黃朵 林建軍 曾尚德

摘 要：微網(wǎng)并離網(wǎng)情況下，可能會(huì)因非線性負(fù)載、諧波、負(fù)荷波動(dòng)和系統(tǒng)故障等擾動(dòng)使得電能質(zhì)量受到影響。為了對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)因素進(jìn)行深入分析和探究，本文設(shè)計(jì)了一系列微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)舉例分析。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng);電能質(zhì)量;實(shí)驗(yàn)方法;擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）34-0116-03

Design of Low Voltage Grid-connected Micro-grid Power

Quality Disturbance Experiment Method

HUANG Duo LIN Jianjun ZENG Shangde

（FuJian Electric Power Technical College，Quanzhou Fujian 362000）

Abstract： Power quality may be affected by nonlinear load， harmonic wave， load fluctuation and system failure. In order to deeply analyze and explore the disturbance factors of micro grid power quality， this paper designed a series of experimental methods of micro grid power quality disturbance， and gave some examples.

Keywords： micro-grid;power quality;experiment method;disturbance experiment

1 微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)的意義

微電網(wǎng)是局部微型電網(wǎng)包含了一個(gè)電網(wǎng)應(yīng)該有的基本要素，如電源、負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)及控制保護(hù)等。正因?yàn)槲㈦娋W(wǎng)的“微小”，所以，其電能質(zhì)量較容易受到來(lái)自內(nèi)部或是外部的擾動(dòng)影響。當(dāng)前，雖然有較多學(xué)者針對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行了論述和研究，但針對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法的研究較少。由于對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生干擾的內(nèi)外部因素較多，難以一個(gè)一個(gè)地分析和討論，因此，筆者需要通過(guò)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)的特征進(jìn)行深入分析，以確定何種擾動(dòng)是微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的主因，以為微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題研究提供重要依據(jù)。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)一系列電能質(zhì)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法具有重要意義，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)數(shù)據(jù)的收集和分析，并進(jìn)一步將其作為微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)電能質(zhì)量擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，本文構(gòu)建了一個(gè)約40kW的低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主要設(shè)備包括小型光伏和風(fēng)電的微電網(wǎng)系統(tǒng)1套（含雙向儲(chǔ)能逆變器、交流并網(wǎng)柜、微電網(wǎng)緊急負(fù)荷控制裝置和儲(chǔ)能設(shè)備）、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置2臺(tái)和可調(diào)節(jié)模擬負(fù)載柜1臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線按常規(guī)低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)常模型進(jìn)行接線[1]。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，光伏發(fā)電峰值功率約為32kW，風(fēng)力發(fā)電峰值功率約為5kW，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量約為50Ah，模擬負(fù)載最大容量為50kVA。模擬負(fù)載可以實(shí)現(xiàn)諧波注入、功率因素調(diào)整及突然投切負(fù)荷的控制功能。

3 實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)

3.1 微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)下，微電網(wǎng)自動(dòng)控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置的儲(chǔ)能情況，若儲(chǔ)能未滿，則會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)PCS裝置向蓄電池充電。而發(fā)電單元的出力除向儲(chǔ)能裝置充電外，剩余部分全部饋送給所并的大電網(wǎng)。因此，為了確保微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)正常，需要確保各電流變換單元工作正常。在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，假設(shè)初始狀態(tài)為微電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)能已滿，分布式發(fā)電單元（微電源）出力正常及風(fēng)光電逆變器、雙向儲(chǔ)能逆變器等電子轉(zhuǎn)換器件工作正常。

并網(wǎng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)步驟如下。

第一步，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載功率大小，使其與微電源容量相匹配，并將調(diào)節(jié)好的模擬負(fù)載通過(guò)交流并網(wǎng)柜接入低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

第二步，在微電網(wǎng)并網(wǎng)公共連接點(diǎn)及交流母線上分別接入電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀。

第三步，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載和發(fā)電單元出力等各項(xiàng)參數(shù)，分別模擬偶次諧波、奇次諧波、電壓驟降、電壓驟升和三相平衡等擾動(dòng)因素。

第四步，每個(gè)擾動(dòng)注入10min后，由電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀采集操作切換過(guò)程中電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并由微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集各元件的功率、電壓和電流數(shù)據(jù)。

需要注意的是，在實(shí)驗(yàn)中需要將上述實(shí)驗(yàn)每個(gè)擾動(dòng)因素?cái)?shù)據(jù)重復(fù)采集4遍，收集多個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2]。

微電網(wǎng)并網(wǎng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)根據(jù)擾動(dòng)因素特征可以分為諧波擾動(dòng)和電壓擾動(dòng)。

3.2 微電網(wǎng)離網(wǎng)狀態(tài)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法

微電網(wǎng)在離網(wǎng)狀態(tài)下，大電網(wǎng)對(duì)其功率支持消失，這時(shí)微電網(wǎng)系統(tǒng)的功率平衡主要是通過(guò)微電網(wǎng)發(fā)電單元和儲(chǔ)能裝置來(lái)維持的。在發(fā)電單元出力和儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能情況會(huì)直接影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量的狀態(tài)下，考慮到微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體正常運(yùn)行，本次實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)假設(shè)發(fā)電單元出力正常，分別對(duì)微電網(wǎng)儲(chǔ)能未滿和微電網(wǎng)儲(chǔ)能已滿兩種情況進(jìn)行擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

離網(wǎng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)步驟如下。

第一步，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載功率大小，使其與微電源容量相匹配，并將調(diào)節(jié)好的模擬負(fù)載通過(guò)交流并網(wǎng)柜接入低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

第二步，將微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池充滿或是微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電池放電至60%。

第三步，在微電網(wǎng)并網(wǎng)公共連接點(diǎn)及交流母線上分別接入電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)儀。

第四步，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載的各項(xiàng)參數(shù)（電抗、電阻和電容等），分別模擬偶次諧波、奇次諧波、電壓驟降、電壓驟升和三相平衡等擾動(dòng)因素。

第四步，每個(gè)擾動(dòng)注入10min后，由電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀采集操作切換過(guò)程中電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并由微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集各元件的功率、電壓和電流數(shù)據(jù)。

3.3 微電網(wǎng)操作切換擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法

微電網(wǎng)是一個(gè)局部微型自平衡電網(wǎng)，與大電網(wǎng)相比更容易受到并網(wǎng)、離網(wǎng)、負(fù)荷投切、電源投切等操作的影響，尤其在離網(wǎng)狀態(tài)下，操作切換過(guò)程帶來(lái)的PQ變化直接影響微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。由于微電網(wǎng)并網(wǎng)下受到大電網(wǎng)支持，操作切換下總體波動(dòng)不大。為此，本文主要針對(duì)微電網(wǎng)離網(wǎng)狀態(tài)下的操作切換擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。假設(shè)微電網(wǎng)初始狀態(tài)為離網(wǎng)，發(fā)電單元出力正常、各逆變器正常和儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)能已滿。

操作切換擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)步驟如下。

第一步，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載功率大小，使其與微電源容量相匹配，并將調(diào)節(jié)好的模擬負(fù)載通過(guò)交流并網(wǎng)柜接入低壓并網(wǎng)型微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

第二步，操作并離網(wǎng)控制開(kāi)關(guān)，使微電網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)脫離。

第三步，通過(guò)監(jiān)控系統(tǒng)操作發(fā)電單元投入（退出）或是將模擬負(fù)載功率調(diào)節(jié)至一個(gè)較大值突然接入（退出）離網(wǎng)狀態(tài)下的微電網(wǎng)。

第四步，由電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀采集操作切換過(guò)程中電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，并由微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集各元件的功率、電壓和電流數(shù)據(jù)[3]。

4 微電網(wǎng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)舉例

4.1 試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)數(shù)據(jù)

依照上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建方法，搭建微電網(wǎng)擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，模擬負(fù)載為三相負(fù)荷;同時(shí)，通過(guò)交流并網(wǎng)柜接入其他實(shí)際負(fù)載，其中A相接入的負(fù)載為電腦、服務(wù)器和UPS等電子產(chǎn)品負(fù)載，B相負(fù)載為空調(diào)負(fù)載，C相主要接入的是照明和空調(diào)負(fù)載。A相接入的除模擬負(fù)載外的實(shí)際負(fù)載功率約為6kW，B相接入的除模擬負(fù)載外的實(shí)際負(fù)載功率約為6.3kW，C相接入的除模擬負(fù)載外的實(shí)際負(fù)載功率約為10kW。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，將模擬負(fù)載柜通過(guò)微電網(wǎng)交流并網(wǎng)柜接入微電網(wǎng)交流母線，調(diào)節(jié)模擬負(fù)載柜參數(shù)注入諧波，以微電網(wǎng)交流母線為主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由監(jiān)控系統(tǒng)采集到的交流母線和逆變器數(shù)據(jù)分別為交流母線三相電流，分別為A相18.15A、B相30.364A和C相17.355A，并網(wǎng)PCS電流為A相10.9A、B相9.8A和C相11.23A[4]。

然后，根據(jù)上述監(jiān)控系統(tǒng)采集到的電流大小，通過(guò)模擬負(fù)載柜注入一定比例的諧波電流。本次實(shí)驗(yàn)注入的諧波電流大小分別為3次諧波4A和5次諧波2A。通過(guò)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀獲取電流電壓波形數(shù)據(jù)，如圖1和圖2所示。

為了更好地分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)驗(yàn)擾動(dòng)注入后采集到的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，分類后主要數(shù)據(jù)包括擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)電流參數(shù)和擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)電壓參數(shù)。

①擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)電流數(shù)據(jù)：三相電流不平衡度為178.689%，三相電流總諧波畸變率A相為111.67%，其余兩相正常;三相奇次諧波電流A相為4.164A，B相為1.648A，C相為2.375A;三相偶次諧波電流A相為0.247A，B相為0.157A，C相為0.33A。

②擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)電壓數(shù)據(jù)：三相電壓總有效值A(chǔ)相為0.234kV，B相為0.238kV，C相為0.236kV;三相電壓平衡度為0.168%（合格）;三相零序電壓為0.004kV;電壓總諧波畸變率A相為1.486%，B相為1.725%，C相為2.413%，三相均合格;3次諧波電壓含有率A相為6.082%，B相為4.686%，C相為5.47%，三相均不合格;5次諧波電壓含有率A相為5.45%，B相為4.23%，C相為4.33%[5，6]。

4.2 結(jié)論

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)舉例，對(duì)比實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)與正常狀態(tài)數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，微電網(wǎng)并網(wǎng)狀態(tài)下諧波注入之后，所采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能反映當(dāng)前實(shí)驗(yàn)中所設(shè)置的擾動(dòng)參數(shù)，通過(guò)對(duì)擾動(dòng)參數(shù)的特征進(jìn)行分析，可以得到這一擾動(dòng)對(duì)電能質(zhì)量的影響情況。在本次實(shí)驗(yàn)舉例中，諧波注入交流并網(wǎng)母線后，可發(fā)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)中出現(xiàn)了電流總諧波畸變率、電壓3次諧波和5次諧波含有率略不合格的情況，且對(duì)波形進(jìn)行分析可知，電流波形出現(xiàn)明顯畸變，電壓波形出現(xiàn)局部細(xì)小鋸齒狀，波形與電流電壓報(bào)表數(shù)據(jù)吻合。由此可得出，在并網(wǎng)狀態(tài)下，若大電網(wǎng)沒(méi)有諧波污染，但微電網(wǎng)內(nèi)部出線諧波干擾將會(huì)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量造成較大影響，在分析微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)來(lái)自微電網(wǎng)內(nèi)部的諧波進(jìn)行重點(diǎn)研究分析。同時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的系列實(shí)驗(yàn)方法也可以用于驗(yàn)證一些微電網(wǎng)電能質(zhì)量控制和監(jiān)測(cè)方法是否正確可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]李富生，李瑞生，周逢權(quán).微電網(wǎng)技術(shù)及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[2]趙山，文黎星，趙偉，等.基于微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題研究[J].廣東電力，2012（10）：61-64.

[3]潘漢廣.基于運(yùn)行方式分析的微電網(wǎng)電能質(zhì)量研究[J].機(jī)電信息，2014（6）：22-23.

[4]黎金英.微電網(wǎng)分層控制及其電能質(zhì)量改善研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2015.

[5]郭芳，鄧長(zhǎng)虹，廖毅.微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問(wèn)題及其改善措施[C]//直流輸電與電力電子專委會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì).2012.

[6]闞博文，劉廣一，KHODAYAR Mahdi等.基于圖機(jī)器學(xué)習(xí)的分布式光伏發(fā)電預(yù)測(cè)[J].供用電，2019，11：20-27.