微电网孤岛运行模式下谐波电流抑制研究

吴亦昊 林 畅 陈增华

摘要：众所周知，有源电力滤波系统功能得以实现的重要条件，是其谐波电流检测环节要具备优良的谐波电流检测性能，而谐波电流检测算法又将直接影响电流检测的性能。鉴于此，本文主要分析微电网孤岛运行模式下谐波电流抑制。

关键词：微电网孤岛；谐波电流；抑制

中图分类号：TU712 文献标识码：A

1、引言

微电网已成为光伏/风力发电等分布式电源接入电网的一种有效手段，应用也越来越广泛。由于分布式能源、负荷以及储能等装置大都通过整流、逆变等电力电子设备接入微电网，这些非线性装置或负载在微电网运行过程中会产生大量谐波，导致电网电能质量变差。为保证微电网运行的电能质量，现多采用有源电力滤波器进行谐波的治理，其中并联型有源电力滤波器（Shunt Active Power Filter，SAPF）能较好地补偿非线性负荷产生的谐波电流且具有接线方便的优点而被广泛应用。

2、概述

为保证微电网运行的电能质量，现多采用有源电力滤波器进行谐波的治理，其中并联型有源电力滤波器（Shunt Active Power Filter，SAPF)能较好地补偿非线性负荷产生的谐波电流且具有接线方便的优点而被广泛应用｡ SAPF 通过电流控制来实现谐波抑制，其常用的电流控制方法分别有比例积分控制(Proportion⁃al Integral，PI)､滞环比较控制以及准比例谐振(ProportionalResonance， PR)控制｡ PI 控制器的动态响应比较快速，但存在稳态性能不理想的缺点；滞环控制易于实现，鲁棒性很强，劣势是在使用过程中存在控制延迟；准比例谐振控制虽能实现对交流信号的无静差跟踪，但对于设计 SAPF 谐波治理系统控制器而言所需要额外的谐振环节过多，过程较为复杂｡ 而无差拍控制是直接基于预测的控制方法，相对于以上控制方法具有稳态性能好，不存在信号延迟问题，且具有动态响应快的优点｡ 基于此，建立三相静止坐标系中SAPF 模型的基础上，利用 ip-iq 检测方法获得负载中的谐波电流值，将其与 SAPF 发出的谐波电流补偿值进行比较，根据比较结果进行无差拍电流跟踪控制来实现谐波补偿功能，达到电网谐波抑制的目的｡ 对该控制方法下谐波电流的补偿效果进行仿真，同时与 PI 控制和 PR 控制方法进行对比分析，验证方法的有效性。

3、微电网结构和 SAPF 数学模型

微电网结构及 SAPF 在微电网中的系统组成如图 1 所示，由图可知微电网系统主要由光伏发电､蓄电池储能及直流负载及交流侧的非线性负荷组成｡ 由于非线性负载使得网侧电能质量大大降低，SAPF 作为治理装置与负载并联，其通指令电流运算电路和补偿电流跟踪电路生成指令电流跟踪控制信号，使用 PWM 控制驱动 SAPF 发出并向网侧注入补偿电流，以达到谐波补偿的目的。

图1微电网结构及其SAPF 的系统构成

为了降低计算量，前面的FBD法去掉了对零序电流分离，将APF系统三相交流电信号直接代入进行简单运算，即可得到等效电导，为后续瞬时无功功率法中的瞬时有功和无功电流的计算奠定了基础｡

同样为了降低计算量，后半部分瞬时无功功率法中有功和无功电流的生成，由FBD法计算得到的等效有功和无功电导直接经过线性变换获得。然后为了提高系统的实时性，利用改进移动平均值法获得直流电流。而且保证了直流侧电容电压的均衡控制，将系统直流回路中电容均压环输出的零轴电流增量补偿至谐波检测环节提取零序电流，从而获取零轴电流。

4、谐波电流检测

串联型变流器通常补偿电网中的畸变电压，由非线性负载生成的谐波以及无功电流分量通常由并联型变流器对其进行补偿，UPQC是互补了两种结构的有源电力滤波器，两者由公用的直流母线电容连接到一起，构成了电能质量调节装置，UPQC不仅继承了动态电压恢复器(DVR)的优点而且还继承了有源电力滤波器(APF)的优点，不仅解决电网电压质量问题，同时还能补偿非线性负载产生出的电流谐波，因此UPQC能综合补偿电网中电能质量的问题。

5、微电网孤岛运行模式下谐波电流抑制

本节将给出下垂控制逆变器孤岛运行时谐波抑制的具体实现方法，此种谐波抑制方法并未对下垂控制进行大范围改变，只是在下垂控制的基础上增添了由 QPCI 调节器构成的谐波解耦控制模块，对逆变器输出电流进行谐波解耦控制。下面给出下垂控制逆变器谐波抑制控制方法的控制框图，如图 2 所示。其中基次解耦由一个基频下的 QPCI 调节器构成，其传递函数如式（1）所示：

图2 下垂控制逆变器谐波抑制控制框图

（1）

令K_P=0，K_I=1，调节器对基波的幅值增益为1，此时可将基波从电流中剔除，目的是为了避免系统中含量最多的基波对谐波产生影响。解耦控制相当于将逆变器输出电流的谐波进行提取，提取出来的谐波电流经过5次、7次QPCI调节器放大之后生成给定电压信号，与基波 QPCI 输出的基波电压给定做差后作为逆变器输出电压的给定值，通过调节电压输出中谐波的含量来对输出电流中的谐波进行抑制。此时 5 次、7 次 QPCI 调节器的传递函数分别如式（2）、式（3）所示。

（2）

（3）

因为 5 次谐波为负序谐波，所以式（2）中 j 的系数为正，在应用时需注意。

综合上文所述，此时谐波电流解耦控制模块的传递函数如式（4）所示：

（4）

式中，K_P5、K_P7——5次、7次调节器的比例系数；K^Ι5、K_Ι7——5次、7次调节器的积分系数；ω_c1、ω_c5、ω_c7——基次、5次和7次QPCI调节器的通频带宽。

当 K P5= K P7= 0 ，K I5= K I7= 20 ，ωc1= 10、ωc5= 50 、ωc7= 70 时，该传递函数的伯德图如图3 所示。由图 3可知，式（4）传递函数所对应的幅频特性在 5 次谐波与7 次谐波频率处有较大增益，且增益大小由积分系数 K I 确定，通过 K I 的调节可在谐波频率处实现近似的无静差控制，与此同时观察图 3 可知传函对基频分量的幅值增益为零，避免了基波对谐波电流控制的精度造成影响，验证了前文所说解耦控制的准确性。

图3 谐波电流解耦控制模块伯德图

6、结束语

微电网与主要采用火力发电的传统大电网不同，微电网中往往包含大量分布式发电单元，例如太阳电池以及风电机组等，因此微电网中存在大量的接口逆变器。而为方便控制，模拟传统发电机外部特性而产生的具有“即插即用”特性的下垂控制得到大规模应用。当由此可见，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献：

[1]吴丽珍,陈国发,刘腾飞.孤岛微电网电压谐波补偿及电流均衡控制策略[J].电力电子技术,2019,53(03):87-90+137.

[2]刘聪哲. 微电网随机孤岛模式下逆变器并联运行控制策略研究[D].燕山大学,2018.

[3]刘立娜. 微电网的电能质量与谐波治理[D].河北工业大学,2017.

[4]冯尧. 微电网谐波治理方法的研究[D].沈阳工业大学,2017.

[5]张志成,刘振来,关虎昌.孤岛微电网谐波治理方法研究[J].电力电子技术,2015,49(12):135-137.