張懷鵬， 馬耀東， 張棟， 張丹杰， 毛紅霞

(國網(wǎng)寧夏電力有限公司 中衛(wèi)供電公司， 寧夏 中衛(wèi) 755000)

0 引言

當(dāng)在電網(wǎng)中接入分布式電源后，將對電壓與諧波造成不穩(wěn)定的影響，從而引起電能質(zhì)量的降低[1-5]。為了克服分布式電源引起的電網(wǎng)波動(dòng)，通常需要接入大量電力轉(zhuǎn)換設(shè)備以實(shí)現(xiàn)對電流與電壓的有效調(diào)控，從而使分布式電源與電網(wǎng)形成良好的協(xié)調(diào)連接狀態(tài)，由此便會(huì)引起明顯的諧波污染，將使電網(wǎng)發(fā)生大負(fù)荷變化，導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)電壓的明顯改變[6-10]。對于電力系統(tǒng)內(nèi)存在的諧波情況，通常是以電力濾波器來消除系統(tǒng)內(nèi)存在的諧波電流，主要包括無源濾波器(passive power filter, PPF)與有源濾波器(active power filter, APF)共兩類[11]。其中，PPF由電阻、電容、電抗等各類非有源元件組成，在低阻抗通路中主要通過次諧波，從而實(shí)現(xiàn)濾除高次諧波的效果[12]。

為克服PPF濾波的不足之處，一些學(xué)者通過長期研究后,開發(fā)得到了有源濾波器。經(jīng)APF處理能夠使半導(dǎo)體器件形成相反相位，從而達(dá)到有效抵償諧波電流的作用。

1 模型建立

APF是抵制諧波的電子器件，并能夠進(jìn)行無功補(bǔ)償。對于頻率與幅值都隨時(shí)間改變的諧波，可通過這種方法將其全部消除，同時(shí)也可以補(bǔ)償各時(shí)間對應(yīng)的無功功率。電壓型APF的機(jī)理結(jié)構(gòu),如圖1所示。

由圖1可知，左邊es是交流電源，指令電流計(jì)算電路的功能是對諧波電流進(jìn)行測試，由電流追蹤電路根據(jù)測定的諧波電流來驅(qū)動(dòng)主電路并形成和諧波電流具有同樣變化規(guī)律的電流以實(shí)現(xiàn)消除諧波電流的效果，通過這種方式可以達(dá)到抑制諧波的作用。將其分為如下步驟：假設(shè)非線性負(fù)載內(nèi)存在諧波電流，可將其分為諧波電流iLh與基波電流iLf兩個(gè)不同部分，利用APF指令電流計(jì)算來測定諧波電流iLh，再將iLh作為電流追蹤的輸入iC，利用iC來實(shí)現(xiàn)控制驅(qū)動(dòng)電路使其產(chǎn)生和諧波電流iLh方向與幅值都相同的電流iC，1由電源形成的電流is不包括諧波電流成分，可以通過APF來去除非線性負(fù)載形成的諧波電流iLh。

圖1 電壓型APF的機(jī)理結(jié)構(gòu)

本文選擇并聯(lián)APF。并聯(lián)APF結(jié)構(gòu),如圖2所示。

圖2 并聯(lián)APF結(jié)構(gòu)

并聯(lián)APF數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),如圖3所示。

圖3 并聯(lián)APF數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)

以Ki來表示圖3中的橋臂開關(guān)函數(shù)，如式(1)。

(1)

抵償電流ic與電網(wǎng)電壓u和主電路直流側(cè)電壓ud間關(guān)系,如式(2)。

(2)

式中,iac、ibc、icc分別表示APF供給的三線電流值；K1、K2、K3分別表示三線橋臂開關(guān)系數(shù)；u1、u2、u3分別表示三線電網(wǎng)電壓；Δu為電壓降。

對式(2)積分后便可得到補(bǔ)償電流ic表達(dá)式,如式(3)。

(3)

式中,iac0、ibc0、icc0表示t0分別為初始時(shí)刻APF供給的三線電流初始值。

APF中的直流側(cè)電容電壓ud和電流id,如式(4)。

(4)

式中,ud0表示t0時(shí)刻電容C上的初始電壓值。

如果遇到初始抵償電流ic0和非線性負(fù)載諧波電流存在區(qū)別時(shí)，追蹤電路可利用對電力電子器件開關(guān)函數(shù)Ki進(jìn)行調(diào)節(jié)的方式來實(shí)現(xiàn)抵償電流與諧波電流的追蹤過程，由此實(shí)現(xiàn)抵償電流的方向與大小和諧波電流達(dá)到同樣的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)將諧波電流除去的目的。并且在不同的開關(guān)函數(shù)下，直流側(cè)電容電壓值ud也會(huì)發(fā)生變化。

2 結(jié)果分析

利用Matlab/Simulink平臺(tái)構(gòu)建得到的含有諧波檢測與治理模塊的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)模型,如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真模型

利用在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置二極管不可控整流回路的方式來形成諧波源，同時(shí)設(shè)定諧波治理模塊為0.06 s再進(jìn)行諧波治理，可以看到治理前后形成的對比圖,如圖5所示。

對圖5(a)進(jìn)行分析可知，諧波治理前并未對電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生影響；根據(jù)圖5(b)可知，諧波治理后電網(wǎng)電流受到較大干擾，產(chǎn)生了明顯的諧波電流，在0.06 s時(shí)系統(tǒng)開始進(jìn)行諧波治理，得到接近正弦波變化趨勢的曲線，此時(shí)在曲線上形成了無法治理的突變狀高次諧波。對圖5(b)給出的電流曲線實(shí)施FFT處理。獲得的結(jié)果,如圖6所示。

圖6顯示了加APF前后并網(wǎng)點(diǎn)電流FFT結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)加APF前并網(wǎng)點(diǎn)電流波動(dòng)較大，表明此時(shí)總諧波畸變率；可以發(fā)現(xiàn)存在APF的情況下電流波動(dòng)變的平穩(wěn)，可見總諧波畸變率THD得到明顯降低。根據(jù)以上仿真測試結(jié)果可知，當(dāng)把APF加入并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)后可以使并網(wǎng)點(diǎn)含有的低次諧波電流充分去除，從而有效改善光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)質(zhì)量，避免諧波源對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。

(a) 電壓

(b) 電流

圖6 加APF前后電流FFT結(jié)果

光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型逆變器并聯(lián)線路上接入了負(fù)載，同時(shí)為線路配備了故障仿真分析模塊。經(jīng)仿真測試發(fā)現(xiàn)，在故障屬于A相接地的情況下，將會(huì)使A相電壓出現(xiàn)暫降的結(jié)果；在很短的A相接地故障時(shí)間中，A相會(huì)產(chǎn)生脈沖暫態(tài)的變化；如果設(shè)定三相接地故障的時(shí)間過短時(shí)，將引起振蕩暫態(tài)的問題。

為深入研究故障和并網(wǎng)點(diǎn)距離引起的電壓暫降情況，從0.1～9 km范圍內(nèi)選擇幾個(gè)代表點(diǎn)再開展仿真測試，所得數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖得到的曲線，如圖7所示。

圖7 電壓暫降幅度與距離之間的關(guān)系

根據(jù)測試結(jié)果可知，在線路處于不同并網(wǎng)點(diǎn)的條件下，將會(huì)產(chǎn)生不同的電壓暫降。結(jié)合電壓暫降的概念，當(dāng)把故障設(shè)定在并網(wǎng)點(diǎn)0.1～2 km范圍內(nèi)可判斷信號(hào)出現(xiàn)了電壓暫降；把故障設(shè)置在并網(wǎng)點(diǎn)間距超過2 km的位置，得到的有效電壓高于0.9 pu，表明此時(shí)信號(hào)處于正常狀態(tài)，沒有出現(xiàn)暫態(tài)?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)故障與并網(wǎng)點(diǎn)相距越小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生更明顯的電壓暫降。

3 總結(jié)

為了降低電壓與諧波對電能質(zhì)量造成的不穩(wěn)定，開展基于有源濾波器的分布式電源并網(wǎng)后電能質(zhì)量Matlab仿真，分析APF加入并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)后并網(wǎng)點(diǎn)含有的低次諧波電流的去除情況，研究結(jié)果得到該系統(tǒng)能夠有效改善光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)質(zhì)量，避免諧波源對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染。在線路處于不同并網(wǎng)點(diǎn)的條件下，將會(huì)產(chǎn)生不同的電壓暫降。把故障設(shè)置在并網(wǎng)點(diǎn)間距超過2 km的位置，得到的有效電壓高于0.9 pu，表明此時(shí)信號(hào)處于正常狀態(tài)。當(dāng)故障與并網(wǎng)點(diǎn)相距越小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生更明顯的電壓暫降。