电能质量监测的分布式电源设计方案

摘要:为了实现分布式电源的高效、可靠和安全运行，文中介绍了一种基于电能质量监测的分布式电源自监测逆变器设计。这种自监测逆变器通过对分布式电源工作模式的监测以及输出电能的测量实现对闭环控制器反馈信号的优化，从而实现分布式电源在暂态和稳态上均能够跟随微电网控制中心的控制信号，并输出符合电网规范的电能。实验结果表明，该自监测逆变器能够应用于不同类型的分布式电源，使其在并网模式和孤岛模式下均能够稳定输出电能。

关键词:分布式电源;智能仪表;电能质量;并网模式;孤岛模式

0引言

与集中式发电系统相比，分布式电源(DG)可以提供低成本电力和高度可靠安全的电力，并且环境污染更少［1－2］。并且配电网沿着距离(即从电源到用户)输送的电能绝对值更小，这使得输配电网的线损也会有所降低［3－4］。每个DG都具有电力电子构成的逆变器，能够将太阳能、风能、电池、燃料电池等基本能源(PES)转换为符合电网规范的交流电能。同时，逆变器可以执行辅助服务，如低电压穿越、谐波补偿、恒定发电控制以及谐波含量校正、无功补偿、电压骤降控制、电压调节不良纠正、故障检测、孤岛故障恢复等功能［5－7］。这些服务和功能使得逆变器在提高电能质量和系统可靠性方面也非常有用。为了实现上述功能，本文对逆变器在闭环控制系统上集成了DG电能质量自监测系统，使得逆变器可以在并网模式和孤岛模式更加稳定输出高质量的电能，并实现抑制谐波电流、控制无功功率等功能。

1逆变器结构

显示了DG逆变器的一般结构。电压和电流信号通过传感器测量、转换和传输到数据采集系统。信号调节器包括一组运算放大器，用于正确处理传感信号［8－9］。数据采集卡具有可编程软件，其中根据特定目的操纵并网功率数值［10］。该DG逆变器大多数时间是基于本地测量进行功率输出，仅当其有源功率注入算法提供限制逆变器输出功能时，该DG逆变器才对系统幅度/频率偏差作出响应。参考信号发生器是负责将数据采集输出信息反馈至DG控制电路［11］。

在分布式配电系统中需要通过电能质量的监测来应对双向电力网络的灵活性和可扩展性，监控负载和DG的随时接入或断开，以及由于天气条件、新负荷的连接和运行边界的变化所导致的DG经常变化的间歇电力容量。面向DG的电能质量监测系统。其中所监测的功率因数和谐波分析等信号的量化使用数字信号进行处理。本文所设计的自监测逆变器结构。显然自监测逆变器是通用逆变器结构集成了电能质量监测系统。其中电能质量监测目标(即有功功率、无功功率和谐波功率)使用所示的监测系统进行本地监测，同时电能质量监测系统也可接收电网集中控制中心所传来的远程控制信号，为分布式配电网提供低压穿越、无功功率控制、频率控制和谐波抑制等一系列辅助控制功能。

2自监测逆变器的实现

自监测逆变器的结构分为三个层:①电力电子部件;②电流和电压控制方案;③参考信号发生器。考虑到DG可以通过AC电网的并网逆变器的基本控制策略来控制，因此本研究使用用于基于电流的DG的双回路功率电流控制器和用于基于电压的DG的三重闭环控制(功率－电压－电流)来设计控制方案。后者通过外部环路控制转换器的输出功率，中间环路是输出电容器两端的电压，内部环路是逆变器输出电流控制。该控制方案可实现从电网连接到孤岛操作的无缝对接。

2．1电力电子逆变器结构

其中DC侧由风能、PV或储能系统以及DC-DC转换器组成;AC侧是具有通过LC滤波器接口的可变负载的公共实用程序。电压源逆变器(VSI)可以用作电压源或电流源，这取决于如何设计控制方案并且调节调制量以通过脉冲宽度调制(PWM)驱动逆变器的电力电子元件。

2．2DG总体控制方案

相对于传统的旋转发电机不可避免地被看作为电压源，DG可以根据操作模式的类型(并网或孤岛)或控制方案的不同在配电网中分别充当受控电压源或受控电流源［12－14］。电流源DG可以按照大多数电网规范被控制为电网跟随装置。电流源DG具有高输出阻抗，因此电网频率扰动较小，系统稳定性较好。但是，电流源DG没有任何电网形成能力，因此无法在孤岛模式下运行。基于电流的DG的典型控制方案，其中i*是信号参考发生器模块提供的电流参考，iL是逆变器LC输出滤波器的反馈电感电流，PIi是电流比例积分(PI)控制器。电压源DG可以在孤岛模式或并网模式下运行［15］。电压源DG的控制方法调节模拟零惯性同步发电机并联运行特性的有功和无功功率。电压源DG可以看作不间断电源，因此在并网运行时需要对上述控制方案进行修改。电压源DG还有虚拟同步发电机(或同步器)、虚拟振荡器控制、电抗器和间接电流等控制方案。显示了DG的总体控制框图，其中Δv*是由负责控制有功和无功功率的信号参考发生器提供的参考电压，e*是标称电压参考，PIi和PIv分别是电流型和电压型的PI控制器。必须根据所需的DG类型选择基于电流或基于电压的控制方案。

2．3参考信号发生器

在电流型和电压型DG的控制方案中，参考信号是控制方案的输入。参考信号旨在调节有功和无功功率流的稳态，并且可能用于补偿谐波含量。以下所阐述的信号参考发生器可应用于任何DG。由同相信号和正交信号的组合创建，并且可能由非基频信号所创建。这种控制可确保在不知道阻抗值的情况下对电力线阻抗变化的抗扰性。依据式(3)可以计算出足以跟踪或估计电网电压的频率和相位的参考信号，并且可以根据参考信号调节逆变器的每个相关项的幅度值，即V‖和V⊥。还可以使用频率检测器或锁相环(PLL)算法来跟踪电网的频率和相位。与电流型逆变器不同，有功和无功功率通过有功和无功电流进行明确的控制，电压型逆变器的有功和无功功率还取决于电力线路的阻抗比R/X。①同项参考信号。

基频项的闭环控制方案产生。闭合控制的反馈信号是通过式(4)所计算的有功功率。对于电流型DG和电压型DG，输出控制器分别表示如式(3)所示的电导G或同相项的幅值V‖。vo为与电压形成比例的参考信号。对于DG应用，可以来自任何MPPT技术，或来自用于储能应用的储能充电控制器。P*的正负信号对应于充电和放电功率流方向。正交参考信号。对于电压型DG基频项(即基于电流型DG的i*a或电压型DG的)的生成方案对于电流型和电压型DG，PI控制器的输出分别为电纳B和正交项的幅值V⊥。功率参考信号Q*可以基于无功补偿、电压支持或低电压穿越来设置。③非基频项。通过仅对n次谐波频率应用电导(Gn)和电纳(Bn)的概念，非基频项参考信号可以采用与基频项参考信号类似的方法生成。其中下标“n”表示特定的谐波次数。其中，变量V是电压的均方根(RMS)值。I‖n和I⊥n分别是每个n次谐波的同相和正交电流项的RMS值，通常可以通过快速傅里叶变换(FFT)检测得出。图3自监测逆变器的仿真实现

3参考信号跟踪和谐波补偿的实验结果

试验逆变器使用仿真系统实现。示波器用来检测PWM信号、模拟反馈信号和参考控制信号。图3所示的自监测逆变器DG将来自PES的可用有功功率注入到电网中，并且作为有源电力滤波器在本地操作以补偿无功功率和抑制谐波电流。电力电子部件及其控制回路。为了验证自监测逆变器对谐波电流的控制和补偿，图3中的并联负载设置为非线性，并通过功率设定点进行控制，以确保高功率因数。显示了自监测逆变器的模拟结果。图4(a)显示了和D‖3动态响应以及跟踪其相应参考控制信号的稳态性能。图4(b)显示了非线性负载电流、DG输出电流和电网侧电流和电压的波形。在0．2秒后，DG产生1kW电能，其中负载吸收其中的一部分，剩余部分流入电网。在0．2秒之后，从DG流入电网的电压波形移位180°，但是iL波形仍然基本保持正弦波。在0．35秒之后，谐波补偿被释放以清除电网电流iG。非基频参考信号的选择性发生器提供i*h3、i*h5和i*h7。图4(c)显示了电网侧I⊥3和I‖3减少至零，表明自监测逆变器的补偿效果。可以推断，如果考虑更宽的谐波次数，这种补偿就可以达到更好的性能值。

4不同工作模式下实验结果

不同工作模式切换的实验结果(a)的电网对所设计的自监测逆变器在并网连接到孤岛模式下电能输出能力进行实验。图5(a)中DG1和DG2采用电流控制模式(CCM)的自监测逆变器，通过双回路功率电流控制(即电流型DG)，而DG3是通过具有储能系统的三回路电源－电压－电流的电压控制模式(VCM)中进行监控的分布式电源。在三个分布式电源所组成的微电网中设置2kW的线性负载。(b)和5(c)显示了微电网的孤岛模式和并网模式的切换。从图5(b)可以看出，DG3在执行主动孤岛(CB2开路)之前控制电网电流，并且切换是无缝的。(c)中，在因故障导致的孤岛(CB1断开)期间，DG3需要断开三个电网电压周期(CB2开路)，并且在此期间，电压V略微下降。设置自监测逆变器的DG1和DG2对主线路的电压/频率偏差作出反应，逐渐达到电网稳定状态。

5结束语

本文介绍了一种可用于DG状态监测和输出控制的自监测逆变器的设计。所提出的自监测逆变器集成了电能质量监测系统，能够在对DG输出电能和工作模式进行监测的基础上，优化逆变器的控制模式，使DG输出的电能质量能够较好适应电网规范。实验表明，这种自监测逆变器可以快速且准确地跟踪参考控制信号，有效抑制谐波电流，并能够在并网模式和孤岛模式之间稳定输出高质量电能。

参考文献:

［1］何晓燕，王一．柔性直流电源系统电流质量控制方法研究［J］．电气传动，2019，49(2):28－32，96．

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［4］王睿，孙秋野，马大中，等．微网中分布式电源锁相环建模及其稳定性分析［J］．中国电机工程学报，2018，38(24):7338－7348，7460

作者：林文孝 杨延 连浩 方龙泉 单位：南瑞集团有限公司 国网电力科学研究院有限公司 国网信通产业集团北京中电普华信息技术有限公司