徐文麗，鮑 偉，楊 秀，歐善科，王巨波

(1.上海電力學(xué)院，上海200090；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200080；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海200060)

基于RTDS分布式光伏接入配電網(wǎng)的諧波分析

徐文麗1，鮑 偉2，楊 秀1，歐善科3，王巨波1

(1.上海電力學(xué)院，上海200090；2.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海200080；3.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司檢修公司，上海200060)

為了更好地研究光伏發(fā)電中電力電子裝置對(duì)配電網(wǎng)諧波的影響，建立了基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)的配電網(wǎng)模型。針對(duì)幾種典型接入方式的情況下，仿真計(jì)算三相逆變器對(duì)配電網(wǎng)諧波的影響。分析了光伏接入配電網(wǎng)上不同節(jié)點(diǎn)，光伏發(fā)電不同的出力量均對(duì)配電網(wǎng)諧波造成不同程度的影響。實(shí)驗(yàn)表明，光伏并網(wǎng)與大電網(wǎng)間的公共連接點(diǎn)之間的阻抗對(duì)諧波影響很大。

RTDS；光伏；配電網(wǎng)；諧波

隨著近些年來(lái)經(jīng)常發(fā)生大面積停電和電荒現(xiàn)象，傳統(tǒng)電網(wǎng)已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出它的一系列缺點(diǎn)，如周期長(zhǎng)、投資大、可靠性不足等。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，光伏發(fā)電有可能成為最具有發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)之一。因?yàn)樘?yáng)能具有資源的無(wú)限性和分布性，并且和自然關(guān)系友好，不排放廢水廢氣，能做到真正的綠色發(fā)電，維護(hù)的成本也很低，不需要有人看守。通常光伏并網(wǎng)都會(huì)采用逆變器裝置轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的工頻交流電供給配電網(wǎng)負(fù)荷使用，而并網(wǎng)逆變器一般會(huì)采用高頻的SVPWM調(diào)制，導(dǎo)致產(chǎn)生大量的諧波進(jìn)入電網(wǎng)，這樣會(huì)對(duì)配電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生不利的影響。

光伏并網(wǎng)的復(fù)雜性和配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣性對(duì)配電網(wǎng)諧波特性的研究提出了更大的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[1]在PSCAD軟件上對(duì)同步電機(jī)供電的配電網(wǎng)進(jìn)行仿真研究，闡明了同步發(fā)電機(jī)的出力量增大有助于減少諧波畸變量。文獻(xiàn)[2]在同步發(fā)電機(jī)的非線性模型下，用解耦潮流算法對(duì)分布式發(fā)電(DG)配電網(wǎng)進(jìn)行諧波含量分析，實(shí)驗(yàn)證明在非線性DG并網(wǎng)后會(huì)注入大量諧波，引起系統(tǒng)諧波含量的增高。本文基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(RTDS)建立了光伏逆變系統(tǒng)和配電網(wǎng)模型，運(yùn)用理論分析和仿真計(jì)算，對(duì)光伏并網(wǎng)后的諧波特性進(jìn)行詳細(xì)分析。

1 仿真模型

1.1 光伏建模

圖1為具有LCL濾波功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，其中光伏列陣?yán)米畲蠊β庶c(diǎn)跟蹤 (maximum power point tracking，MPPT)電壓，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)得到并網(wǎng)有功電流的指令信號(hào)，根據(jù)有功電流的指令信號(hào)得到所需要補(bǔ)償諧波電流的指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)指令信號(hào)得到并網(wǎng)指令信號(hào)，控制逆變器工作。并網(wǎng)后的輸出電流通過(guò)LCL濾波器，不僅能將改善后的光伏有功能量注入電網(wǎng)，還能有效抑制諧波，改善電能質(zhì)量。

圖1 具有LCL濾波功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

光伏中的三相SVPWM并網(wǎng)逆變器常常采用PQ解耦控制，其原理如圖2所示。該控制采用了逆變器側(cè)電流作為內(nèi)環(huán)，并網(wǎng)側(cè)電感電流作為外環(huán)的雙電流雙環(huán)控制系統(tǒng)，同時(shí)利用同步矢量電流比例-積分(proportional integral，PI)調(diào)節(jié)器的SVPWM并網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)晶體管的開(kāi)通和關(guān)閉，使經(jīng)過(guò)LCL濾波器之后的電壓電流同頻同相，確保了光伏并網(wǎng)后注入的電流諧波總含量(total harmonic distortion，THD)符合 IEEE929-2000標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)

1.3 配電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[3]采用的是實(shí)際多節(jié)點(diǎn)純鏈?zhǔn)脚潆娋W(wǎng)的負(fù)荷模型，該負(fù)荷模型是采用恒功率靜態(tài)復(fù)合模型，但是它屬于純鏈?zhǔn)金伨€模型，不利于驗(yàn)證和分析DG接入配電網(wǎng)特性研究。圖3所示為該配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)模型和數(shù)據(jù)。該配電網(wǎng)模型被認(rèn)為是“適合于分析，設(shè)計(jì)，驗(yàn)證光伏并網(wǎng)計(jì)算的工具和技術(shù)”，能表現(xiàn)出配電網(wǎng)的各種電力特性和結(jié)構(gòu)特征。

如圖3所示，該配電網(wǎng)是一個(gè)電壓等級(jí)為0.38 kV的單鏈?zhǔn)捷椛錉罹W(wǎng)絡(luò)，其中負(fù)荷節(jié)點(diǎn)為N31，N44，N61，N91，N101。為了更好地研究其光伏并網(wǎng)對(duì)諧波特性的影響，各段輸電線路阻抗都采用恒阻抗，即RL負(fù)荷。

圖3 配電網(wǎng)模型

2 仿真結(jié)果分析

如圖4所示，采用同樣的配電網(wǎng)和負(fù)荷數(shù)據(jù)，分析DG接入位置變化對(duì)諧波總量的影響。因?yàn)镈G接入點(diǎn)與配電網(wǎng)接入大電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)(point of common coupling,PCC)間的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于配電網(wǎng)中電氣距離的等效阻抗，光伏逆變器的諧波絕大部分都流向了PCC。所以可從圖4中看出，在單一集中的光伏電池板中，DG接入節(jié)點(diǎn)之前的THD越來(lái)越大，而DG接入點(diǎn)之后的THD越來(lái)越小，但是這兩種變化程度并不一樣，也就是說(shuō)越靠近分布式光伏電池板，其THD含量越高。從總體來(lái)看，DG接入點(diǎn)越是遠(yuǎn)離PCC，其THD含量都是隨之增大。

圖4 DG位置變化對(duì)饋線諧波電壓畸變率的影響

從圖5可看出，當(dāng)光伏逆變器接入N7節(jié)點(diǎn)時(shí)，隨著光伏電池板的容量逐漸增加，配電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)THD將逐漸升高。當(dāng)負(fù)荷小于光伏發(fā)電容量時(shí)，如表1和表2所示，THD的最大值將不再出現(xiàn)在電路末端，而是在光伏逆變器的接入點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)實(shí)時(shí)仿真了在光伏接入位置不變的情況下，THD是由光伏電池板的總出力決定的。

圖5 DG接入N7出力變化對(duì)饋線諧波電壓畸變率的影響

表1 DG接入節(jié)點(diǎn)位置信息

表 2 DG的容量

3 結(jié)論

本文通過(guò)光伏逆變器和配電網(wǎng)的搭建，還有基于RTDS上的仿真計(jì)算，研究分析了光伏逆變器對(duì)配電網(wǎng)諧波的影響。首先，實(shí)驗(yàn)證明了高次諧波受光伏電池板和PCC點(diǎn)間的阻抗影響很大，阻抗越大，其對(duì)諧波的抑制作用越強(qiáng)，THD越??；離光伏接入點(diǎn)越近，其THD越大。其次，THD也受光伏電池板的總出力的影響，總出力越大，其THD越大，在此情況下，本文加入了LCL濾波器，可明顯抑制高次諧波的影響。

[1]BOMMAREDDY C,MAKRAM E.Power quality studies in the presence of DG[D].New York:Clemson University,2009.

[2]LADJAVARDI M,MASOUM M,ISLAM S.Impact of a SG nonlinear model on the harmonic distortion of a distribution generation system[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Conference.L.A:AUPES,2008.

[3]王麗萍，江波，邱飛岳.基于決策偏好的多目標(biāo)粒子群算法及其應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16(1)：140-148.

Harmonic analysis of photovoltaic access to distribution network based on RTDS

In order to better study the effect of the power electronic device of photovoltaic power generation on harmonic in distribution network,a distribution network model based on RTDS was established.According to the typical access ways, the effect of three-phase inverter on harmonic in distribution network was simulated and calculated.The PV access to distribution network with different node and the different power of photovoltaic power generation have different degrees of impact on harmonic in distribution network.Experimental study shows that the impedance between photovoltaic grid and public connection has great influence on harmonic.

RTDS;photovoltaic;distribution network;harmonic wave

TM 727

A

1002-087 X(2016)06-1260-02

2015-12-16

國(guó)網(wǎng)上海市電力公司科技項(xiàng)目(20132700815-WB01)；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(H2013-042)；“曙光計(jì)劃”(10SG51)

徐文麗(1989—)，女，湖北省人，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)暫態(tài)分析及電能質(zhì)量分析。