含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置制造方法
【專利摘要】根據(jù)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置與并網(wǎng)逆變器主電路結(jié)構(gòu)的相似性，提出一種含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，該裝置由檢測電路、控制電路、逆變電路、無源濾波器和分布式電源構(gòu)成。對裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理進(jìn)行分析，采用一種改進(jìn)型復(fù)合指令電流合成算法，實現(xiàn)了該裝置既能并網(wǎng)發(fā)電又能治理諧波和無功的多種功能，提高工作效率并降低投資成本。仿真與實驗結(jié)果驗證了該裝置的合理性和實用性。
【專利說明】含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，特別是在含有微電網(wǎng)的配電網(wǎng)系統(tǒng)中，裝置突顯出較強(qiáng)的實用性和新穎性。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，可再生能源得到越來越多的開發(fā)和應(yīng)用，導(dǎo)致低壓配電網(wǎng)中出現(xiàn)大量的分布式發(fā)電裝置及并網(wǎng)的電力電子設(shè)備，加之原有低壓配電網(wǎng)中存在大量的電力電子器件和非線性負(fù)載，給配電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。同時，配電網(wǎng)的容量一般較小，上一級電網(wǎng)的諧波向低壓電網(wǎng)的滲透也相對比較嚴(yán)重。這就導(dǎo)致微電網(wǎng)高滲透率下的低壓配電網(wǎng)諧波問題比普通配電網(wǎng)更為嚴(yán)重。
[0003]盡管分布式電源給系統(tǒng)帶來了許多不確定性，例如其波動可能造成系統(tǒng)電壓閃變以及引進(jìn)大量諧波等，使電能質(zhì)量一些方面進(jìn)一步惡化，但其也存在改善電能質(zhì)量的潛力。因為現(xiàn)有改善電能質(zhì)量的技術(shù)是建立在電力電子技術(shù)基礎(chǔ)上的，而分布式發(fā)電也正是建立在電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)上，這樣新型電力系統(tǒng)使得利用自身的電力電子轉(zhuǎn)換器成為可能，利用現(xiàn)有電力電子設(shè)備吸收或釋放有功、無功，從而不僅實現(xiàn)電能的傳輸轉(zhuǎn)換，而且改善了系統(tǒng)的電能質(zhì)量，減少系統(tǒng)的額外投資。2013年第I期的《電力自動化設(shè)備》建立了多功能并網(wǎng)逆變器拓?fù)涞臄?shù)學(xué)模型，利用加權(quán)電流反饋方法設(shè)計了其并網(wǎng)電流跟蹤控制器，基于輸出濾波器中阻尼電阻功耗與阻尼比之間的關(guān)系，設(shè)計了阻尼電阻。給出了一種包含并網(wǎng)功率跟蹤和電能質(zhì)量補(bǔ)償兩部分的指令電流生成算法。但是，該指令電流生成算法比較復(fù)雜。2013年第24期的《中國電機(jī)工程學(xué)報》運(yùn)用光伏并網(wǎng)發(fā)電與有源電力濾波器的統(tǒng)一控制思想，利用二者拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特性對系統(tǒng)功能進(jìn)行了進(jìn)一步拓展，提出光伏發(fā)電與有源濾波器的統(tǒng)一控制模型，該裝置能同時實現(xiàn)光伏并網(wǎng)發(fā)電、無功補(bǔ)償和諧波電流抑制，且能夠?qū)崿F(xiàn)后備式UPS功能，即在供電系統(tǒng)停電時可以緊急對重要負(fù)載供電，確保重要用戶不受系統(tǒng)斷電的影響。詳細(xì)分析微電網(wǎng)高滲透率下，分布式電源對原有配電網(wǎng)電壓、電流電能質(zhì)量的作用機(jī)理，提出了微電網(wǎng)高滲透率下配電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，使其發(fā)揮該環(huán)境下既能并網(wǎng)發(fā)電又能治理諧波和無功的功能，提高工作效率并降低投資成本。
[0004]分布式電源對配電網(wǎng)電壓的影響機(jī)理
[0005]分布式電源的突變性、間歇性及隨機(jī)性對配電網(wǎng)其他用戶的供電電壓造成沖擊，使得配電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動、閃變等重大電壓質(zhì)量問題。分布式電源對其并入點的沖擊是最大的，因此研究對DG并入點的電壓影響最具代表性。
[0006]帶有分布式電源的配電網(wǎng)在DG接入點的等效電路如附圖1所示。
[0007]當(dāng)分布式電源注入系統(tǒng)功率改變時，會使線路上的電流產(chǎn)生變化。由圖1所示等效電路，可估算分布式電源發(fā)電量波動時,在DG接入點上的電壓變化值為
[0008]= M⑴
[0009]又有
[0010]Zi =械徘 OfC2)
[0011]M = + JLil1 = |A/|Z#c 3 ；
[0012]代入式(I)，有
[0013]Δ? = — ^-[cos(a+^)+/sm(flf+^)]c4)
4 u'
[0014]式中，ASn為分布式電源的注入功率變化；Sk為DG接入點處短路容量；Zs =(Rs+jXs)為電網(wǎng)等效阻抗；ΛΙ為線路電流變化量；α為從DG接入點看入的電網(wǎng)阻抗角；β為分布式電源功率因數(shù)角；uSDG接入點電壓。
[0015]同一線路兩端的相位移不計時，可忽略垂直分量，則有
-如 Mt f ^
[0016][ = *= -Z1- C0S(0f+ β)C5)
? -1
[0017]式中，K表示分布式電源對系統(tǒng)電壓的沖擊程度。
[0018]由式(5)可知，分布式電源對系統(tǒng)供電電壓的沖擊與注入功率的變化、并入系統(tǒng)的短路容量及分布式電源的功率因數(shù)有關(guān)，這些因素是引起配電網(wǎng)電壓波動、閃變等重大電壓質(zhì)量問題的主要原因。
[0019]分布式電源對配電網(wǎng)電流的影響機(jī)理
[0020]微電網(wǎng)中含有眾多非線性電力電子成員，接入配電網(wǎng)后在提供能量的同時勢必給電流質(zhì)量帶來負(fù)面影響。當(dāng)微電網(wǎng)在配電網(wǎng)系統(tǒng)的滲透率增加，配電網(wǎng)內(nèi)分布式電源規(guī)模足夠大時，多個諧波源疊加造成的諧波含量會嚴(yán)重影響配電網(wǎng)電能質(zhì)量，不僅如此，多個諧振源還會在系統(tǒng)內(nèi)激發(fā)高次諧波的功率諧振，導(dǎo)致配電網(wǎng)中非線性用電設(shè)備的比重迅速增大，必將導(dǎo)致配電網(wǎng)電流諧波畸變率的進(jìn)一步惡化，威脅原有配電網(wǎng)的運(yùn)行安全性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0021]含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置由檢測電路、控制電路、逆變電路、無源濾波器和分布式電源構(gòu)成。分布式電源置于裝置直流側(cè)，共有兩套逆變裝置，其中一套經(jīng)過逆變后與配電網(wǎng)并聯(lián)，補(bǔ)償配電網(wǎng)諧波電流，另一套逆變裝置經(jīng)過逆變后與配電網(wǎng)串聯(lián)，補(bǔ)償配電網(wǎng)諧波電壓；無源濾波器置于逆變裝置與配電網(wǎng)之間。在配電網(wǎng)電能質(zhì)量穩(wěn)定時，通過控制逆變器，實現(xiàn)分布式發(fā)電功能；電能質(zhì)量治理功能和分布式發(fā)電功能可同時實現(xiàn)。
[0022]與分布式電源并網(wǎng)發(fā)電裝置相比，該裝置僅增加了諧波、無功電流檢測環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電的同時治理配網(wǎng)系統(tǒng)諧波。當(dāng)該裝置并網(wǎng)發(fā)電時，可控制逆變器輸出與電網(wǎng)同頻同相的有功基波電流。而且分布式電源可與并網(wǎng)逆變器直接相連而不再需要升壓變換電路，從而提高了分布式電源并網(wǎng)發(fā)電的效率。
[0023]另外，電網(wǎng)基波電壓均施加在并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電力電容器上，最大限度地降低逆變器的容量，同時PPF組裝設(shè)在負(fù)載側(cè)實現(xiàn)就地補(bǔ)償，APF中直流側(cè)電壓遠(yuǎn)低于電網(wǎng)基波電壓，改善了因負(fù)載諧波電流注入引起的配網(wǎng)公共連接點處電能質(zhì)量問題，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。
[0024]與常規(guī)有源電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置相比僅增加了一個DG單元，既結(jié)構(gòu)簡單，又具有電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置的諸多優(yōu)點。當(dāng)需要該裝置發(fā)揮電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的作用時，只要控制逆變器中的諧波與無功指令電流即可。并且當(dāng)并網(wǎng)逆變器因故障而不得己旁路后，無源濾波器仍可起到一定的諧波抑制及無功補(bǔ)償作用。
[0025]分布式電源功率點跟蹤環(huán)節(jié)確定最大功率點電壓，經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器獲取并網(wǎng)電流有功分量的幅值，與電網(wǎng)鎖相環(huán)單位正弦信號相乘后即得有功電流指令，通過有功電流的調(diào)整來完成直流側(cè)和配網(wǎng)能量的交換，進(jìn)而保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1分布式電源并網(wǎng)等效電路
[0027]圖2含分布式發(fā)電的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的總體框圖
[0028]圖3復(fù)合指令電流的合成運(yùn)算
[0029]圖4系統(tǒng)電流、電壓波形
[0030]圖50-0.05s電流畸變率分析
[0031]圖60.05-0.1s電流畸變率分析
[0032]圖70.1-0.15s電流畸變率分析
[0033]圖80.15-0.2s電流畸變率分析
[0034]圖9裝置未投入運(yùn)行時系統(tǒng)電流電壓波形
[0035]圖10裝置投入后系統(tǒng)電流電壓波形
[0036]圖11裝置并網(wǎng)發(fā)電功能時系統(tǒng)電流電壓波形

【具體實施方式】
[0037]附圖2為含分布式發(fā)電的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的總體框圖，含分布式發(fā)電的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置由檢測電路、控制電路、逆變電路、無源濾波器和分布式電源構(gòu)成。分布式電源置于裝置直流側(cè)，然后將其逆變后，經(jīng)過無源濾波器輸出至配電網(wǎng)側(cè)，逆變裝置采用全控型器件。主電路中共有兩套逆變裝置，其中一套經(jīng)過逆變后與配電網(wǎng)并聯(lián)，補(bǔ)償配電網(wǎng)諧波電流，另一套逆變裝置經(jīng)過逆變后與配電網(wǎng)串聯(lián)，補(bǔ)償配電網(wǎng)諧波電壓；在配電網(wǎng)電能質(zhì)量穩(wěn)定時，通過控制相應(yīng)的逆變器，實現(xiàn)分布式發(fā)電功能；電能質(zhì)量治理功能和分布式發(fā)電功能可同時實現(xiàn)。
[0038]逆變器指令電流合成
[0039]傳統(tǒng)的基于瞬時無功功率理論的p_q檢測法有著廣泛的應(yīng)用，但該方法僅適用于三相電壓無畸變的平衡系統(tǒng)，當(dāng)電壓波形有畸變時，檢測精度將得不到保證。基于鑒相原理的諧波電流檢測法是基于通訊技術(shù)中的相位鑒別方法，其特點是獨立檢測各相諧波，因而在三相電網(wǎng)電壓波動或畸變時能準(zhǔn)確檢測諧波電流。但是，傳統(tǒng)基于鑒相原理的諧波電流檢測法是開環(huán)系統(tǒng)，其檢測精度和動態(tài)響應(yīng)性能很大程度上取決于低通濾波器參數(shù)的設(shè)計。而設(shè)計低通濾波器的截止頻率和階數(shù)比較困難，且開環(huán)諧波檢測電路系統(tǒng)穩(wěn)定性能低，魯棒性差，易受系統(tǒng)其他參數(shù)的影響。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與動態(tài)性能，本文在檢測鑒相支路增加比例積分調(diào)節(jié)器，考慮到一個η階低通濾波器與積分單元通過閉環(huán)形式可以構(gòu)造n+1階低通濾波器，將開環(huán)電路模型設(shè)置成閉環(huán)電路來改善其魯棒性，采用積分環(huán)節(jié)來代替低通濾波器，降低設(shè)計的難度。復(fù)合指令電流的合成如附圖3所示。
[0040]一套裝置實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電和治理電能質(zhì)量等多種功能，勢必大大降低裝置成本，并提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、工作效率和動態(tài)性能。
[0041]仿真與實驗結(jié)果分析
[0042]配網(wǎng)系統(tǒng)電壓380V/50HZ，分布式電源輸出機(jī)口電壓等效為800V ;開關(guān)頻率為1KHz ;負(fù)載為不可控整流阻感性負(fù)載，負(fù)載電阻R = 20Ω，L = 25mH ;并網(wǎng)逆變器交流側(cè)電感Lo = llmH。仿真過程中配網(wǎng)電源系統(tǒng)側(cè)電流、電壓波形如圖4所示。
[0043]仿真過程中配網(wǎng)電源測電流電壓波形如附圖4所示。由圖可以看出在0-0.05s之間該定制裝置未投入運(yùn)行，電流波形為典型的整流負(fù)載波形，存在較嚴(yán)重的畸變，其對應(yīng)的電流畸變率分析如附圖5所示，電流總畸變率高達(dá)23.93%，嚴(yán)重超標(biāo)。在0.05-0.1s之間該裝置投入運(yùn)行，此時控制該裝置的指令電流中并未加入并網(wǎng)發(fā)電有功電流，負(fù)載所需有功電能全部來源于配網(wǎng)電源，由波形可以看出，定制的該裝置此時較好的發(fā)揮了原有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的功能，電流波形趨向于正弦波且與電壓波形同頻同相，此時畸變率分析如附圖6所示，畸變率減小到4.33%，滿足國標(biāo)。0.1-0.15s裝置復(fù)合指令電流中加入1A有功電流指令，配網(wǎng)電源側(cè)電流幅值與0.05-0.1s之間相比有所減小，并且畸變率如附圖7所示，大小為4.53%，表明裝置在發(fā)揮原有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置功能的基礎(chǔ)上，同時實現(xiàn)了并網(wǎng)發(fā)電，此時電流與電壓同頻同相，負(fù)載所需功率由配網(wǎng)電源與并網(wǎng)的分布式電源共同提供。
0.15-0.2s有功指令控制電流加大到40A，此時電流波形與電壓波形反向，表明分布式電源通過該裝置向配電網(wǎng)與負(fù)載同時供電，而此時并網(wǎng)電流畸變率分析如附圖8所示，大小為
4.05%，滿足要求。
[0044]為了驗證本文所提電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置設(shè)計方案的可行性，進(jìn)行了相關(guān)實驗，實驗控制芯片選擇TI公司的定點32位TMS320F2812。主要包括電能質(zhì)量治理實驗、并網(wǎng)發(fā)電與電能質(zhì)量治理實驗兩個方面。
[0045](I)電能質(zhì)量治理實驗
[0046]該電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置未投入系統(tǒng)運(yùn)行時，實測的實驗系統(tǒng)電源側(cè)電流、電壓波形如附圖9所示，圖中上半圖為電壓波形(400V/div)，下半圖為電流波形(20A/div)。
[0047]由圖9可知，系統(tǒng)電源側(cè)電流與電壓波形同頻同向，通過FLUKE(43B型)電能質(zhì)量分析儀對電源側(cè)電流進(jìn)行分析可得，電流總諧波畸變率(THD)高達(dá)24.9%，電流畸變較為嚴(yán)重，嚴(yán)重超過國標(biāo)。
[0048]當(dāng)該裝置投入系統(tǒng)運(yùn)行后，實驗系統(tǒng)電源側(cè)電流電壓波形如附圖10所示，上半圖為電壓波形(400V/div),下半圖為電流波形(20A/div)。
[0049]由附圖10可知，該裝置投入運(yùn)行穩(wěn)定后可較好發(fā)揮電能質(zhì)量治理功能，電流波形接近于正弦波。同樣采用電能質(zhì)量分析儀對電流進(jìn)行畸變率分析可知，此時的電流總諧波畸變率大小為4.51%，較前面已有明顯的改善效果。
[0050](2)電能質(zhì)量治理與并網(wǎng)發(fā)電實驗
[0051]該裝置同時發(fā)揮電能質(zhì)量治理功能與并網(wǎng)發(fā)電的實驗系統(tǒng)電流電壓波形如圖11所示，上半圖為電壓波形(400V/div)，下半圖為電流波形(20A/div)。
[0052]從附圖11中可以看出此時裝置運(yùn)行以后系統(tǒng)電流波形趨于正弦波且電流的畸變率值為4.37%，能夠滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，說明此時該裝置依然可以較好的發(fā)揮原有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的諧波治理及無功補(bǔ)償功能。
[0053]附圖10與附圖11對比可以明顯看出此時電流波形方向正好相反，表明此時系統(tǒng)電源側(cè)的電流是由負(fù)載及此裝置側(cè)流向電源側(cè)的，表明該裝置向電網(wǎng)輸送了有功能量，其大小不但可以滿足負(fù)載的有功需求，還可以將多余的有功輸送到電網(wǎng)電源側(cè)。此時該裝置不但發(fā)揮了無功補(bǔ)償及諧波治理裝置的功能，還同時向電網(wǎng)電源側(cè)和負(fù)載提供有功電能，實現(xiàn)了分布式電源的并網(wǎng)發(fā)電功能。系統(tǒng)電流畸變率不僅滿足國家公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)還達(dá)到了微電網(wǎng)分布式電源并網(wǎng)發(fā)電畸變率標(biāo)準(zhǔn)要求。
[0054]本裝置通過將分布式電源置于統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置直流側(cè)，實現(xiàn)了多種功能。該裝置既能夠治理微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題，又能實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能。仿真和實驗結(jié)果驗證了該裝置的可行性和實用性。
【權(quán)利要求】
1.一種含分布式發(fā)電的配電網(wǎng)統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，由檢測電路、控制電路、逆變電路、無源濾波器和分布式電源構(gòu)成；其特征是，分布式電源置于裝置直流側(cè)，共有兩套逆變裝置，其中一套經(jīng)過逆變后與配電網(wǎng)并聯(lián)，另一套逆變裝置經(jīng)過逆變后與配電網(wǎng)串聯(lián)，無源濾波器置于逆變裝置與配電網(wǎng)之間。
【文檔編號】H02J3/18GK203933050SQ201420210520
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】李圣清, 栗偉周, 徐文祥, 曾歡悅, 張彬, 楊峻, 徐天俊, 白建祥, 袁黎, 唐琪, 李永安 申請人:湖南工業(yè)大學(xué)