采用APF和SVC改善微网电能质量

21ic智能电网：采用有源滤波器和静止无功补偿装置联合运行的方式来提高孤立运行的微网电能质量，其中有源滤波器接在分布式电源逆变器出口侧，滤除谐波电流，其电流检测采用ip-iq法，跟踪控制采用无差拍控制与空间矢量脉冲宽度调制的方法;静止无功补偿装置，由晶闸管控制的电抗器和晶闸管投切的电容器组成，安装在微网负荷侧，随负荷需求供给无功，维持负荷侧电压稳定，减小系统网损，并提高电能质量。经实验证明了该联合系统对提高微网电能质量是有效的。

在能源需求与环境保护的双重压力下，既清洁又可再生的分布式发电技术获得了极大的发展;与此同时，分布式电源DG(Distributed Generation)的接入也带来了不小的负面影响，它发电的间断性，增加了配电网潮流的不确定性，影响电压的稳定性，同时产生谐波等[1～3]。现在分布式发电供能系统多以微网方式接入电网并网或孤立运行。它是从系统角度将分布式发电单元与负载组成单一的可控单元，是集成多个DG和负荷的独立系统。微网在一定程度上克服了分布式电源的缺陷。

与传统配电网相比，微网的特殊网络性质和运行特点，以及包含其中的众多储能设备、检测控制设备都使微网电能质量问题有了许多新的特点[4～6]。本文采用有源电力滤波器APF(Active Power Filter)和静止无功补偿装置SVC(Static Var Compensator)联合补偿的方式，对微网进行电能质量的改善。另外本文假设微网在孤岛模式下也能够提供负载所需的有功功率，所以微网频率始终可以保持稳定。通过在天津大学智能电网教育部重点实验室微网实验室实验结果证明了电能质量改善系统的有效性。

1 APF的检测和控制

1.1 APF的工作原理

APF按接入电网的方式，分串联型、并联型、串-并联型三种结构[7，8]，本文采用并联型结构，并联型APF投切灵活，各种保护也相应简单，技术上比较成熟。并联型APF的工作原理为：通过产生与检测电流中的谐波和无功分量大小相等、相位互差180°的补偿电流注入电网，使网侧电流成为与电网电压同相的正弦波，从而达到净化电网的目的[9，10]。因此并联型APF技术的关键在于补偿电流的检测和补偿电流跟踪控制两个环节。其工作原理图如图1所示。

图一 APF原理

1.2 APF的检测方法

目前最常用的谐波检测技术都是基于三相电路瞬时无功功率理论[11]，主要的检测方法有两种p-q法和ip-iq法。由于电网电压含有畸变和不对称分量时，p-q法得到的有功电流将是与电压具有相同频率、相位和波形的畸变波形，而ip-iq法中电网电压不对称造成的正弦信号相位偏差对不对称分量对谐波的补偿没有影响。本文采用后者作为谐波检测方法。具体原理如图2所示。

图2　ip-iq电流检测法

电流谐波检测系统首先利用PLL(phase locked loop)锁相环节获得与电网a相电压同频同相位的正弦信号sinωt和对应的余弦信号cosωt，通过矩阵将电流从abc静止坐标系变换到dq0旋转坐标系，IpIq经过低通滤波器LPF后获基波对应的ipiq，经过反变换最终获得基波电流ifabc，谐波电流值可通过含谐波的电流与基波电流差值得到。

1.3 APF的电流跟踪控制方法

APF在获得指令电流信号后，产生的实际补偿电流应能实时跟踪指令电流的变化，这就要求APF的控制方法有很好的实时性。基于并联型APF的电流控制方法比较多，本文采用无差拍控制与空间矢量脉冲宽度调制SVPWM(space vector pulse width modulation)结合的方法。

无差拍控制是数字系统特有的一种控制方式，容易数字化，性能较传统方法有很大的提高，效果是在每一个采样点上系统的输出都与其指令完全一致，没有任何相位滞后和幅值偏差。数字系统能实现无差拍控制是因为系统下一拍的输出量总是可以表示为当前时刻的输入控制量与系统状态变量的线性组合[12]。例如，一个系统用方程描述为：

式中：x为状态量;u为输入量;y为输出量。

下一拍的输出量可以表示为：

令下一拍的指令为

从而得

以上表明，系统的输出在每一拍都与指令相等，即达到无差拍的效果。

无差拍控制这个环节在功能上实现了把对电流谐波的跟踪控制转换为对电压谐波的跟踪控制，从而为后面的SVPWM提供了可供跟踪的电压参考量，原理框图如图3所示。

图三 无差拍控制原理

SVPWM与传统的调制方式相比，电流畸变率小，直流电压利用率高，补偿效果好，尤其是非常适合数字化和实时控制，其具体模型图如图4所示。

图4　空间矢量脉冲宽度调制SVPWM

图中各个子系统作用依次是：“N1”判断电压参考向量在六边形(针对三相三线制线路)的哪个扇区;“XYZ”选定开关向量;“Subsystem”计算各个开关向量的作用时间;“Subsystem1”选定开关向量的作用顺序;“produce PWM”发出触发脉冲。

2 SVC的工作原理

SVC装置一般并联于电路中，可以快速连续的调节无功功率来维持线路电压水平恒定，具有性价比高、技术成熟和可靠性高等优良性能[13]。

SVC的构成形式很多，但基本元件是晶闸管控制的电抗器TCR(thyristor controlle dreactor)和晶闸管投切的电容器TSC(thyristor switched capacitor)。图5为SVC基本构成，滤波器的引入是为了消除系统产生的谐波。

图五 SVC基本构成

晶闸管控制电抗器(TCR型)是根据母线上无功功率的变化，控制晶闸管的触发角a调节电抗器的感性无功。晶闸管投切电容器(TSC型)是根据负荷感性无功功率的变化，通过反并联晶闸管来投入或切除电容器。SVC将TCR和TSC共同配合，克服了之前单靠电容器投切的进行无功补偿的不连续性，利用晶闸管作为固态开关来控制接入系统的电抗器和电容器的容量，使所需无功功率作随机调整，从而维持系统或负荷侧电压的稳定。

3 实验算例

在天津大学智能电网教育部重点实验室的微网实验室做实验结果如下。

(1)构建的孤立运行模式下的微网系统，具体参数如表1所示。

表一 孤岛模式下微网参数

在负荷无功需求为Q=100var时，故障录波仪所得系统电压(a相)和电流(a相)波形如图6所示。由图可知，系统电压基本满足要求，但电流畸变度达7.25%。

图六 微网独立运行时系统电压电流模型

将电能质量改善系统添加到微网后，所得系统电压(a相)和电流(a相)波形，如图7所示。由图可知系统的电流畸变度降至1.55%，电流电能质量得到提高。

图7　联合系统应用于微网后系统电压电流波形

由图6和图7可以明显看出将电能质量改善系统应用于孤岛模式下的微网后，系统电压可稳定在一定的范围内，系统电流畸变程度大大降低，微网整体电能质量有较大的提高。

(2)微网在并网运行时，由于大电网的影响，所组成系统的电流畸变度达2.5%，加上本文所提其电能质量改善系统后，电流畸变度降至1.21%。

4 结语

本文微网(运行于孤岛模式)进行电能质量研究，在综合考虑电能质量改善的效果和经济性后，采用APF接在分布式电源侧快速实时实现谐波滤除功能。实验结果表明，加入电能质量改善系统的微网系统电压保持稳定，电流畸变大大降低，微网电能质量有了明显提高，从而验证了电能质量改善系统的有效性。

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