，对二者进行统一控制，在一种装置上实现多种功能，既能治理微网谐波，又能调节微网的有功和无功平衡，提高储能系统的利用率，且成本较低，实现较容易。
储能系统与APF的运行原理
储能系统
储能装置和电力电子变换器组成储能系统。储能装置和微电网用逆变桥链接，可以完成微电网组网和运行模式无缝切换并且使能量可以进行双向流动。通过调整变流器来控制电池储能系统，使电压的幅值和相角得到合适的调整，以便实现储能系统与微电网系统之间有功、无功的交换。
有源电力滤波器与储能系统的结合基础
有源电力滤波器主要抑制谐波和补偿无功。储能系统的功能是吸收或释放有功电能，维持电网功率动态平衡，从本质上讲都为微电网注入电能。对比可知，APF和储能系统主电路结构及连接电网方式相同，不同的是APF的直流侧是电容器，想要补偿谐波和无功，要求有很大的系统容量。储能系统的直流侧相当于直流电源，要想为微电网提供电能，需经过大容量的逆变器转化为三相交流电，因此可以将二者进行组合。
图1为有源电力滤波与储能系统相结合后的总体原理框图。将储能系统并联在APF的直流侧，然后通过逆变器输出。将非线性负载的电流和逆变器并联接入点的电压送到功率、谐波计算单元，计算出两者的合成信号，与给定的信号比较，利用比较输出的指令信号得出补偿电流的指令信号，再控制变流器产生补偿电流。
传统的有源电力滤波器直流侧用电容器作为储能元件，在快速跟踪微电网谐波的同时，易产生开关损耗，而且会从系统中吸收一定有功功率，如此会引起电容器上电压波动，使有源电力滤波器的直流侧出现欠压或过压情况，从而影响APF的正常工作，情况危急的时候甚至会对其使用安全造成影响。因此将有源电力滤波与储能系统相结合，提高了直流侧电压稳定性，增加了APF的安全性且适当减小其容量。同时，储能系统利用率提高，使其增加治理谐波的功能。
控制策略
指令信号的合成
在微电网中，由于事故或负荷的投切导致微电网功率变化时，各微电源输出的功率需要合理分配，当需要微电源输出的有功超过其实际允许的有功功率极限值Pmax时，微电网电压的频率偏差将不满足其正常运行时对电压频率的要求，这时电池储能系统就注入适当的有功功率来稳定微电网频率。要实现这一功能可以控制图1逆变器注入主电路的补偿电流ic。该补偿电流指令信号生成如图2所示。
采用基于瞬时无功功率的ip-iq检测法，图2中PLL是数字锁相环，用于获取A相电压的相位并产生的正、余弦信号。三相负载电流iLa、iLb、iLc经过矩阵变换C32和C可以计算出ip、iq，经低通滤波器得到其直流分量、。
Pref和Qref是需要储能系统输出的有功和无功功率， 设Qref=0，Pref为：
（1）
式中，preq是负荷变化时计算得到微电源需要输出的有功功率，Pmax是实际允许其输出的有功极限值。在储能系统需要的功率确定后，可以通过式（2）-（5）得到其对应电流的给定值。逆变器输出的三相电压表示为：
（2）
由（2）式通过park变换，从静止abc坐标变换到旋转dq坐标：
（3）
对储能系统逆变器接入点的电压UL进行park变换，使Uq和Ud实现解耦，可得：
（4）
经过park变换，逆变器输出的d轴和q轴电流分别为id、iq，而Uq=0，所以当逆变器输出有功功率和无功功率分别为Pref、Qref时，逆变器输出的参考电流为：
（5）
这样就将对逆变器输出功率的控制转换为对电流的控制。将idf与检测到的无功、谐波指令信号直流分量经式（6）-（7）合成。
（6）
（7）
式中：
C23、C-1为坐标变换矩阵，与C32、C互为逆矩阵，w为角频率。
由式（7）可知，前一部分是负载的谐波和无功电流分量，后一部分是控制储能系统输出的指令电流的基波电流，通过逆变器把合成的指令信号注入电网便可补偿无功和谐波，并且使储能系统输出所需功率，实现组合装置的功能。
组合装置的控制策略
本文将有源电力滤波器与储能系统相结合，采用三相桥式变流电路，而变流器根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压源型变流电路;直流侧是电流源的称为电流源型变流电路，电压源型变流器按照控制技术不同又分为电压源电压控制和电压源电流控制两大类。本文采用电压源型变流器。控制单元是根据补偿电流的补偿信号和实际补偿电流之间的相互关系，使变流器输出电流跟踪给定的指令电流，此时变流器控制方法属于电压源型变流器的电流控制方法。电流跟踪型PWM控制方式主要有三种方法：瞬时值比较方式、滞环控制、三角波控制方式。
本文采用的滞环控制方法是目前应用较广泛的一种电流跟踪控制法，硬件电路简单，电流响应快，它的原理是以检测模块计算出的电网谐波电流作为指令值，与实际的补偿电流相减，误差进入滞环控制器与设定环宽相比较，当误差大小超过环宽值，改变主电路中逆变器开关的通断，从而达到控制电流的目的。根据此原理，将之前谐波电流和有功功率参考电流合成的总电流指令信号与变流器实际产生的电流信号进行做差后送入滞环比较环节，最终产生六路通断的PWM控制信号，控制变流器产生相应的补偿电流，达到补偿目的。
仿真分析验证
利用Matlab/Simulink软件对储能系统与APF组合装置进行仿真与分析，将储能系统等效成直流源，忽略系统阻抗，其输出电压为750V，等效内阻R为0.2Ω。系统的线电压为380V，频率为50Hz。线路内阻Rs=1Ω，电感Ls=1mH。非线性负载用三相不可控整流桥来模拟，负载电阻为20Ω，负载电感为1mH。变流器输出电感为2mH，直流侧电容为6800μF，低通滤波器的截止频率为30Hz，并且设有功功率给定值Pref=2kW，无功功率给定值Qref=0Var。仿真过程中，利用SIMULINK电力系统模块提供的powergui这一图形用户界面工具进行FFT分析，仿真结果如图3-图7。
图3为补偿前电源电压和电流波形图，图4为补偿后电源电压和电流波形图。由图3可知在非正弦负载作用下，电源电流发生了严重的畸变，含有大量谐波，电压和电流之间存在相位差。由图5可知电源电流中含有1、5、7、11、13、17、19次谐波，电流总畸变率THD=21.79%。从图4可以看出补偿后电流波形已基本接近正弦波，电压和电流波形达到同相位。由图6知电源谐波含量下降到3.96%，补偿后5次、7次和11次以及其他高次谐波有了明显的减少，达到预期的效果。由图7可知，投入组合装置后，0.01s左右功率发生的缺额被补偿，并且有功波动减小，基本稳定在2kW，无功功率经过调节也趋近与0，进而平滑微电网的无功和有功。
本文将微电网储能系统和有源电力滤波器进行组合，分析了两者的结合基础，将储能系统并联在APF的直流侧，不仅有效利用了储能系统的冗余容量，而且整个装置使用一套逆变器，节约了投资成本。该组合装置不仅可以对微电网中存在的谐波进行有效治理，还能有效调节微电网中的功率平衡。最后用Matlab对该组合装置进行仿真，验证了结论的合理性和有效性，为微电网中降低谐波治理成本提高储能系统利用率提供有价值的参考。（作者供职于辽宁工业大学电气工程学院）