采用MDNSOGI控制的qZSI-DSTATCOM的可持续并网光伏系统，以提升电能质量

《Sustainable Computing: Informatics and Systems》：Sustainable grid-connected PV system with MDNSOGI-controlled qZSI-DSTATCOM for enhanced power quality

该研究提出基于多层数字噪声消除二阶广义积分器（MDNSOGI）的智能电网控制策略，通过耦合光伏系统与DSTATCOM实现谐波抑制与电压平衡。仿真表明，MDNSOGI在降低总谐波畸变（THD＜1.2%）和电压不平衡（＜2%）方面优于传统SRF和SOGI方法，同时减少计算复杂度。

　　在当今快速发展的能源领域，随着可再生能源的广泛应用，智能电网的电力质量问题变得愈发突出。特别是随着光伏系统（PV）和分布式静态补偿器（DSTATCOM）等设备的集成，电网面临着电压不平衡、谐波污染以及非线性负载带来的系统稳定性挑战。针对这些问题，研究人员提出了一种创新的控制策略，即基于多层离散噪声消除二阶广义积分器（MDNSOGI）的控制方法。这种方法通过调节一种准阻抗源逆变器（qZSI），以实现对电网电流和电压的高效补偿，从而提升整体的电力质量。

### 电力质量挑战的背景

在现代电力系统中，非线性负载如电动机、变频驱动器和感应炉等，已经成为谐波污染的主要来源。这些设备在运行过程中会向电网注入非正弦波形的电流，从而产生大量的谐波分量。谐波的存在不仅降低了电网的效率，还可能导致电力设备过热、电机振动、敏感设备性能下降以及电子设备的共振和干扰。此外，随着智能电网中越来越多地引入分布式能源系统，如太阳能光伏阵列，电网的运行变得更加复杂，尤其是在电压不平衡和波形畸变的情况下。

电压不平衡是智能电网中一个常见的问题，尤其是在三相四线系统中，当非线性或不平衡负载被施加时，大量电流会通过中性线流动。这种现象不仅增加了中性线的负担，还可能导致电网电压波形的严重畸变。另一方面，谐波污染随着非线性负载的增加而加剧，尤其是在电网运行条件不稳定或负载变化频繁的情况下。传统的控制策略，如同步参考框架（SRF）和常规的二阶广义积分器（SOGI），在处理这些复杂情况时存在一定的局限性，尤其是在面对严重的电压不平衡或谐波污染时，它们往往无法有效抑制谐波并消除噪声。

### 传统控制策略的局限性

在过去的几十年里，为了应对电网中的谐波污染和功率质量问题，研究者们提出了多种控制策略。这些策略通常包括线性控制方法和非线性控制方法，如比例谐振（PR）控制、滑模控制（SMC）和同步参考框架（SRF）等。然而，这些传统方法在实际应用中存在诸多问题。首先，它们往往需要复杂的计算过程，这在实时控制系统中可能难以实现，尤其是在需要快速响应的场景下。其次，许多传统方法依赖于额外的硬件，如直流母线电容或电池储能系统，这不仅增加了系统的成本，还可能影响其可靠性。此外，由于这些方法的参数设置通常与电网特性密切相关，因此在面对电网参数变化时，它们的性能可能会受到影响。

另一个值得关注的问题是，传统的谐波抑制技术，如SOGI，虽然在某些情况下表现良好，但在极端不平衡或严重谐波污染的电网环境中，其效果可能大打折扣。这使得电网在面对复杂负载变化时，稳定性难以保障。此外，为了提升谐波抑制能力，一些方法需要增加直流母线电容的容量，但这又带来了更高的运营成本，同时并未彻底解决由于长时间电流畸变所导致的能源短缺问题。

### MDNSOGI控制策略的优势

为了解决上述问题，本文提出了一种基于MDNSOGI的新型控制策略。MDNSOGI是一种改进的二阶广义积分器，能够在提取电网基本电压分量的同时，有效抑制噪声和谐波。相比传统的SOGI方法，MDNSOGI通过去除导数项，降低了计算复杂度，使得其在高频率系统中的应用更加可行。此外，MDNSOGI还具有良好的动态响应能力，能够快速适应电网条件的变化，从而提升系统的稳定性。

qZSI作为一种新型的电力电子设备，具有许多优于传统电压源变换器（VSC）的特点。首先，qZSI能够以单级结构实现电力调节，从而避免了传统VSC在多级结构中常见的高开关频率问题。其次，qZSI能够在不对称或谐波电压条件下正常运行，展现出良好的被动行为特性。更重要的是，qZSI能够主动改善电压和电流波形，从而提升电网的整体性能。这种特性使得qZSI在应对非线性负载带来的谐波污染时具有显著优势。

在实际应用中，qZSI与DSTATCOM的结合能够实现更高效的电网补偿。通过调节qZSI的输出，DSTATCOM可以有效地抑制谐波电流并平衡电网电压。这种控制策略不仅能够减少电网中的谐波污染，还能够提高系统的动态响应能力和稳定性。此外，由于MDNSOGI算法的引入，这种控制方法能够减少对额外硬件的依赖，从而降低系统的成本和复杂度。

### 模型与仿真验证

为了验证MDNSOGI控制策略的有效性，研究人员在MATLAB/Simulink环境中构建了一个三相光伏供电的qZSI-DSTATCOM模型。该模型涵盖了光伏系统、非线性负载以及电网的交互过程。通过多种案例研究，研究人员评估了该控制策略在不同电网条件下的表现。其中包括电网电压的畸变、不平衡以及负载的平衡与不平衡情况。仿真结果表明，该方法能够显著降低电网电流的总谐波失真（THD），使其低于1.2%。同时，电压不平衡度也被控制在2%以下，电网电压的稳定性得到了明显提升。

此外，研究人员还通过对比实验，将MDNSOGI控制策略与传统的控制方法进行了比较。实验结果显示，MDNSOGI在谐波抑制、动态响应和系统稳定性方面均优于传统方法。例如，在面对电压骤降时，MDNSOGI能够更快地调整系统参数，从而减少对电网的冲击。而在处理非线性负载引起的谐波问题时，MDNSOGI也表现出更强的适应能力和更高的抑制效率。

### 控制方案的结构

qZSI-DSTATCOM的控制方案分为两个主要部分：一是对直流-直流升压转换器的控制，二是对qZSI本身的控制。在第一部分中，研究人员采用了扰动观测法（P&O）来优化光伏系统的最大功率点跟踪（MPPT），从而提高能源的利用效率。在第二部分中，MDNSOGI算法被用于调节qZSI的输出，使其能够精确地抑制谐波电流并平衡电网电压。通过这种方式，整个系统能够在复杂的电网环境中保持高效和稳定的运行。

在控制过程中，MDNSOGI算法的核心在于其多层结构和噪声消除能力。这种结构使得算法能够更全面地分析电网中的电压和电流信号，从而更准确地提取基本分量并抑制噪声。同时，由于MDNSOGI算法不需要使用导数项，因此其计算过程更加简单，能够在高频率系统中实现快速响应。这种特性使得MDNSOGI成为一种理想的控制方法，特别是在需要实时调节的场景下。

### 实际应用与未来展望

随着可再生能源的不断发展，电网的结构和运行方式也在发生变化。传统的电网控制方法难以满足现代电网对高效、可靠和灵活的电力管理的需求。因此，MDNSOGI控制策略的应用具有重要的现实意义。该方法不仅能够有效抑制谐波污染，还能够提高电网的电压平衡能力和稳定性，从而确保电力系统的高效运行。

此外，MDNSOGI控制策略在实际应用中还具有一定的灵活性。由于其不需要依赖复杂的硬件，因此可以更容易地集成到现有的电力系统中。这种灵活性使得MDNSOGI成为一种适用于多种场景的控制方法，尤其是在需要应对快速变化的负载条件和电网参数的情况下。

在未来的研究中，MDNSOGI控制策略可以进一步优化，以适应更加复杂的电网环境。例如，可以通过引入更多的层次结构，提高算法的精度和适应性。此外，还可以结合其他先进的控制技术，如自适应模糊逻辑控制，以实现更高效的系统调节。随着计算能力和控制算法的不断发展，MDNSOGI控制策略有望成为智能电网中不可或缺的一部分。

总之，MDNSOGI控制策略为解决智能电网中的谐波污染和电压不平衡问题提供了一种新的思路。通过结合qZSI和DSTATCOM的优势，该方法不仅能够提高电网的电力质量，还能够降低系统的复杂度和成本，从而为未来的可持续能源系统提供更加可靠和高效的解决方案。