柳擁軍

（青島四方阿爾斯通鐵路運輸設備有限公司，山東 青島 266111）

在現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展過程中，基于常規(guī)配電送電業(yè)務的傳統(tǒng)電網(wǎng)模式面臨著諸多挑戰(zhàn)，分布式發(fā)電、分布式儲能等新形式不斷涌現(xiàn)，這些大規(guī)模、間歇性且非線性負荷的分布式資源接入電網(wǎng)使得電網(wǎng)系統(tǒng)受到諧波的污染，甚至導致電網(wǎng)系統(tǒng)失去穩(wěn)定[1]。本文在介紹配電網(wǎng)分布式諧波電壓檢測型有源電力濾波器（Voltage Detection Active Power Filter，VDAPF）治理模式的基礎上，嘗試運用數(shù)值仿真手段建立配電網(wǎng)分布式諧波模型，研究多功能逆變器在配電網(wǎng)分布式諧波治理中的應用效果，為實際工程分布式諧波治理提供參考[2]。

1 配電網(wǎng)分布式諧波VDAPF治理模式概述

配電網(wǎng)分布式諧波VDAPF治理模式包含4個環(huán)節(jié)[3]，分別為逆變器設置、諧波電壓檢測、指令電流計算和電流跟蹤控制，具體的結構原理見圖1。

圖1 配電網(wǎng)分布式諧波VDAPF治理模式

圖中C為直流電源的電容器；Cf為濾波電流的電容器；Udc為直流電源的電壓；uG為諧波輸入電壓；uh為諧波輸出電壓；為諧波輸出指令電壓；iG為諧波輸入電流；為諧波輸出指令電流；Lf為輸出電感。從圖中可以看出，配電網(wǎng)分布式諧波VDAPF治理模式的基本核心是在電網(wǎng)和大地之間設置了一個控制增益k，它的本質(zhì)是電導，使得電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波輸出電壓uh轉換為諧波輸出指令電流i*h，為諧波提供了一個虛擬電導。

2 多功能逆變器在配電網(wǎng)分布式諧波治理中的應用

在配電網(wǎng)分布式諧波VDAPF治理模式中，逆變器設置環(huán)節(jié)是最為重要的環(huán)節(jié)，為此本研究采用多功能逆變器進行諧波治理。多功能逆變器的主要控制節(jié)點分為3個部分，分別為分布式資源的輸入控制、目標諧波補償電流生成控制和逆變器并網(wǎng)控制[4]。

在目標諧波補償電流生成控制中，電網(wǎng)系統(tǒng)中的電壓值和電流值均向逆變器中進行傳輸，被逆變器采集后，可以向上層控制單元輸入電網(wǎng)的基波電壓、諧波電流、逆變器容量等信息，采用全局最優(yōu)算法可以求得電網(wǎng)各個電路中的目標諧波補償電流，上層控制單元按照諧波補償目標通過逆變器對電網(wǎng)中的非線性負荷進行補償。在實際的諧波治理控制中，由于逆變器容量的計算和確定十分繁瑣，大大增加了系統(tǒng)的處理成本，不利于現(xiàn)場技術人員進行操作，因此在實際應用中通常將逆變器容量參數(shù)替換為諧波電流的幅值。

上層控制單元可以根據(jù)多功能逆變器當前的功率值求得諧波最大電流補償幅值，計算公式為

式中：Imax為多功能逆變器最大額定電流容許值，A；為逆變器有功電流的幅值，A。

根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)中不同頻次的諧波補償電流幅值，可計算出諧波補償系數(shù)最大值，計算公式為

將式（2）帶入諧波目標治理函數(shù)，得到的計算公式為

式中：F(xi)為諧波目標治理函數(shù)；FTHD(xi)為總諧波電壓畸變率；λ為不同頻次諧波的懲罰函數(shù)權重系數(shù)；為諧波電壓畸變率懲罰函數(shù)，其中為畸變率限值。

可求得目標諧波補償電流，計算公式為

式中：xi為目標諧波補償系數(shù)最優(yōu)解；ih為電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波電流。

3 基于仿真分析的配電網(wǎng)分布式諧波治理策略優(yōu)化

為驗證多功能逆變器在配電網(wǎng)分布式諧波治理中的控制有效性，基于MATLAB/Simulink軟件平臺建立配電網(wǎng)數(shù)值仿真計算模型，見圖2。

圖2 基于MATLAB/Simulink軟件平臺的配電網(wǎng)數(shù)值仿真計算模型

圖2中Zdis1、Zdis2、Zdis3為阻抗，系統(tǒng)阻抗為（0.9+j×6.2）Ω；DG為分布式能源；三角形符號為非線性負荷。模型中配電網(wǎng)的額定電壓為10 kV，針對配電網(wǎng)典型的非線性負荷諧波特性，輸入3類諧波，分別為3×50 Hz的3次諧波、5×50 Hz的5次諧波和7×50 Hz的7次諧波。在配電網(wǎng)分布式諧波治理方案中，采用3種控制策略進行對比，方案一為不治理，方案二為設置普通逆變器，方案三為設置多功能逆變器。

基于MATLAB/Simulink軟件平臺的不同方案諧波治理的電壓畸變率計算結果見圖3。

圖3 基于MATLAB/Simulink軟件平臺的不同方案諧波治理的電壓畸變率曲線

可以看出，在沒有采取任何分布式諧波治理措施時，配電網(wǎng)中的電壓畸變率出現(xiàn)不同程度的波動，電壓畸變率平均值約8.901%，大于配電網(wǎng)電壓畸變率5%的限制要求；采用普通逆變器處理后，配電網(wǎng)中的電壓畸變率出現(xiàn)不同程度的波動，但區(qū)域節(jié)點的諧波電壓畸變率得到較為良好的改善，電壓畸變率平均值約4.486%，但仍存在部分電壓畸變率大于配電網(wǎng)電壓畸變率5%的限制要求；采用多功能逆變器處理后，配電網(wǎng)中的電壓畸變率出現(xiàn)不同程度的波動，但區(qū)域節(jié)點的諧波電壓畸變率得到全面改善，電壓畸變率平均值約1.906%，遠小于電壓畸變率5%的要求，表明采用多功能逆變器可以對配電網(wǎng)內(nèi)外分布式諧波進行有效控制。

4 結論

1）多功能逆變器的主要控制節(jié)點分為3個部分，分別為分布式資源的輸入控制、目標諧波補償電流生成控制和逆變器并網(wǎng)控制。目標優(yōu)化時，通過將容量限制問題轉換為最大輸出電流問題，可以對逆變器電壓穩(wěn)定運行起到同等效果的保護作用，而且多功能逆變器最大輸出電流更加易于計算和操作，達到了控制策略的快速有效實現(xiàn)。

2）基于MATLAB/Simulink軟件平臺對3種諧波治理方案進行對比，結果表明在沒有采取任何分布式諧波治理措施時，配電網(wǎng)中的電壓畸變率平均值約8.901%；采用普通逆變器處理后，區(qū)域節(jié)點的諧波電壓畸變率得到較為良好的改善，平均值約4.486%；采用多功能逆變器處理后，區(qū)域節(jié)點的諧波電壓畸變率得到全面改善，平均值約1.906%。