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智能电网的电能质量怎样控制?

国际电力网  来源:电力系统自动化  日期:2016-02-17

随着太阳能、风能、生物质能等新能源分布式发电微电网、中小型电站(含储能电站、电动汽车充电站)等形式大量接入配电网,使得新形势下的智能电网面临诸多新问题。图1描述了智能电网架构下的电能质量控制结构,其主要由分布式发电、输配电网络、用电负荷电能质量补偿器等构成。一方面,作为新能源接入的核心动力,电力电子变换装备的大量接入,使得输配电网电能质量呈现新特征、新问题,亟待解决;另一方面,用电侧负荷的多样性、非线性、冲击性等日益加剧,电能高效利用迫在眉睫,这些新问题给电能质量控制技术带来了机遇与挑战。作为智能电网的核心,微电网是耦合了多种能源的非线性复杂系统,其内部的分布式电源具有间歇性、复杂性、多样性、不稳定性等特点,其电能质量呈现的新问题与新特征日益突出。因此,为保证微电网接入情况下配电网的安全稳定运行,亟需研究和解决的关键问题之一就是电能质量问题。

图1 智能电网构架下的电能质量控制结构图

1、电能质量补偿器的分类

电能质量补偿控制技术可分为主动控制技术和被动治理技术。图2针对不同的电能质量问题,对相应的补偿装置进行分类介绍。被动治理技术是通过并接或串接额外的电力电子补偿器来抑制或治理诸如谐波、无功、三相不平衡等电能质量问题,补偿装置主要包括无源电力滤波器(PPF)、有源电力滤波器(APF)、混合型有源电力滤波器(HAPF)、无功补偿器、动态电压恢复器(DVR)、电能质量综合调节器(UPQC)等。其中,基于模块化多电平变换器(MMC)的电能质量补偿器因其低压模块化串级结构,正成为中高压电能质量治理技术的研究热点与未来趋势。而主动控制技术是用电设备或分布式电源通过改变自身的输入或输出阻抗特性来兼顾电能质量治理功能。电能质量主动控制技术不仅可提升电能利用率,还能在无需增加额外的补偿器的情况下,改善系统整体的电能质量。

图2 电能质量补偿控制器的分类图

2、电能质量补偿器的控制方法

目前,电能质量补偿器多采用电压源型或电流源型变换器。常用的补偿器电流控制方法主要有:滞环控制,无差拍控制,模型预测控制,比例积分(PI)控制,比例谐振(PR)控制,重复控制及非线性鲁棒控制等。此外,通过改进常规电流控制,可以改善单一电流控制方式的控制性能。比如:常规PI和矢量PI结合的控制方法,可简化谐波检测环节;谐波分频补偿方式,与传统全频段补偿方式相比,提高各次谐波的检测精度与补偿精度,特别适用于各种高低压混合有源滤波装置等。

3、大型分布式电站电能质量分析与控制

随着光伏、风能等大型分布式电站(10 kV~35 kV等级)的渗透率的提高,主要由多逆变器构成的分布式电站系统所产生的谐波与输配电系统的交互耦合也愈加复杂。分布式电站输出的谐波呈现出高频次、宽频域的特性。图3为典型分布式电站谐振放大系数与谐波次数、输电距离的关系。谐波在输电网传播的过程中,受输电线中的分布电容以及背景谐波电压等因素的影响,会产生电流和电压的谐振放大。有2种治理方案可抑制宽频域谐波在输电网络中的串并联谐振问题,即:改变输电网络参数,通过并联电抗器达到消除谐振的目的;安装高压混合有源滤波装置,降低流入电网的谐波电流含量。

图3 分布式电站谐振放大系数与谐波次数、输电距离的关系

4、微电网及含微电网配电系统电能质量分析与控制

分布式电源储能、负荷通过电力电子变换器接入微电网是目前新能源分布式发电的主要形式之一。微电网存在孤岛和并网2种运行模式,微电网电能质量问题既存在共性,也有各自的特点。共性集中表现在:怎样有效解决集群分布式逆变器产生的宽频域、高频次的谐波电流。

微电网电能质量问题的新特征及控制技术主要体现在2个方面。

1)微电网内部环流抑制方法:多逆变器由于控制方式、滤波参数等因素的不同,造成逆变器在公共连接点侧的端口等效输出阻抗存在差异,导致逆变器间基波、谐波环流的产生,影响逆变器间的功率均分效果及微电网电压稳定。采用虚拟阻抗技术可以改变逆变器自身的输出阻抗幅频特性,从而使得各逆变器的等效输出阻抗相同,可有效降低逆变器间的环流,实现功率均分。

2)微电网并网运行模式下的谐振分析与抑制方法:微电网并网运行模式下,并联逆变器闭环等效阻抗之间、逆变器闭环等效阻抗与配电网等效阻抗之间都存在耦合,随着并联台数的增加,容易引起低次谐波谐振现象发生,造成特定次谐波电流的放大,通过采用主动式无源阻尼和有源阻尼方法,或被动式有源滤波方法,可解决逆变器间引起的耦合谐振的问题,但相关研究有待进一步深入。

5、电能质量控制技术的发展趋势和前景

新能源或分布式能源以微电网/电站/分布式发电的形式大量接入电网,对电能质量问题分析与解决途径提出了新的挑战,面向智能电网电能质量分析与控制技术研究任重道远,也对电能质量补偿器提出了高标准和新需求。同时,碳化硅等宽禁带器件的推广及新型变换器拓扑的发展也将推动电能质量治理装置的发展。此外,分布式电源电能质量补偿器的协同控制、兼具主动电能质量治理功能的先进电力电子变换装置,也有望得到深入研究和推广应用。

作者介绍

罗安:中国工程院院士, 湖南大学教授, 国家电能变换与控制工程技术研究中心主任。30多年来, 他一直围绕制约我国大功率特种电源电能质量控制的关键工程技术难题, 发明了多种大功率电能变换系统及控制方法, 突破了多项共性核心技术, 首创的关键装备多项性能指标优于国外同类产品, 并应用到冶金、化工、铁路等200多家企业, 提高了电能利用率与产品品质, 促进了相关行业的科技进步。

徐千鸣:湖南大学电气与信息工程学院博士研究生,主要研究方向包括多电平变换器电能质量控制。

马伏军:博士,湖南大学电气与信息工程学院助理教授,主要研究方向包括铁路供电系统功率控制、电能质量控制,电气节能技术。

陈燕东:博士,湖南大学电气与信息工程学院助理研究员,主要研究方向包括微电网控制、分布式发电控制,电能质量控制。

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