邢曉敏，錢智妮，龐　健

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)蒙東電科院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

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分布式電源不同接入點對配電網(wǎng)諧波特性的影響

邢曉敏1，錢智妮1，龐健2

(1.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)蒙東電科院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

摘要：逆變型分布式電源(Distributed Generation，DG)通過電力電子裝置并網(wǎng)，其接入位置的不同將給電網(wǎng)諧波特性帶來多方面影響。以在配電網(wǎng)中引入諧波電流最少為目的，先將DG進行諧波源等效，再依據(jù)最優(yōu)點選取原則，利用Matlab中提供的電力系統(tǒng)模塊在Simulink環(huán)境下搭建仿真模型，通過類比分析，歸納DG在不同接入點對配電網(wǎng)諧波分布特性影響，為后續(xù)進一步提出改善方案提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：逆變型；分布式電源；配電網(wǎng)；諧波特性

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，近年來用電負荷急劇增長，傳統(tǒng)的集中式發(fā)供電模式愈發(fā)暴露出在穩(wěn)定性和可靠性上的弊端，能源危機日趨嚴重。鑒于上述問題，一種高效、經(jīng)濟、環(huán)保的新型發(fā)電技術(shù)——分布式發(fā)電被提出并引起人們的廣泛關(guān)注和重視。

分布式電源一般指服務(wù)于當?shù)赜脩艋虍數(shù)仉娋W(wǎng)的發(fā)電站，功率為數(shù)千瓦至50兆瓦小型模塊式的，可再生或非可再生能源的發(fā)電方式[1-5]。分布式電源并網(wǎng)給配電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來了很大影響，其中對配電網(wǎng)諧波分析的影響逐漸成為大家所關(guān)注的主要問題之一[6-11]。目前對諧波方面的研究主要涉及拓撲結(jié)構(gòu)、諧波檢測方法和控制算法等方面[12-14]，在分布式電源具體安放位置等問題上很少有文獻涉及。本文結(jié)合配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)特點，針對分布式電源在配電網(wǎng)中的不同接入點，討論接入位置對系統(tǒng)諧波的影響。

1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與模型

1.1逆變型DG并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

DG可以直接連接在配電網(wǎng)上，主要包括小型柴油發(fā)電機、微型燃氣輪機、燃料電池、風力發(fā)電、光伏發(fā)電等，具有環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟、可操作等優(yōu)點。DG按并網(wǎng)特性可分為兩類，直接與系統(tǒng)相連的旋轉(zhuǎn)型和通過電力電子接口方式并網(wǎng)的逆變型。由于電力電子裝置會產(chǎn)生大量諧波電流，是公用電網(wǎng)中的主要諧波源，而通過同步發(fā)電機、異步電動機等其他方式接入產(chǎn)生的諧波電流含量不大，所以本文主要針對逆變型DG進行研究。

逆變型DG接入配電網(wǎng)過程如圖1所示，其中DCLinkVoltage代表大小隨外界條件變化而波動的直流環(huán)節(jié)，逆變后再經(jīng)濾波阻抗R+jXf接入電網(wǎng)；UPCC為并網(wǎng)公共連接點處電壓；Udc為直流母線電壓；ig為并網(wǎng)電流；Eg為電網(wǎng)母線電壓。

圖1　逆變型DG并網(wǎng)示意圖

圖2　三相PWM變流器

圖3　LV饋線配電網(wǎng)模型

1.2逆變型DG的模型

逆變型DG通常采用電力電子接口并網(wǎng)，最常采用的是電壓型三相PWM變流器，其拓撲結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，其中L表示變流器的交流濾波電感；Udc為直流側(cè)的電壓源，物理意義代表分布式電源能夠接入電網(wǎng)電能，它的大小有可能會隨著分布式電源的變化而產(chǎn)生波動，故為達到較理想的接入效果，往往需要通過PWM變流器和相應(yīng)的控制手段來實現(xiàn)，進而滿足電力系統(tǒng)并網(wǎng)要求，最終實現(xiàn)有效并網(wǎng)。

1.3配電網(wǎng)簡化模型

本文分析問題所針對的系統(tǒng)模型如圖3所示。它是歐洲一個典型的單饋線輻射狀配電網(wǎng)模型，電壓等級為0.4 kV，網(wǎng)絡(luò)中處于每個變電站以及負荷連接點的節(jié)點基本接地，在結(jié)束的側(cè)枝上，可能存在其他與之連接的變電站。

該網(wǎng)絡(luò)最大優(yōu)點是基于標準的單饋線，適用于各種類型儲能設(shè)備的連接，具有配電網(wǎng)的電氣特點和結(jié)構(gòu)特征，包括現(xiàn)實生活中公共用電網(wǎng)的重要技術(shù)特征，同時摒棄了實際網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，便于進行有效的建模和微網(wǎng)仿真的操作[15]。

2DG接入點選取方法

我國地域幅員遼闊，導致許多邊遠地區(qū)及一些農(nóng)村地區(qū)因遠離大電網(wǎng)而難以從大電網(wǎng)獲得足夠的電能供應(yīng)。采用太陽能光伏發(fā)電、風力發(fā)電和生物質(zhì)能發(fā)電等獨立分布式發(fā)電系統(tǒng)不失為一種優(yōu)選的方法?？紤]到我國電網(wǎng)的現(xiàn)實狀況和分布式電源的靠近負荷用戶的特點，擬將DG接入點選在圖3所示配電網(wǎng)模型的各個不同負荷節(jié)點上來進行對比分析。取圖3中的N31、N42、N61、N101這四個負荷節(jié)點接入分布式電源。通過對諧波特性的研究，確定本文僅采用恒阻抗模式，設(shè)定配電網(wǎng)所帶負載均為RL負載。

3仿真與實驗結(jié)果分析

本文通過各母線電壓畸變情況反映電力系統(tǒng)諧波治理效果。利用Matlab提供的電力系統(tǒng)模塊，在Simulink環(huán)境下對分布式電源并網(wǎng)逆變器進行了建模和仿真研究。給定仿真條件如下：電網(wǎng)側(cè)電壓是0.4 kV，電網(wǎng)額定頻率fs=50 Hz，分布式電源并聯(lián)接入配電網(wǎng)，其并網(wǎng)逆變器PWM三角載波頻率為1 kHz，直流側(cè)電壓Udc=0.1 kV。仿真算法選擇ode23s算法，仿真時間為0.15 s。

基于上一節(jié)采用的配電網(wǎng)模型，首先計算未接入DG時，配電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流的畸變情況，如表1所示。然后分別選擇N31、N42、N61、N101為DG的安裝點，同時計算當DG接入后其他各節(jié)點諧波畸變率，結(jié)果如表2-表5所示。

表1　未接入DG時，配電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流諧波畸變率

對比表1與表2，可以明顯看出接入DG后，各節(jié)點諧波畸變率發(fā)生改變，諧波電壓、電流均增加，變化從與接入分布式電源負荷處最近的N3開始加劇。類比表2-表5所示，不難發(fā)現(xiàn)DG接入配電網(wǎng)后，其安裝節(jié)點處的畸變率最大，流入的諧波最多，并且隨著DG安裝點的不同，對配電網(wǎng)諧波的影響也不同。安裝在配電網(wǎng)較前端負荷N31時，對配電網(wǎng)其他各節(jié)點影響??；越靠近配電網(wǎng)末端，各節(jié)點的諧波畸變率越大，DG安裝點為末端N101時，其附近的畸變率最大。

表2　DG接入N31點時，配電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流諧波畸變率

表3　DG接入N42點時，配電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流諧波畸變率

表4　DG接入N61點時，配電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流諧波畸變率

表5　DG接入N101點時，配電網(wǎng)各節(jié)點電壓、電流諧波畸變率

圖4所示，是DG未接入配電網(wǎng)時，母線末端N10點諧波含量柱形圖，可以看到主要含有的是低次諧波。圖5所示，是DG接入N101點時，N10節(jié)點諧波含量柱形圖，可以清晰的顯示出主要含有的是5、7、18、22次諧波，并且高次諧波所占比例大于低次諧波，可見逆變型分布式電源接入配電網(wǎng)時主要產(chǎn)生高次諧波。

圖4 DG未接入時,N10頻譜分析圖圖5 DG接入N101時,N10頻譜分析圖

圖6所示，是DG未接入配電網(wǎng)以及接入N31、N61、N101時所對應(yīng)的配電網(wǎng)上節(jié)點N10的電壓波形，從圖中可以明顯看出，隨著DG安裝點靠近配電網(wǎng)末端節(jié)點，末端電壓波形鋸齒增多，所受到由分布式電源帶來的諧波影響越大。

4結(jié)論

本文采用諧波畸變率和DG諧波引入函數(shù)方式來評估分布式電源對配電網(wǎng)諧波影響，并通過仿真建模比對分析DG安裝位置的改變對配電網(wǎng)諧波分布的影響，結(jié)論如下：

(1) 分布式電源接入位置越靠近線路末端，對配電網(wǎng)諧波影響越大；

(2) 分布式電源接入后，對其安裝點處諧波影響最大。配電網(wǎng)首端節(jié)點受影響小，末端節(jié)點受影響大；

(3) 分布式電源接入配電網(wǎng)，主要引入的是高次諧波；

(4) 該研究可以為逆變型分布式電源并網(wǎng)、配電網(wǎng)規(guī)劃以及配電網(wǎng)諧波治理裝備的研制提供依據(jù)。

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The Impact of Access Points Difference in DG on Harmonic Wave Characteristics of Distribution Network

XING Xiao-min1，QIAN Zhi-ni1，PANG Jian2

(1.Electrical Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.State Grid East Inner Mongolia Electric Power Research Institute，Hohhot 010020)

Abstract：Inverter interfaced distributed generation connect the distribution network through power electronic devices，the difference of access points brings out multifaceted impacts on harmonic in distributed network.To minimize the harmonic current in power distribution network，this paper first makes DG equivalent in harmonic source，then builds simulation model in Simulink through power system blockset provided by Matlab on the principle of optimum point selecting，and includes harmonic distribution characteristics when DG access different point in distribution network by analogy analysis，and provide the basis for further improvement scheme to eliminate harmonic.

Key words：Inverter Interfaced；Distributed Generation；Distribution Network；Harmonic Characteristic

收稿日期：2016-01-12

作者簡介：邢曉敏(1973-)，女，東北電力大學電氣工程學院副教授，主要研究方向：電力系統(tǒng)穩(wěn)定.

文章編號：1005-2992(2016)02-0014-05

中圖分類號：TM71

文獻標識碼：A