黃 力，喻恒凝，張思東，陳后全，唐 超，黃云輝（武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景及意義

近兩年來，湖北光伏發(fā)電迅猛發(fā)展，光伏并網(wǎng)容量保持高速增長。截至到2018年，湖北省光伏發(fā)電并網(wǎng)容量達(dá)到3.57×106kW，突破3×106kW，同比增長151%，全年光伏發(fā)電量4.681×109kW·h，同比增長85.28%。根據(jù)湖北省新能源汽車產(chǎn)業(yè)“十三五”發(fā)展規(guī)劃，到2020年全省新能源汽車產(chǎn)能達(dá)到50萬輛/年，需要建設(shè)充電樁19萬臺(tái)[1-4]。然而，由于分布式光伏電源和電動(dòng)汽車越來越多地接入配電網(wǎng)，會(huì)給配電網(wǎng)帶來大量諧波，對配電網(wǎng)的供電可靠性和安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響。所以，研究分布式光伏和電動(dòng)汽車同時(shí)接入對配電網(wǎng)諧波的影響，具有一定的理論價(jià)值和實(shí)際意義。

目前，不少文獻(xiàn)對分布式光伏和電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的諧波影響進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[5]說明了配電網(wǎng)中的諧波主要來源于電力電子裝置和非線性負(fù)荷，其中分布式光伏中含有大量的電力電子裝置。文獻(xiàn)[6]考慮了充電站接入對配電網(wǎng)的影響，分析了不同次數(shù)的諧波電流對充電機(jī)的疊加影響，但是未考慮對諧波總畸變率的影響。文獻(xiàn)[7]搭建了不同類型的電動(dòng)汽車充電機(jī)仿真模型，得到了諧波分布狀況，但是未考慮分布式光伏與電動(dòng)汽車同時(shí)接入對配電網(wǎng)諧波的影響。文獻(xiàn)[8]選取了分布式光伏不同并網(wǎng)位置、不同并網(wǎng)容量和電動(dòng)汽車不同接入方式3類場景，重點(diǎn)研究了分布式光伏和電動(dòng)汽車同時(shí)接入配電網(wǎng)中的諧波特性。目前，國內(nèi)外的主要研究大多集中在單獨(dú)的分布式光伏或單獨(dú)的電動(dòng)汽車接入對配電網(wǎng)諧波的影響，而對于分布式光伏電源和電動(dòng)汽車同時(shí)接入配電網(wǎng)的諧波分析不夠深入。

本文重點(diǎn)研究分布式光伏和電動(dòng)汽車同時(shí)接入對配電網(wǎng)諧波的影響，具體研究不同的并網(wǎng)位置、不同的并網(wǎng)容量和不同時(shí)段下分布式光伏電源和電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的諧波特性，建立分布式光伏和電動(dòng)汽車的諧波分析模型，并接入IEEE33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)測試系統(tǒng)中，通過快速傅里葉變換得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率分布狀況，分析諧波特性。

2 分布式光伏和電動(dòng)汽車接入配電網(wǎng)的諧波分析原理

2.1 分布式光伏接入的諧波分析

分布式光伏發(fā)電通過逆變器并網(wǎng)，發(fā)電功率受光照影響大，由此會(huì)向配電網(wǎng)注入大量的諧波電流，引起各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓畸變。分布式光伏接入配電網(wǎng)中的諧波網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。

其中，有：

設(shè)諧波電流Igh相角為θgh，以母線電壓為參考向量，則可得：

圖1 接入分布式光伏的諧波模型

式中，θh為光伏接入點(diǎn)處第h次諧波電流相角；δg為分布式光伏接入點(diǎn)的電壓相角。

由圖1可得，分布式光伏未接入線路時(shí)，接入點(diǎn)第h次諧波電壓幅值為：

在接入分布式電源后，第h次諧波電壓幅值為：

由式（4）和式（5），可得分布式光伏接入線路后在距離B母線a處的第h次諧波電壓變化量ΔUh(h≥2)為：

由式（6）可知，ΔUh＞0，當(dāng)光伏電源接入配電網(wǎng)后，諧波電壓增大，且增加量與Pg和a成正比關(guān)系；當(dāng)光伏電源接入配電網(wǎng)線路末端時(shí)，ΔUh最大。

2.2 電動(dòng)汽車充電機(jī)諧波機(jī)理分析

當(dāng)系統(tǒng)三相平衡時(shí)，三相電流波形相同，相位依次相差120°。設(shè)PWM整流電路的電源為三相對稱電源：

式中，E為三相電源電壓有效值，而三相電流也具有同樣的波形，所以把單相電流ia進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解：

各次諧波電流為：

可知，ia中只有含有6k±1次諧波，不產(chǎn)生偶次諧波?？梢姡嚯妷盒蚉WM整流式充電機(jī)的交流側(cè)的諧波具有如下特性：（1）負(fù)載阻抗越大，電流越小，諧波畸變率越大；（2）電流總諧波畸變率與功率因素成反比。

3 分布式光伏與電動(dòng)汽車接入配網(wǎng)的諧波特性分析

3.1 算例模型

當(dāng)前，我國的城鄉(xiāng)配電網(wǎng)主要為輻射式網(wǎng)絡(luò)。為了研究分布式光伏與電動(dòng)汽車的諧波特性，本文采用輻射式配電網(wǎng)IEEE33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)模型，如圖2所示。其中，節(jié)點(diǎn)1為電源點(diǎn)，其他32個(gè)節(jié)點(diǎn)均為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)。本文只選擇一條主饋線，即主要研究節(jié)點(diǎn)1～節(jié)點(diǎn)18。

圖2 IEEE33節(jié)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)配電系統(tǒng)模型

3.2 不同接入位置下的諧波分析

將分布式光伏和電動(dòng)汽車集中接于上述模型線路鄰近始端、中端和末端的節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)16，測量3種場景下的電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)分布式光伏和電動(dòng)汽車同時(shí)接入配電網(wǎng)末端節(jié)點(diǎn)時(shí)，線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流畸變率都較高，部分節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率處于較高水平，甚至超過了相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)在線路的首端時(shí)，線路的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率雖然都處在較低水平，但并網(wǎng)點(diǎn)的諧波畸變率達(dá)到5.47%，超過國標(biāo)的限值。

圖3 電動(dòng)汽車和分布式光伏集中接入不同位置下的諧波分析

將電動(dòng)汽車接在線路的末端節(jié)點(diǎn)16，選取上述饋線模型中鄰近始端、中端和末端的節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)16作為分布式光伏的接入位置，測量3種場景下的網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，分布式光伏接于首端時(shí)，線路電流諧波畸變率較小；在中端接入時(shí)，光伏接入點(diǎn)之前的節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率逐步上升，在光伏接入點(diǎn)達(dá)到最大，最大諧波畸變率大于其他兩種方案，其他節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率變化不大；在末端接入時(shí)，線路的節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率整體水平較高。所以，要降低節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率，應(yīng)靠近系統(tǒng)前端接入分布式光伏電源，而不能接于線路的中端和末端。

若將分布式光伏接在電網(wǎng)末端，將電動(dòng)汽車接入鄰近始端、中端和末端的節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)9和節(jié)點(diǎn)16，測量3種場景下的電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，線路首端接入電動(dòng)汽車時(shí)，只有線路節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2的電流諧波畸變率比其他兩種情況下高；當(dāng)中端和末端接入電動(dòng)汽車時(shí)，線路中端和末端的節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率遠(yuǎn)大于首端接入時(shí)的情況。所以，要降低節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率，應(yīng)將電動(dòng)汽車接入線路前端和中端。

圖4 分布式光伏接入不同位置下的諧波電流畸變率

圖5 電動(dòng)汽車接入不同位置下的諧波電流畸變率

3.3 不同接入容量下的諧波分析

不同容量的分布式光伏和電動(dòng)汽車會(huì)對線路節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率造成不同影響。將電動(dòng)汽車接在電網(wǎng)線路的末端節(jié)點(diǎn)16，將分布式光伏接入節(jié)點(diǎn)9。固定電動(dòng)汽車的負(fù)荷占比為20%，改變分布式光伏滲透率，分析當(dāng)分布式光伏容量變化時(shí)對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率的影響，結(jié)果如圖6所示?？梢?，分布式光伏滲透率的增加會(huì)提高輸出的諧波電流，因?yàn)榉植际焦夥某隽υ龃髸?huì)增加并網(wǎng)點(diǎn)的諧波電流，故電流諧波畸變率增大。當(dāng)分布式光伏滲透率達(dá)到30%時(shí)，部分節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率超過相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的限值。

圖6 不同光伏滲透率下的節(jié)點(diǎn)諧波電流畸變率

將光伏滲透率固定在20%，改變電動(dòng)汽車的負(fù)荷占比，分析當(dāng)分布式光伏容量變化對各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率的影響，節(jié)點(diǎn)諧波電流畸變率如圖7所示?？芍?，電動(dòng)汽車充電機(jī)工作時(shí)，電動(dòng)汽車在線路中的負(fù)荷占比越大，節(jié)點(diǎn)電流總諧波畸變率越小。

圖7 不同電動(dòng)汽車負(fù)荷占比下的諧波電流畸變率

3.4 考慮時(shí)序特性的分布式光伏和電動(dòng)汽車接入的諧波分析

選取湖北省某地區(qū)分布式光伏和電動(dòng)汽車時(shí)序特性曲線，如圖8所示，分析時(shí)序特性下光伏和電動(dòng)汽車接入時(shí)線路各個(gè)節(jié)點(diǎn)的諧波總含量，以電流諧波畸變率表示，如圖9所示?？梢钥闯?，夜晚時(shí)僅有電動(dòng)汽車進(jìn)行充電，配電網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率都較小，不用進(jìn)行諧波治理；白天6:00到晚上19:00，分布式光伏和電動(dòng)汽車同時(shí)出力會(huì)造成配電網(wǎng)有些節(jié)點(diǎn)的諧波畸變率很大，甚至超過了相關(guān)的國標(biāo)限值，說明分布式光伏是引起線路節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率的主要原因；12:00時(shí)，分布式光伏出力達(dá)到最大，但是節(jié)點(diǎn)7的電流諧波畸變率不是最大，說明電動(dòng)汽車的接入會(huì)降低節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率。

圖8 分布式光伏和電動(dòng)汽車的典型日負(fù)荷曲線

圖9 不同時(shí)段下的節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率

4 結(jié) 論

本文建立分布式光伏和電動(dòng)汽車的諧波分析模型，通過分析分布式光伏和電動(dòng)汽車在不同情況下接入配電網(wǎng)的諧波畸變，提出了光伏和電動(dòng)汽車接入的應(yīng)對策略，得到以下主要結(jié)論：

（1）當(dāng)分布式光伏和電動(dòng)汽車同時(shí)集中接入一點(diǎn)時(shí)以及分散接入配電網(wǎng)時(shí)，均不適宜接在線路的首端和末端，可以適當(dāng)考慮接在線路的中前端；

（2）電網(wǎng)線路節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率隨分布式光伏滲透率增大而增大，當(dāng)分布式光伏滲透率超過30%時(shí)，節(jié)點(diǎn)的電流諧波畸變率會(huì)超過國標(biāo)限值；

（3）在白天有分布式光伏出力的情況下，線路的電流諧波畸變率遠(yuǎn)大于夜晚無光伏出力，其中12:00到16:00期間節(jié)點(diǎn)電流諧波畸變率在一天中最大。