第３５卷第１期 黑龙江电力 Ｖｏｌ＿３５ Ｎｏ．１ ２０１３年２月 ＨＥＩＬＯＮＧＪＩＡＮＧ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ Ｆｅｂ．２０１３ 基于逆变器控制的微电网谐波抑制技术研究 徐静，王鹤，杨悦，王 阳 （东北电力大学电气工程学院，吉林吉林１３２０１２） 摘要：微电网包含各种分布式电源和大量的非线性负载，会造成严重的谐波污染。为此，提出了一种使分布式电源逆变器 在微电网系统中具有谐波抑制功能的策略。该策略选用较为精确的基于同步坐标变换的谐波检测方法，在逆变器的控制系 统电压环设计中加入一个虚拟阻抗回路，使逆变器在输送功率的同时能够抑制系统中的谐波。采用ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ软件搭 建仿真平台对微电网正常运行和切／增负荷情况下系统中的谐波进行仿真研究。结果表明，提出的谐波抑制策略能够对微电 网中的谐波进行有效抑制，提高了电能质量。 关键词：微电网；逆变器；谐波检测；虚拟阻抗回路；谐波抑制 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２—１６６３（２０１３）０１—００５５—０４ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｍｉｃｒｏｇｒｉｃｄ ＸＵ Ｊｉｎｇ，ＷＡＮＧ Ｈｅ，ＹＡＮＧ Ｙｕｅ，ＷＡＮＧ Ｙａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０１２，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｎｏｎ—ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄ ｉｎ ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ ｗｉｌｌ ｌｅａｄ ｔｏ ｓｅｒｉｏｕｓ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｔｏ ｅｎａｂｌｅ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎ ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ ｔｏ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｐｏｗｅｒ ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ａ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｈｉｃｈ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｒｅｌａ－ ｔｉｖｅｌｙ ａｃｃｕｒａｔｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ａｎｄ ａｄｄｓ ａ ｖｉｒｔｕａｌ ｉｍ－ ｐｅｄａｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｌｏｏｐ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｕｎｄｅｒ ｎｏｒｍａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｏａｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ／ｓｈｅｄｄｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｓ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎ ｍｉｃｒｏ一 ｄ ａｎｄ ｅｎｈａｎｃｅｓ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ，ｍｉｃｒｏ—ｇｒｉｄ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ；ｖｉｒｔｕａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ 近年来，微电网得了越来越多的研究和广泛应 固有电感来吸收一定频率的谐波电流，但如果非线 用 －３］。微电网中微电源不仅种类繁多，而且数量 性负载离逆变器较远，可能导致不同分布式电源的 也越来越大。微电网的容量一般较小，通常需要电 逆变器问不能共享谐波电流。 力电子设备与常规配电网联网运行。因电压等级 本文针对微电网内的微电源大都通过逆变器 和自身的原因，微电网一般位于低压配电网的末 接到馈线上的特点…，根据逆变器与静止无功发生 端。低压电网中有大量的非线性负载，所以微电网 器（ＳＶＧ）和有源电力滤波器（ＡＰＦ）相似的拓扑结 具有特殊的网络性质和运行特点 。 构，在逆变器的控制系统中加入了对谐波抑制与补 微电网在实际运行中需要解决的问题之一就 偿的相应控制算法，选择提取馈线公共连接点 是抑制谐波污染问题 。如何对谐波和三相不对 （ＰＣＣ）的电流和较为精确的基于同步坐标变换的 称电压进行抑制与补偿，保证微电网能提供稳定的 谐波检测方法，以Ｕ／ｆ控制单元 采用基于下垂特 优质电能，文献［７］给出了一个能够提高电压波形 性的控制基础为例，给出了相应的控制器设计方 的单相分布式电源，用一个有源电力滤波器来补偿 法。利用ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ软件搭建微电网仿真实 电压谐波，但不能直接应用于三相三线制或三线四 验平台，仿真结果表明，本文提出的谐波抑制策略 线制的微网系统。文献［８］提出用逆变器作为一个 能对微电网中的谐波进行有效抑制，有利于微电网 在提高电能质量的同时减少电力投资。 收稿日期：２０１２—０９—２６ 作者简介：徐静（１９８７一），男，硕士研究生，研究方向为分布式电 源的建模与仿真、微网的运行与控制。 ・５６・ 黑龙江１微电网结构 本文研究的微电网结构如图１所示。图中含 有３个分布式电源，都假设为直流源或整流后的直 流源，且一般需要配备储能装置来提高供电质量。 后经正弦脉冲调制（ＳＰＷＭ）的逆变器逆变为三相交 流电，滤波器用于滤掉微电网中的高次谐波，再与 电力电子设备、控制装置、负荷和开关组构成微电 网，也可经变压器连接到配电网络。为方便分析谐 波，本文的分布式电源逆变器均采用Ｕ／ｆ控制 方法。 逆变器滤波器 图１微电网结构 ２基于同步坐标变换的谐波电流检测 由于微电网中的分布式电源较多和电力电子装 置的广泛应用，微电网系统中谐波和三相不对称问题 日益严重，其谐波电流的检测效果直接关系到系统的 谐波抑制与补偿性能。因此本文选用较为精确的基 于同步坐标变换的谐波电流检测方法 ，在三相电 压不对称或畸变时，无须对三相电压进行锁相和滤 波，避免了由此带来的检测误差，更可直接应用于三 相三线或四线系统的谐波综合抑制与补偿。 假设馈线公共连接点（ＰＣＣ）电压的ａ相初相角 为 ，经推导后可知，三相电压和电流的基波正序 分量在ｄｑｏ轴上的值为常量。因此ａｂｃ坐标系下时 变的基波正序电压和电流可分别表示为ｄｑｏ空间的 静止矢量 和，，如图２所示。 由图２可知，将ｄｑｏ坐标系逆时针旋转 角度 后，ｄ轴便与基波电压矢量 重合，此时矢量，在ｄ 和ｑ轴上的分量即为基波正序有功电流， 和无功 电流，向， 为从ａｂｃ到ｄｑｏ坐标系的新变换矩阵。 ｒ ｃｏｓ（ｓｔ ）ｃｏｓ｛ｚｔ 一２ ）ｃｏｓ（￣ｔ ９ ＋２ ）１ ｒ ＝÷ｌ—ｌ ｓｉｎ（ｔｏｔ ）一ｓｉｎ（￣ｏｔ 一２ ）一ｓｉｎ（ｔｏｔ ＋２ ）ｌ（１） ｌ／２ １／２ 】／２ ｊ 电力 第３５卷 ， 、 、Ｉ Ｕ 图２基波正序电压和电流在由０坐标系的矢量表示 所以，静止坐标系下的 和 分别为 ］（２ ［ 兰］＝一 ［ ｉ 三 三三 ＋－２ ＂ｒ／３） ］ｃ３ ・ ＿ ・ ・ ’ ＿ ・ 。 一 ｄ ｎ咖一 加， ｂ ６一 一 帕’ ・＾ ・ ・ ・ — ｃ ｃ咖一 幽 式中 、 、 分别为母线５处的三相负载电流。 整个谐波检测原理如图３所示。 图３谐波电流的检测原理 ３微电网中谐波抑制策略的实现 由于分布式电源一般配备储能装置来维持直 流电压的稳定，分布式电压所在的支路可用图４的 等效电路进行分析。图５为功率控制器的结构框 图，图６为具有谐波抑制功能的控制系统。 在图５中，因频率信号易于测量，故采用频率 代替相角控制。分布式电源的输出功率作为功率 第１期 徐静，等：基于逆变器控制的微电网谐波抑制技术研究 图４分布式电源具有谐波抑制功能的Ｕ／ｆ控制示意图 ０ ３ｖ ｔｏ ａｂｃ 图５功率控制器的结构框图 图６具有谐波抑制功能的电压电流环 控制器结构框图 控制器中的输入功率，其中尸和Ｑ的上下限如图５ 所示。参考电压相角和幅值经过矢量变换，作为电 压电流环的负载电压参考值。 在图６中，负载参考电压经过派克变换为两相 旋转电压，同时将检测并经派克变换后的谐波电流 增益为电压，作差后再采用ＰＩ控制器以提高系统的 稳态性能，同时为了提高系统的动态响应速度，电 流环采用Ｐ控制器。最后得到逆变器需要的电压 调制信号，通过派克变换为静止坐标系下的三相电 压。逆变器不仅可以输出稳定的功率，而且可以实 现微电网中的谐波抑制。 ４仿真实验与分析 ４．１仿真参数 采用ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ仿真软件搭建了微电网 仿真实验平台，对微电网中的谐波抑制与补偿进行 仿真研究。共有３个算例，采用图１中的微电网结 构，微电网侧的３条线路均为３８０ Ｖ线路，其参数为 Ｒ＝０．６４１ ｋｍ，Ｘ＝０．１０１ Ｄ．／ｋｍ，３条线路长度 分别２００、４００和２００ ｍ。配电网侧线路为１０ ｋＶ线 路，其参数Ｒ＝０．３４７￣Ｑ／ｋｍ，Ｘ＝０．２３４ ５ Ｄ．／ｋｍ，长 度为１ ０００ ｎｌ。４个负载参数分别为Ｐ．＝１０ ｋＷ， Ｑ１＝５ ｋＶａｒ，Ｐ２＝５ ｋＷ，Ｑ２＝０ ｋＶａｒ，Ｐ３：１５ ｋＷ， Ｑ ＝５ ｋＶａｒ，Ｐ２＝３０ ｋＷ，Ｑ ＝１０ ｋＶａｒ。电网系统频 率为５０ Ｈｚ，载波频率为３ ０００ Ｈｚ，滤波电感 和电 容ｃｒ的值分别为０．６ Ｈｍ，１ ５００ 。下垂控制系数 为１／ａ＝１０～，１／ｂ＝３ Ｘ １０～。虚拟阻抗回路参数 ：Ｋ４＝１５，逆变器均采用Ｖ／ｆ控制方式，控制参数 为Ｋ ＝ ：５， １＝ ＝１０，Ｋ ＝Ｋ ：１００。 ４．２仿真结果 仿真１：微电网正常运行且负载无变化，谐波抑 制在０．４ ｓ时投入运行，仿真结果如图７所示。 Ｉａ腓ｆ．ｉ缱波 Ｏ．１５０ Ｏ．１Ｏ０ 一、０．０５０ ０．０００ ．０．０５０ ．０ ０ｌＯ ．０ ｌ５０ ０．３６０ ０．３８０ ０．４００ ０．４２０ ０ ４４０ ０．４６０ ０．４８０ ａ Ａ相的电流和基波电流 ０ ０ ｉ ０ ０ ・０ －０ ．０ 舾—— ——— 卜ｉｌ｛一 一—＿１— ０．３６０ ０．３８０ ０．４００ ０．４２０ ０．４４０ ０．４６０ ｂ三相谐波电流 ０．４０ ０ ３０ Ｏ ２０ Ｏ．１０ Ｏ．００ ．０．１０ ．Ｏ．２Ｏ 一０＿３０ ．０ ４０ Ｏ．３７０ ０．３８０ ０．３９０ ０ ４００ ０．４１０ ０．４２０ ０．４３０ ０．４４０ Ｃ母线５的电压 图７母线５处的电流和电压（算例１） ・５８・ 黑龙江电力 第３５卷 图７ａ表明，母线５处Ａ相电流在谐波抑制前明 显有谐波畸变。０．４ ｓ时投入谐波抑制，Ａ相电流波 形得到了明显的改善，谐波电流也得到了明显的抑 制。图８ｃ也说明三相电压波形依旧平滑，并没有出 现电压闪变现象。由此可见，谐波抑制策略在负载 变化时响应迅速，对微电网中的谐波电流抑制的效 果不受干扰。 制，其波形基本与基波保持一致。 图７ｂ更清晰地表明，各相的谐波电流得到了 ５ 结 论 明显的抑制。图７ｅ也表明了母线５处的电压在谐 波抑制后，电压波形得到了明显的改善。由此可 见，本文提出的谐波抑制策略在抑制微电网中的谐 波和提高供电质量方面均十分有效。 仿真２：谐波抑制投入运行，负载４在０．４ ｓ时 接入微电网，相应结果如图８所示。 在谐波抑制策略下，由图８ａ可知，负载４在接 人时，Ａ相电流波形虽然出现了很小的冲击电流，但 在短时间内得到了抑制。图８ｂ表明，在接入负载 后，增加的谐波电流在短时间内得到了明显的抑 相 ０．４０ｔ＂Ｉａ……… …… … …… 一…～ 嫘…一……、…，… ～ 翳 蠲酝 ０．３５０ ０．４００ ０．４５０ ０．５００ ０．５５０ ０．６００ ａ Ａ相电流和谐波电流 谐波电流 －口相谐波电流 －嘲谐波电流 ・６相谐波电流 ０．０９０ ０．０６０ ｛｛ ｝ ｛ ０．０３０ ｛｝ ｝ ｌｉ ０．０００ ｛ ．０．０３０ ｝．０．０６０ 、０．０９０ ｛ｌ ．０．３００ ０．４００ ０．５００ ０．６００ ０．７００ ｂ三相谐波电流 Ｏ ０ ０ ０ ０ ．Ｏ ．Ｏ ．０ ．０ ０．３７０ ０．３８０ ０．３９０ ０．４００ ０．４１ ０ ０．４２０ Ｏ．４３０ ０．４４０ Ｃ母线５处的电压 图８母线５处的电流和电压（算例２） 提出的基于逆变器控制的谐波抑制策略，选用 基于同步坐标变换的谐波检测方法，在三相电压不 对称或谐波畸变时均能对微电网中的谐波进行实 时和精确的检测，为有效抑制谐波提供了条件。在 逆变器的电压环设计中加人虚拟阻抗回路约束逆 变器在所有阶次的谐波前呈强电阻性阻抗，使逆变 器不仅能够正常输送功率，而且充分利用其冗余容 量对谐波进行有效抑制。在降低投资和提供高质 量电能的同时，能够更促进微电网的广泛应用。 参考文献： ［１］ 黄伟，孙昶辉，吴子平，等．含分布式发电系统的微网技术研究 综述［Ｊ］．电网技术，２００９，３３（９）：１４—１８，３４． ［２］ 王成山，郑海峰，谢莹华，等．计及分布式发电的配电系统随机 潮流计算［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（２４）：３９—４５． ［３］ 朱鹏程，刘黎明，刘小元，等．统一潮流控制器的分析与控制策 略［Ｊ］．电力系统自动化，２００６，３０（１）：４５—５１． ［４］ 雷力之，鲁希娟．微网电能质量特点及有源滤波方式研究综 述［Ｊ］．湖南电力，２００９，２９（５）：５９—６２． ［５］ ＥＮＳＬＩＮ Ｊ Ｈ Ｒ，ＨＥＳＫＥＳ Ｐ Ｊ Ｍ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ａ ｌａｒｇｅ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｎｅｔｗｏｒｋ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，２００４，１９（６）：１５８６— １５９３． ［６］ 丁明，郭学风．含多种分布式电源的弱环配电网三相潮流计算 ［Ｊ］．中国电机工程学报，２００９，２９（１３）：３５—４０． ［７］ ＣＩＲＲＩＮＣＩＯＮＥ Ｍ，ＰＵＣＣＩ Ｍ，ＶＩＴＡＬＥ Ｇ．Ａ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ＤＧ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｕｎｉｔ ｗｉｔｈ ｓｈｕｎｔ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌｔｅｒ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｂｙ ａｄａｐｔｉｖｅ ｎｅｕｒａｌｆｉｌｔｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ｅｌｅｃ，２００８，５５（５）： ２０９３—２１１０． ［８］ ＢＯＲＵＰ Ｕ，ＢＬＡＡＢＪＥＲＧ Ｆ，ＥＮＪＥＴＩ Ｐ Ｎ．Ｓｈａｒｉｎｇ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎａｒ ｌｏａｄ ｉｎ ｐａｒａｌｌｅｌ—ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ａｐｐｌｉｃａｔ，２０１１，３７（６）：１８１７—１８２３． ［９］王成山，肖朝霞，王守相．微网综合控制与分析［Ｊ］．电力系自 动化，２００８，３２（７）：９８—１０３． ［１０］孙驰，魏光辉，毕增军．基于同步坐标变换的三相不对称系统 的无功与谐波电流的检测［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３ （１２）：４３—４８． （责任编辑王小唯）
