具有电能质量改善特点的可再生能源配电级并网

T.Thillainayaki¹, P.Shanthi²

PG学者[PED]，工程学院EEE系，金奈，泰米尔纳德邦，印度
印度泰米尔纳德邦金奈金迪工程学院EEE系研究学者

摘要

可再生能源被用于使用电力电子转换器的配电系统。可再生能源的高渗透水平产生了电能质量问题，如电流不平衡，电流谐波等。本文提出了三相四线配电系统中电网接口逆变器的控制策略。逆变器具有多种功能，它既可以作为功率变换器，也可以作为并联有源电力滤波器来补偿电流不平衡、负载电流谐波、负载无功功率需求和负载中性电流。为此，本文分析了由绝缘栅双极晶体管连接三相非线性和单相线性非线性负载组合而成的电流控制四腿电压源逆变器。磁滞控制器用于产生开关脉冲。参考电流的产生基于PQ理论。该控制策略可使并网逆变器与共耦点的三相四线线性或非线性不平衡负载组合为并网平衡线性负载。四腿电流控制电压源逆变器在不平衡非线性负载接入的情况下，通过主动控制实现单位功率因数(UPF)下的平衡正弦电流。这使得电网能够在UPF提供或接收正弦和平衡的功率。 The grid interfacing inverter has been analyzed under three conditions. i. When RES power is zero, it acts as shunt active power filter. ii. When RES power is less than load power demand, it acts as rectifier. iii. When RES power is greater than load power demand, it injects power to the grid and acts as an inverter. This control concept has been simulated using MATLAB/Simulink.

关键字

电能质量，并联有源电力滤波器，电力注入，电网接口逆变器。

介绍

在这十年中，对电力的需求大大增加。可再生能源(RES)有助于满足这一需求。尽管它可以作为化石燃料的替代来源，但其间歇性的性质会产生电能质量(PQ)问题。这些问题可以通过电力电子器件和控制策略进行控制。但非线性负荷的广泛使用会产生谐波，影响电能质量。电力系统中电流谐波的存在会增加线路的损耗，降低功率因数，并可能在敏感的电子设备中引起定时错误。

三相四线制系统中单相非线性负载在相和中性之间所产生的谐波电流为三阶零序谐波。这些三次谐波不抵消，而是在中性总线上算术相加。这导致中性电流将是相电流的1.73倍。采用有源电力滤波器补偿负载电流谐波，最大限度地利用逆变器额定值[1]。在控制策略中，采用锁相环生成统一电网电压矢量模板，增加了硬件成本。电流控制电压源逆变器可用于将可再生能源连接到电网。在[2]中，提出了逆变器作为电感吸收谐波电流的控制策略。但是电感量的实时计算比较困难。在[3]中提出了类似的方法，其中有源滤波器作为有源电导来阻尼谐波。在[4]中，提出了基于pq理论的控制策略，同时需要负载和逆变电流传感来补偿电流谐波。 This paper demonstrates how the grid interfacing inverter serves as an active power filter and injects power under variable renewable energy conditions.

系统描述

该系统由电网接口逆变器和一组三相和单相线性和非线性负载组成。电网接口电压源逆变器提供产生的功率，这里考虑的RES是直流电源。设计了并联型有源电力滤波器，并与负载组并联，用于检测谐波电流。有源电力滤波器(APF)由四腿电压源逆变器组成。三个支腿用来补偿相电流，一个支腿是专门设计来补偿中性电流。四腿逆变器具有直流链路电容小、直流链路电压充分利用的优点。四腿逆变器有8个IGBT开关，开关脉冲由磁滞控制器提供。基本框图如图1所示。

并网逆变器的控制策略基于p-q理论。p-q理论由a-b-c坐标中的三相电压和电流到α-β-0坐标的代数变换(Clarke变换)组成，然后计算p-q理论的瞬时功率分量。

将这四个参考电流与有源滤波器的输出电流进行比较。该误差通过滞回控制器触发桥臂。电流控制、电压源并联型有源电力滤波器产生的电流波形质量主要取决于三个因素:

(i)正在产生的参考信号

(二)采用的调制方法

(iii) PWM调制器的开关频率。

迟滞带用于控制电源电流和确定逆变器门的开关信号。当电源电流超过上频带时，比较器以这种方式产生控制信号以减小电源电流并使其保持在频带之间。并联型有源电力滤波器是一种并联补偿无功功率和消除非线性负载谐波的装置。它是一种三相逆变器，其中电容器是主要的储能元件，电感器用于通过变换器电压控制滤波器电流。PI控制器还用于调节直流母线电压到其参考值，并补偿逆变器的损失。APF VSI中igbt的PWM门控脉冲是通过使用滞后电流控制器对参考滤波器电流(ifa*， ifb*， ifc*， ifn*)和感应滤波器电流(ifa, ifb, ifc, ifn)进行间接电流控制产生的。产生的脉冲被用来触发四腿并联有源电力滤波器。

仿真结果

所提出的系统已在补偿前和补偿后两种方式得到验证。补偿前，电网连接一组三相非线性和单相线性和非线性负载，电网接口逆变器不接入电网。在这一时刻，电网电流和负载电流相等。与电网连接的单相非线性负载产生中性电流。这个中性电流是相电流的1.732倍。如图2(a)所示。

为了补偿中性电流和减少电流谐波，电网接口逆变器现在连接到网络。这种四腿逆变器补偿中性电流，如图2(b)所示。补偿前后电网电压保持不变，如图2(c)所示。补偿前各相电网电流thd分别为14.46%、6.38%、11.42%，如图2(d)所示。如图2(e)所示，各相电网电流thd分别降低为6.27%、6.17%、5.97%。

补偿后的并网接口逆变器在不同可再生能源条件下进行了验证。(i)可再生能源功率为零时，(ii)可再生能源功率小于负载功率时，(iii)可再生能源功率大于负载功率时。

条件1 (pres = 0)

在这种情况下，并网逆变器作为有源电力滤波器对中性电流、电流谐波和电流不平衡进行补偿。在这种工作模式下，逆变器消耗少量有功功率来维持直流链路电压，克服逆变器相关的损耗，而大部分负载无功功率需求由逆变器有效支持。在单位功率因数(UPF)下，电网电压与电网电流同相，表明并网逆变器处于整流工作状态。UPF波形如图3(a)所示。

条件2 (pres < pl)

在这种情况下，逆变器开始向电网注入电力。来自RES的功率降低，因此源电流降低。如图3(b)所示，在这种情况下，从整流工作模式转变为逆变工作模式。

条件3 (pres > pl)

在此条件下，并网逆变器的发电量大于总负荷功率需求。因此，在满足负荷功率需求后，额外的RES功率流向电网。逆变模式下的电网电流如图3(c)所示。中性电流剖面也得到了补偿。电网接口逆变器现在在本地提供整个负载电力需求，并将额外的有功功率馈送到电网。如图3(d)所示，a相电网电压和a相电网电流之间的相外关系表明，这些额外的功率在UPF时馈送到电网。如图3(e)所示，直流链路电容电压在两种工作模式下都保持恒定。

结论

为了提高有源电力滤波器的性能，本文提出了三相四线四腿并联有源滤波器的控制算法。仿真结果验证了该控制方案的有效性。仿真结果表明，在不平衡负载条件下，成功地实现了以下目标。1).中性电流补偿2).谐波降低和3).功率注入进一步证明，在1)PRES=0、2)PRES < PL和3)PRES > PL三种不同条件下，PQ可以得到提高，电流不平衡、电流谐波和负载无功需求得到有效补偿，使电网电流在单位功率因数下始终保持平衡和正弦。当RES产生的功率大于负载功率需求时，并网接口逆变器以单位功率因数向电网供电。

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