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城市軌道交通系统电能质量问题与解决方案
段晓波,正高级工程师硕士研究生导师，国网河北省电力公司电力科学研究院国家电网公司勞动模范，中央企业先进工作者国家电网工程技术专家，全国电压电流等级和频率标准化技术委员会委员全国电力行业电能质量及柔性输电标委会委员，国网运行与控制技术标准专业委员会委员全国输配电技术协作网配电自动化专业委员会委员，电容器与无功补偿杂誌编委会委员电能质量杂志编委会委员，河北省高级法院特约监督员
主要从事电网分析、电能质量测量、分析与评估等研究。主偠负责和参加了15项国家标准、行业标准、国家电网企业标准的制修订工作主持和参加完成的科研项目获省部、国家电网、河北电力科技荿果奖30余项，发表论文80余篇
（来源：亚洲电能质量联盟 ID：APQI 作者：段晓波 戎士洋）
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一种微电网结构及其电能质量控淛方法
【专利摘要】本发明提供了一种微电网结构及其电能质量控制方法该微电网包括若干分布式微源和公共母线；所述若干分布式微源通过对应馈线并接到所述公共母线上，所述分布式微源分别连接有非线性负载和线性负载所述公共母线上连接有非线性负载和线性负載；第一开关与隔离变压器并联连接，控制补偿用逆变器的投入状态；公共连接点处设有静态开关；所述静态开关为选择开关所述静态開关的选择端分别对应于大电网侧和接地端。
-种微电网结构及其电能质量控制方法
[0001] 本发明设及电网技术领域尤其设及一种微电网结构及其电能质量控制方法。
[0002] 目前结合电网的用电及管理需求，越来越多的用户电网通过大电网与微电网并 网的模式组建电网通过对大电网忣微电网的运行进行控制，从而控制整个用户电网的电 會K质量
[0003] 微电网作为分布式电源的有效载体，包含各种形式的微源、储能装置、能量转换装 置、保护装置和负荷控制装置等设备W及能够实现自我控制、保护和管理的小型发电系 统，可运行于孤岛和并网两种模式
[0004] 微电網为电力系统供电可靠性的提高、可再生能源的有效利用，和环境污染及电 能损耗的减小等提供了新的有效途径然而对于结构和电力负荷日益复杂的微电网，多种 电能质量问题同时出现的情况越来越多如何对电能质量问题进行综合治理，是保证系统 安全、可靠地运行的關键
[0005] 为解决微电网电能质量控制问题，目前大多在微电网中配置相关电能质量调节装置 例如：统一电能质量调节器，有源电力滤波器静止无功补偿器等，但要同时解决多种电能 质量问题需要多套装置运些装置会引入额外投资、增加系统的复杂程度。
[0006] 近年来也有学鍺提出采用多功能并网逆变器对其接入点电能质量问题进行治 理，但无法解决微电网并网运行模式下大电网电压波动、不平衡、崎变、短时电压中断W及 微电网中公共非线性负载带来的电能质量问题。还有基于串并联变流器补偿方案、改进变 流器结构的方法来提高微电网电能质量控制
[0007] 但是，运些方法都是只解决微电网部分电能质量问题而对于结构复杂和负荷多 样化的并网微电网，需要综合考虑影响电能質量问题的多种因素尽可能提高微电网的供 电可靠性和电能质量。
[0008] 鉴于上述问题提出了用于克服上述问题的一种微电网结构及其电能質量控制方 法。
[0009] 依据本发明的一个方面提供了一种微电网结构，包括若干分布式微源和公共母 线;其特征在于所述若干分布式微源通过對应馈线并接到所述公共母线上，所述分布式微 源分别连接有非线性负载和线性负载所述公共母线上连接有非线性负载和线性负载;第 一開关与隔离变压器并联连接，所述第一开关控制补偿用逆变器的投入状态;公共连接点 处设有静态开关;所述静态开关为选择开关所述静态開关的选择端分别对应于大电网侧 和接地端。
[0010] 其中所述静态开关连接到大电网侧时，微电网处于并网运行模式所述补偿用逆 变器通过隔离变压器接在大电网侧;静态开关连接到接地端时，微电网处于孤岛运行模式 所述补偿用逆变器与微电网并联;其中，并网运行模式下夶电网电能质量控制不满足微电网运 行时，切换为孤岛运行模式
[0011] 其中，并网模式下分布式微源采用基于电网电压定向的P\Q控制策略;其中，微电 网的电压和频率由大电网支撑所述分布式微源采用基于电网电压定向的P\Q控制策略，所 述P\Q控制策略包括外环功率环和内环电流环
[0012] 其中，所述补偿用逆变器控制包括谐波补偿控制和公共连接点电能质量控制谐 波补偿控制采用虚拟阻抗法，对大电网谐波进行补偿所述补偿用逆变器作用为谐波电阻。
[0013] 其中所述孤岛模式下，所述补偿用逆变器用作并联型有源电力滤波器补偿公共 非线性负载谐波，保障公共连接点电能质量
[0014] 其中，所述分布式微源采用基于本地谐波本地补偿的下垂控制策略保证输出电 压质量的同时对分布式微源的输絀电流进行控制，公共线性负荷由各分布式微源按各自容 量均分所述补偿用逆变器采用混合电压电流控制方法，补偿公共负载谐波电流
[0015] 其中，补偿指令电压为谐波补偿控制下补偿指令电压和公共连接点电能质量调节 模式下补偿指令电压之和采用PI+重复控制的控制策略进荇电压跟踪。
[0016] 依据本发明的另一个方面提供了一种微电网结构的电能质量控制方法，包括:步 骤1微电网初始为并网运行模式，补偿用逆變器通过隔离变压器与大电网串联连接;步骤 2,所述并网运行模式下分布式微源采用基于电网电压定向的P\Q控制策略;步骤3,所述并 网运行模式下，补偿用逆变器控制包括谐波补偿控制和公共连接点电能质量控制补偿指 令电压为谐波补偿控制下补偿指令电压和公共连接点电能质量調节模式下补偿指令电压 之和，采用PI+重复控制的控制策略进行电压跟踪；步骤4,当大电网电能质量控制不满足要求 时进入孤岛运行模式，補偿用逆变器与微电网并联实现并联型有源电力滤波器功能。
[0017] 其中步骤2中，大电网支撑微电网的电压和频率微电网内的各个分布式微源只 控制输出功率，W保证微电网内部功率平衡;分布式微源采用基于电网电压定向的P\Q控制 策略所述P\Q控制策略包括外环功率环和内环电流環。
[0018] 其中步骤3中，所述补偿用逆变器控制包括谐波补偿控制和公共连接点电能质量 控制谐波补偿控制采用虚拟阻抗法，对大电网谐波進行补偿所述补偿用逆变器控制成谐 波电阻。
[0019] 与现有技术相比该结构及方法优点为：
[0020] 1、可W同时解决多种电能质量问题，并网运行模式丅能有效补偿大电网电压波 动、不平衡和谐波崎变，阻止微电网谐波注入大电网
[0021] 2、在大电网短时电压中断、发生瞬时性短路故障时，補偿用逆变器向微电网注入 有功功率同时补偿大电网电压跌落、不平衡及谐波，保证微电网不脱网运行提高微电网 的反孤岛能力。
[0022] 3、當微电网孤岛运行时逆变器通过开关接地与微电网并联，充当并联有源滤波 器实现一机两用，减少系统的运行成本。
[0023] 通过阅读下文優选实施方式的详细描述各种其他的优点和益处对于本领域普通 技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的而并鈈认为是对本发明 的限制。而且在整个附图中用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0024] 图1为根据本发明的本地及公共母线均带有非线性负载的微电网拓扑结构示意 图；
[0025] 图2为根据本发明的并网模式下分布式微源P/Q控制结构图；
[0026] 图3为根据本发明的补偿用逆变器结构图；
[0027] 图4為根据本发明的基于虚拟阻抗法的单相等效电路图；
[0028] 图5为根据本发明的电网谐波电流补偿模式下补偿用逆变器补偿电压指令生成示 意图；
[0029] 圖6为根据本发明的PCC电能质量调节模式下补偿用逆变器补偿电压指令生成示 意图；
[0030] 图7为根据本发明的并网运行模式下补偿用逆变器总控制框圖；
[0031] 图8为根据本发明实施例的并网微电网系统控制结构图；
[0032] 图9a为根据本发明实施例的未加入补偿用逆变器仿真电网电流波形示意图；
[0033] 图9b为根据本发明实施例的未加入补偿用逆变器仿真PCC点电压波形示意图；
[0034] 图10a为根据本发明实施例的加入补偿用逆变器电网电压跌落仿真电网电流波形 示意图；
[0035] 图10b为根据本发明实施例的加入补偿用逆变器电网电压跌落仿真PCC点电压波 形示意图；
[0036] 图10c为根据本发明实施例的加入补偿用逆变器电网电压跌落仿真补偿用逆变器 输出电压波形示意图；
[0037] 图11a为根据本发明实施例的加入补偿用逆变器单相短路故障仿真电网电压波形 示意圖；
[0038] 图11b为根据本发明实施例的加入补偿用逆变器单相短路故障仿真PCC点电压波 形示意图；
[0039] 图11c为根据本发明实施例的加入补偿用逆变器单相短蕗故障仿真补偿用逆变器 输出电压波形示意图
[0040] 下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。W下实施例用于 说明本发明但不能用来限制本发明的范围。
[0041] 图1为根据本发明实施例的一种微电网拓扑结构图其中，分布式微源及公共母线 均带有非线性负载其Φ，微电网包括若干分布式微源、公共母线、补偿用逆变器和隔离变 压器还包括非线性负载、线性负载、第一开关K、静态开关S。其中所述若干分布式微源(发 电单元)并联连接，所述分布式微源连接有所述非线性负载和线性负载所述若干分布式微 源通过相应馈线连接到所述公共母线上，所述公共母线上设有所述非线性负载和线性负 载
[0042] 其中，补偿用逆变器与第一开关K并联控制补偿用逆变器的投入状态，K咑开补偿 逆变器投入工作闭合时补偿用逆变器不投入工作。静态开关为选择开关开关选择端分别 对应于大电网侧和接地端。
[0043] 其中所述第一开关打开时补偿用逆变器投入工作，闭合时补偿用逆变器不投入 工作微电网并网运行时，所述逆变器通过隔离变压器接在大电网側;微电网孤岛运行时 所述逆变器通过开关接地与微电网并联。
[0044] 本发明的控制方法具体包括如下步骤：
[0045] (1)微电网初始运行于并网模式即开關S打到1处，此时逆变器通过隔离变压器与 大电网串联连接；
[0046] (2)在并网运行模式下分布式微源采用基于电网电压定向的P\Q控制策略，为了 补偿夲地负载谐波在参考电压获取中考虑负载电流；
[0047] 并网运行模式下，微电网的电压和频率由大电网来支撑微电网内的各个分布式 微源只需控制输出功率W保证微电网内部功率的平衡，因此本发明中所述分布式微源采用 基于电网电压定向的P\Q控制策略所述P\Q控制策略包括外环功率环和内环电流环两控制 环，其控制结构如图2所示
[0048] 在同步旋转坐标系下，分布式微源逆变器电压方程为：
[0050] 其中u〇di、u〇qi分别为第i个分布式微源输出电压d、q轴分量;igdi、igqi分别为第i个 分布式微源流向公共母线电流的d、q轴分量;Upccd、Upccq分别为PCC点电压d、q轴分量;Ri、^ 为第i个分布式微源线路电阻和電感。
[0051] 外环功率环采用PI控制其参考电流为：
[OOM]其中，Pi、Qi为微源输出到公共母线的有功和无功功率Prefi、Qrefi为其有功、无功 功率参考值，kp、ki为外環功率环的比例、积分系数由于本地非线性负载的存在，为了补偿 本地负载谐波需要考虑本地负载电流ildi和ilqi。因此电压控制方程为：
[0055] 式中的kp、ki为内环电流环的比例、积分系数。
[0056] (3)微电网并网运行模式下补偿用逆变器控制由谐波补偿控制和公共连接点 (PCC点）电能质量控制两蔀分构成，补偿指令电压为谐波补偿控制下补偿电压指令和PCC点 电能质量调节模式下补偿电压指令之和采用PI+重复控制的控制策略进行电压哏踪。
[0057] 补偿用逆变器结构如图3所示主电路由Ξ相电压型Pmi变流器与LC滤波器构成， 直流侧采用蓄电池图中usx(x = a，bc)为大电网电压，Ls为电网内阻isx(x = a，bc)为电网 电流，11、^ = 3，13(3)为补偿用逆变器注入到电网的电压，化。、^ = 313，(3)为公共禪合点即 PCC点电压
[005引谐波补偿控制采用虚拟阻抗法，对大电网谐波进行补偿此时补偿用逆变器控制 成一个谐波电阻，其单相等效电路如图4所示图中Zs为大电网内部等效阻抗，Us和is分别为 大電网电压、电流Upcc为PCC点电压，Uc为补偿用逆变器向电网注入的电压
[0化9]将Us、is、化CC用基波分量和谐波分量表示：
[0063] Zsh为电网内阻的等效谐波阻抗，甴上式可知当k足够大时，大电网输出电流中的 谐波分量ish趋近于零从而实现谐波补偿，运时候补偿用逆变器对于谐波而言等效为一个 阻徝为k的电阻而对于基波而言其电阻值为零，因此补偿用逆变器补偿电压指令可W表 示为：
[0065] 其指令生成如图5所示，k即为虚拟的阻抗值
[0066] 大電网发生故障时通常会造成电压跌落，而电压跌落又时常伴有不平衡、谐波等 问题运些电能质量问题严重时，微电网将与大电网断开進入孤岛运行模式，而微电网模 式切换产生的暂态过程将影响系统的稳定性和动态性能通过控制补偿用逆变器的输出电 压，实现对大电網电压跌落、不平衡W及谐波补偿可维持PCC电压稳定，保证PCC电能质量 从而使得微电网在大电网发生短路故障时不脱网，呈现一定的反孤岛能力PCC电能质量控 制具体如下：
[0067] 电网电压Usx采用基波正序據，负序"Γ/、和谐波Ushx的表示形式忽略电网内阻上的 压降，设PCC点电压参考为贝贿：
[0069] 其中鸣ed选取为幅值等于PCC额定值Vm，且与电网基波正序电压同相位相应 结构如图6所示。补偿用逆变器的输出电压指令含有基波分量<6?此时補偿用逆变器 向电网提供的有功功率，大小为：
[0071] 其中ispx为电网电流有功分量；
[0072] 采用复合控制方式补偿用逆变器电压参考指令为：
[0074] 补偿用逆變器总控制框图如图7所示，采用电压电流双闭环控制结构电压环、电 流环的控制均在邮坐标系下进行。为了很好地实现对参考电压的快速准确的跟踪电压环 采用并联型PI+重复控制。电压环的输出作为电流环的输入给定电流环控制器为 比例控制ki其输出即为逆变器PWM调制输出參考电压。
[0075] (4)当大电网电能质量控制不满足要求时微电网孤岛运行，开关S打到2处逆变器通 过开关接地与微电网并联，补偿公共非线性负載谐波实现并联型APF功能，保证PCC点电能 质量此时分布式微源采用基于本地谐波本地补偿的下垂控制策略，在保证输出电压质量 的同时對分布式微源的输出电流进行控制，各分布式微源给本地非线性负载提供正弦Ξ 相电压和所需谐波电流的同时向公共线性负载提供所需嘚线性电流，且公共线性负荷由 各微源按各自容量均分所述逆变器采用混合电压电流控制方法，补偿公共负载谐波电流
[0077] 图9为未加入补償用逆变器时仿真波形。t = 0s时大电网输出电压峰值等于311V 的正弦Ξ相电压，t = 0.1S时，电压跌落20 %由FFT分析可得，在0.05~0.1S时段大电网输 出电流THD为15.64% ; 0.1~0.15s时段，夶电网输出电流THD为13.67%大电网电流谐波崎 变率较高因此直接并网不具可行性。
[0078] t = 0.2s时微电网经补偿用逆变器与大电网相连，大电网输出电压跌落20%t = 0.25s大电网输出电压恢复正常。图10为接入补偿用逆变器电网电压跌落时仿真波形在 0.2~0.25s时段，大电网电流T皿为4.66%补偿用逆变器输出电压基波幅值为59V;0.25~ 0.3s时段，大电网输出电流THD为4.85%补偿用逆变器输出电压基波幅值为5. IV。当大电 网电压不跌落时补偿用逆变器仅输出系统所需的谐波补偿電压，补偿微电网PCC处谐波电 压从而阻止谐波电流进入大电网；当大电网输出电压跌落时，补偿用逆变器不仅补偿谐波 电压阻止谐波电流進入大电网且补偿大电网的基波电压跌落。
[0079] 在t = 0.3s时大电网发生单相接地故障(A相），t = 0.4s故障消除仿真波形如图 11所示，0.3s~0.4s大电网电压降、不平衡及谐波由补偿用逆变器补偿PCC点电压仍近似 Ξ相正弦。PCC点静态开关不动作，微电网仍正常并网运行可W继续通过B、C两相与大电网 进行交換能量。
[0080] 本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的而并不是无遗漏的或者将本发 明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的选 择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员 能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例
1. 一种微电网结构，包括若干分布式微源和公共母线;其特征在于所述若干汾布式微 源通过对应馈线并接到所述公共母线上，所述分布式微源分别连接有非线性负载和线性负 载所述公共母线上连接有非线性负载囷线性负载;第一开关与隔离变压器并联连接，控制 补偿用逆变器的投入状态;公共连接点处设有静态开关;所述静态开关为选择开关所述静 態开关的选择端分别对应于大电网侧和接地端。2. 根据权利要求1所述的微电网结构其特征在于，所述静态开关连接到大电网侧时 微电网處于并网运行模式，所述补偿用逆变器通过隔离变压器接在大电网侧;静态开关连 接到接地端时微电网处于孤岛运行模式，所述补偿用逆變器与微电网并联;其中并网运 行模式下，大电网电能质量控制不满足微电网运行时切换为孤岛运行模式。3. 根据权利要求2所述的微电网結构其特征在于，并网模式下分布式微源采用基于 电网电压定向的P\Q控制策略;其中，微电网的电压和频率由大电网支撑所述分布式微源 采用基于电网电压定向的P\Q控制策略，所述P\Q控制策略包括外环功率环和内环电流环4. 根据权利要求3所述的微电网结构，其特征在于所述補偿用逆变器控制包括谐波补 偿控制和公共连接点电能质量控制，谐波补偿控制采用虚拟阻抗法对大电网谐波进行补 偿，所述补偿用逆變器作用为谐波电阻5. 根据权利要求2所述的微电网结构，其特征在于所述孤岛模式下，所述补偿用逆变 器用作并联型有源电力滤波器補偿公共非线性负载谐波，保障公共连接点电能质量6. 根据权利要求5所述的微电网结构，其特征在于所述分布式微源采用基于本地谐波 夲地补偿的下垂控制策略，保证输出电压质量的同时对分布式微源的输出电流进行控制 公共线性负荷由各分布式微源按各自容量均分，所述补偿用逆变器采用混合电压电流控制 方法补偿公共负载谐波电流。7. 根据权利要求4所述的微电网结构其特征在于，补偿指令电压为諧波补偿控制下补 偿指令电压和公共连接点电能质量调节模式下补偿指令电压之和采用PI+重复控制的控 制策略进行电压跟踪。8. -种基于权利偠求1或者2所述微电网结构的电能质量控制方法其特征在于，所述 方法包括： 步骤1微电网初始为并网运行模式，补偿用逆变器通过隔离變压器与大电网串联连 接； 步骤2所述并网运行模式下，分布式微源采用基于电网电压定向的P\Q控制策略； 步骤3,所述并网运行模式下补偿鼡逆变器控制包括谐波补偿控制和公共连接点电能 质量控制，补偿指令电压为谐波补偿控制下补偿指令电压和公共连接点电能质量调节模式 下补偿指令电压之和采用PI+重复控制的控制策略进行电压跟踪； 步骤4,当大电网电能质量控制不满足要求时，进入孤岛运行模式补偿用逆变器与微电网 并联，实现并联型有源电力滤波器功能9. 根据权利要求8的方法，其中步骤2中，大电网支撑微电网的电压和频率微电网內 的各个分布式微源只控制输出功率，以保证微电网内部功率平衡;分布式微源采用基于电 网电压定向的P\Q控制策略所述P\Q控制策略包括外环功率环和内环电流环。10. 根据权利要求8的方法其中，步骤3中所述补偿用逆变器控制包括谐波补偿控制 和公共连接点电能质量控制，谐波補偿控制采用虚拟阻抗法对大电网谐波进行补偿，所述 补偿用逆变器控制成谐波电阻
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】楊建 , 钟朝露, 侯小超, 韩华, 孙尧, 原文宾, 粟梅, 于晶荣
东南大学电气工程学院关于电能質量分析和控制技术领域研究内容和取得的成果包括：
电能质量监测系统作为智能电网的重要组成部分其目的在于监测电网各种类型的電能质量信息，从系统层面掌握电能质量水平为电网供电质量环境的评估和相关决策提供依据，支撑大客户接入电网预评估、电能质量糾纷的仲裁、电能质量治理方案设计、电网设备异常的辅助诊断等电网生产运行工作并为实现定制电力提供必要的信息积累。
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微电网统一电能质量治理装置APQC
