王 昊, 黃文燾, 邰能靈, 余墨多, 孫國亮

(1. 上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240; 2. 中國衛(wèi)星海上測控部,江蘇 江陰 214400)

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”的目標(biāo)被提出,可再生能源大規(guī)模并網(wǎng),直流配網(wǎng)具有新能源消納能力強(qiáng)、供電功率大、線路損耗小、運(yùn)行效率高等優(yōu)勢,是配電網(wǎng)發(fā)展的方向之一[1-2].直流配網(wǎng)中分布式電源占比高,換流設(shè)備數(shù)量大,極易產(chǎn)生大量諧波,其原因是:① 單相逆變器二次脈動(dòng)功率[3]、交流側(cè)三相不平衡通過換流器在直流側(cè)產(chǎn)生諧波分量[4],其諧波屬性與換流器類型有關(guān),換流器為電流源型,則諧波屬性為電流特性;② 交直流非線性負(fù)載主要產(chǎn)生諧波電流,經(jīng)線路阻抗后伴隨產(chǎn)生諧波電壓.據(jù)分析,二倍頻分量是直流配網(wǎng)諧波的主要成分之一,其頻次低、含量大,增加線路損耗,嚴(yán)重影響了直流系統(tǒng)供電質(zhì)量,危害設(shè)備安全、使用壽命與系統(tǒng)效率,間接導(dǎo)致碳排量增加.二倍頻諧波治理已成為直流配電網(wǎng)應(yīng)用過程中亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題[5].

直流配網(wǎng)諧波治理主要分為集中式以及分布式兩類.集中式治理在直流母線上并聯(lián)大電容、LC諧振電路或有源濾波器集中濾除母線上的諧波分量[6-7].但無源濾波器體積大、功率密度低,電感電容參數(shù)的匹配問題容易放大高頻次的諧波[8].集中式治理方法可改變二次諧波電流的分配,適用于系統(tǒng)規(guī)模小、諧波含量少或諧波源單一的場景.分布式治理可分為有無額外輔助電路兩種方式.文獻(xiàn)[9]提出在換流器控制回路內(nèi)增加虛擬阻抗,改變二次諧波電流的分配情況;文獻(xiàn)[10-11]提出改變換流器結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)二次諧波電流的抑制,但是其控制復(fù)雜,難以實(shí)現(xiàn);上述方法改變換流器的拓?fù)浠蚩刂品绞絹硪种浦C波,考慮了母線電壓穩(wěn)定,但沒有徹底抑制低頻諧波.直流有源濾波器(DC Active Power Filter, DC-APF)主要為buck-boost型電路,可以針對(duì)不同諧波源進(jìn)行安裝,就地消除諧波源的特定次的諧波[12].相比于上述方法,分布式DC-APF能夠就近補(bǔ)償諧波電流,減少流過線路阻抗上的諧波電流,從源頭上抑制諧波電壓的產(chǎn)生.但是隨著直流配電網(wǎng)規(guī)模的增大,系統(tǒng)中諧波源數(shù)量也在不斷增加,為保證供電質(zhì)量,系統(tǒng)配置的DC-APF的數(shù)量也隨之增加;濾波器控制回路之間存在耦合干擾,使濾波器之間存在交互影響,導(dǎo)致濾波性能下降,系統(tǒng)中的諧波含量超出預(yù)期的指標(biāo).

目前,直流濾波裝置之間的交互影響分析主要有阻抗分析法和相對(duì)增益矩陣分析方法(Relative Gain Array, RGA)等.文獻(xiàn)[13-14]建立換流站和濾波器的等效阻抗模型,分析等效阻抗變化對(duì)系統(tǒng)中諧波分布的影響,但沒有具體分析影響阻抗變化的因素;文獻(xiàn)[15]建立多APF系統(tǒng)的等效模型,通過傳遞函數(shù)分析APF之間的交互影響,提出增加電感或減小比例或積分增益來抑制耦合干擾;文獻(xiàn)[16]建立多逆變器并網(wǎng)模型,利用RGA分析引起多逆變器并網(wǎng)振蕩的影響因素,并通過改變拓?fù)鋮?shù)抑制交互影響.上述文獻(xiàn)對(duì)交流系統(tǒng)中電力電子裝置間的交互影響進(jìn)行分析,其研究方法與結(jié)論不完全適用于多直流濾波器交互影響的研究.

本文針對(duì)直流配電網(wǎng)中多個(gè)DC-APF的復(fù)雜交互影響,利用等效輸出阻抗法,建立多直流濾波器并網(wǎng)模型.利用相對(duì)增益矩陣的分析方法,分析直流配電網(wǎng)存在多個(gè)諧波源、多個(gè)濾波器工作時(shí),電網(wǎng)電氣參數(shù)、濾波器控制器參數(shù)等對(duì)濾波器穩(wěn)定工作產(chǎn)生的影響,并提出合理選擇控制器參數(shù)的參考方法.在PSCAD/EMTDC與RT-LAB軟件中建立含多DC-APF的直流配網(wǎng)模型,對(duì)不同參數(shù)條件下多DC-APF工作的直流母線二次諧波含量進(jìn)行測試,仿真結(jié)果驗(yàn)證了多濾波器交互影響機(jī)理分析方法的有效性.

1 直流配電網(wǎng)與直流濾波器

1.1 直流配電網(wǎng)

直流配電網(wǎng)的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示.上級(jí)交流電網(wǎng)通過變壓器與雙向AC/DC換流器接入直流母線,穩(wěn)定直流母線電壓;直流電源包括光伏和儲(chǔ)能設(shè)備,光伏通過DC/DC換流器接入直流母線,儲(chǔ)能設(shè)備經(jīng)過雙向DC/DC接入直流配網(wǎng),根據(jù)需求靈活配置輸出功率;負(fù)荷側(cè)包括直流負(fù)荷和交流負(fù)荷.

圖1 典型直流配電網(wǎng)系統(tǒng)

直流電壓諧波或者電流諧波是指在直流電壓或電流中含有的交流分量.一方面,隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,配電網(wǎng)中交直流功率變換器的性能不斷提升,設(shè)備自身產(chǎn)生的二次諧波電流含量很低;另一方面,交流側(cè)非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波通常以就地的交流濾波器來濾除.因此,本文主要考慮單相電流源型逆變器和三相不對(duì)稱負(fù)載在直流側(cè)產(chǎn)生的二次諧波電流.考慮DC-APF的分布式配置時(shí),主要從諧波源個(gè)數(shù)以及諧波源產(chǎn)生的諧波電流大小兩個(gè)方面綜合考慮.對(duì)于較大的諧波源,建議單獨(dú)配置DC-APF;對(duì)較小的諧波源,可以饋線為單位配置DC-APF.通過DC-APF吸收二次諧波電流,抑制流經(jīng)線路阻抗和負(fù)載阻抗的諧波電流,減小直流母線的諧波電壓.

1.2 直流濾波器

直流濾波器的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制方法如圖2所示.圖中:udc為連接點(diǎn)電壓;C表示補(bǔ)償電容;uc為補(bǔ)償電容電壓;iL表示濾波器內(nèi)濾波電感的電流;L表示濾波電感;S1、S2、D1、D2表示開關(guān)管信號(hào)以及反并聯(lián)二極管.在工作時(shí),單個(gè)二倍頻諧波的周期內(nèi),根據(jù)連接點(diǎn)電壓上的諧波處于正負(fù)半周期,通過S1、S2開關(guān)管的導(dǎo)通,控制直流濾波器工作在buck模式下或boost模式下,以吸收或補(bǔ)償諧波電流.

圖2 直流濾波器拓?fù)浼翱刂瓶驁D

DC-APF的控制方法主要分為兩個(gè)部分,如圖2(b)所示.圖中:GLPF為低通濾波器傳遞函數(shù);kpu和kiu分別是補(bǔ)償電容電壓PI(線性控制器)調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù);kpi和kii分別是電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分系數(shù);Kp為紋波電壓放大系數(shù);d為占空比調(diào)制信號(hào);s表示復(fù)頻率.第1部分為諧波檢測,電壓udc經(jīng)過低通濾波器得到諧波分量Δudc,經(jīng)過放大系數(shù)Kp得到諧波電流參考值iωref,ω表示角頻率;第2部分為補(bǔ)償控制,即補(bǔ)償電容電壓參考值ucref與實(shí)際值uc的差值經(jīng)過PI調(diào)節(jié)得到諧波電流修正量icref.上述兩個(gè)參考電流之和iLref與iL的差值經(jīng)過PI調(diào)解器得到控制開關(guān)管信號(hào)S1、S2的占空比,使DC-APF產(chǎn)生相位相反的電流,補(bǔ)償安裝位置處的二次諧波電流.

如圖2(b)所示,根據(jù)小信號(hào)模型可以計(jì)算DC-APF各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),并由各環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)以及閉環(huán)控制模式下參數(shù)之間的關(guān)系計(jì)算出DC-APF閉環(huán)輸出阻抗如下:

(1)

式中:ωc表示濾波器截止頻率;D′為穩(wěn)態(tài)占空比;IL為穩(wěn)態(tài)電感電流有效值;Giu為PI調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù).

由閉環(huán)輸出阻抗與直流濾波器的輸出特性,將單DC-APF簡化成諾頓等效電路,其等效模型如圖3虛線框內(nèi)所示.將圖1中多個(gè)直流濾波器并網(wǎng)的模型,采用該諾頓簡化模型替換并網(wǎng)[17],并將諧波源等效為諧波電流源,則多直流濾波器并網(wǎng)模型如圖3所示.圖中:irefr(r=1, 2, …,n)表示等效電流源;Gr為比例系數(shù);ig表示濾波器輸出電流;u0表示并網(wǎng)電壓;ur表示每個(gè)濾波器接入上一級(jí)濾波器的公共點(diǎn)電壓;iHr表示第r個(gè)諧波電流源;ir表示每兩個(gè)濾波器之間的過渡電流;igr表示第r個(gè)濾波器的輸出電流;iLr表示流過負(fù)載阻抗的電流;Zr表示連接阻抗即電氣距離;Yg表示與直流母線連接的線路導(dǎo)納;Yr為連接導(dǎo)納.

圖3 多直流濾波器并網(wǎng)模型

由于DC-APF難以完全補(bǔ)償諧波電流,未補(bǔ)償?shù)闹C波電流流經(jīng)負(fù)載或線路阻抗,在濾波器并網(wǎng)點(diǎn)產(chǎn)生諧波電壓.濾波器控制參數(shù)決定了濾波器并網(wǎng)點(diǎn)二次諧波電壓幅值與相角,參數(shù)匹配時(shí)濾波器并網(wǎng)點(diǎn)的二次諧波電壓幅值與相角幾乎相等,則不會(huì)引起二次諧波環(huán)流,從而避免了相互干擾.

由于直流母線電壓中存在二倍頻諧波電壓才會(huì)對(duì)直流濾波器產(chǎn)生激勵(lì)影響,故在理論分析時(shí)將u0近似認(rèn)為等于0.根據(jù)基爾霍夫定律可以得到該模型的數(shù)學(xué)關(guān)系為

(2)

2 基于相對(duì)增益矩陣?yán)碚摰慕换ビ绊憴C(jī)理分析方法

2.1 相對(duì)增益矩陣原理

相對(duì)增益矩陣(RGA)被廣泛運(yùn)用于分析多變量控制系統(tǒng)交互影響.其基本原理為:對(duì)于一個(gè)g輸入和k輸出的系統(tǒng),輸入uj(j=1, 2, …,g)與輸出yi(i=1, 2,…,k)之間的相對(duì)增益可以表示為

(3)

式中:分子表示所有控制均開環(huán)的模式;分母表示除uj-yi回路閉環(huán)控制外,其他所有控制均開環(huán)的模式.

λij表示當(dāng)其他控制回路加入時(shí),對(duì)uj-yi回路的影響程度.當(dāng)λij=1時(shí),表示uj-yi的回路與其他控制回路沒有交互影響,λij越接近1時(shí),表示交互影響越小,反之交互影響越大; 相對(duì)增益矩陣可以表示為

RRGA=[λij]=G(jω)?(G(jω)-1)T

(4)

式中:?表示矩陣的Hadamard乘積;G(jω)表示任意頻率下的傳遞函數(shù)矩陣.

2.2 DC-APF并網(wǎng)相對(duì)增益矩陣

首先分析圖3中兩臺(tái)DC-APF并網(wǎng)工作的場景,該場景下的數(shù)學(xué)模型如下:

(5)

建立DC-APF輸出電流與母線電壓以及諧波源電流的傳遞函數(shù)矩陣G2×3為

(6)

直流配電網(wǎng)中每多接入一個(gè)濾波器則會(huì)形成一個(gè)新系統(tǒng),新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型存在一定的遞推關(guān)系,因此可由兩臺(tái)APF并網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù)遞推至n臺(tái)APF并網(wǎng)系統(tǒng)傳遞函數(shù).n個(gè)DC-APF并網(wǎng)系統(tǒng)(即系統(tǒng)中直流濾波器數(shù)量為n,且m=2,3,…,n-1)與n-1個(gè)DC-APF并網(wǎng)系統(tǒng)的遞推關(guān)系如下:

(7)

每個(gè)直流濾波器的輸出電流為

ign=Ynudc-Ynun

(8)

將式(8)代入式(7)以及n-1個(gè)DC-APF并網(wǎng)傳遞函數(shù)矩陣G(n-1)×n,可以推導(dǎo)出n個(gè)DC-APF并網(wǎng)傳遞函數(shù)矩陣Gn×(n+1).傳遞函數(shù)矩陣推導(dǎo)關(guān)系如圖4所示.

圖4 傳遞函數(shù)推導(dǎo)方法

利用式(5)可以計(jì)算得到多直流濾波器控制回路的相對(duì)增益矩陣:

(9)

式中:λpq表示直流濾波器的輸出電流變化量與各個(gè)諧波源電流變化量之間的關(guān)系.λpp表示第p個(gè)直流濾波器對(duì)第p個(gè)諧波源產(chǎn)生的諧波的濾波性能,而λpq(p≠q)表示第q個(gè)諧波源的諧波電流變化量對(duì)第p個(gè)直流濾波器的電流產(chǎn)生的影響,由于諧波源的諧波電流變化與濾波器輸出電流變化量成正比,所以λpq可以表示濾波器之間的交互影響.當(dāng)λpp=1時(shí),由于RGA矩陣的特征行元素之和為1,所以可以認(rèn)為該直流濾波器對(duì)其他濾波器的運(yùn)行工作沒有影響.

2.3 基于RGA的多直流濾波器工作交互影響分析

基于典型的直流配電網(wǎng)系統(tǒng),在電網(wǎng)中針對(duì)不同的諧波源安裝多個(gè)直流濾波器.基于RGA理論,分析濾波器內(nèi)的控制器參數(shù)以及電網(wǎng)電氣參數(shù)對(duì)濾波器交互影響大小的關(guān)系.

現(xiàn)分析控制器參數(shù)以及可變電網(wǎng)參數(shù)對(duì)λc(λc=λ11)的影響,主要有以下幾個(gè)影響因子,分別為兩個(gè)濾波器之間的電氣距離Z1,直流電壓諧波檢測放大系數(shù)Kp、補(bǔ)償電容電壓PI控制器參數(shù)kpu、kiu.在不同頻率(f)下影響因子對(duì)λc的幅值(A)和相角(α)影響如圖5所示,圖中下標(biāo)0表示各參數(shù)的初值(下同).影響趨勢總結(jié)如表1所示.

表1 DC-APF1控制器參數(shù)以及電氣參數(shù)對(duì)λc的影響

如圖5和表1所示,在二倍頻100 Hz頻率下,兩個(gè)濾波器之間的電氣距離Z1和直流電壓諧波檢測放大系數(shù)Kp對(duì)λc的幅值變化影響較為明顯,而PI控制器參數(shù)kpu、kiu對(duì)λc的幅值影響變化不大.

圖5 不同參數(shù)對(duì)λc的幅值及相位的影響

進(jìn)一步細(xì)化,代入兩個(gè)直流濾波器控制器參數(shù)以及將電氣距離分解為電阻R和電抗X,在100 Hz的頻率下,分別作出兩個(gè)控制器的放大系數(shù)Kp1和Kp2對(duì)λc的影響以及R和X對(duì)λc的影響的三維圖,如圖6和7所示,分析結(jié)果如表2所示.

表2 濾波器控制器及電氣參數(shù)對(duì)λc的影響

圖6 兩個(gè)控制器放大系數(shù)對(duì)λc的影響

由圖6可見,每個(gè)控制器的放大系數(shù)對(duì)相對(duì)增益矩陣的影響相似.圖7中,電抗對(duì)λc的影響較小,電抗的變化幾乎不會(huì)引起λc因子的變化,且在實(shí)際直流配網(wǎng)中,電阻阻值遠(yuǎn)大于電抗,因此忽略電抗變化產(chǎn)生的影響;而電阻對(duì)λc影響較大,隨著電阻的不斷增加,λc會(huì)不斷減小至1,兩個(gè)濾波器之間的交互影響也隨著電抗的增加而逐漸減小,直至平穩(wěn)不變.

圖7 電氣距離電阻和電抗對(duì)λc的影響

3 算例分析

在PSCAD/EMTDC中建立如圖1所示的直流配電網(wǎng)系統(tǒng).系統(tǒng)參數(shù)如表3所示,濾波器參數(shù)如表4所示,其中交流電源為三相電壓可調(diào)電源,直流負(fù)載為電阻模型,阻值為30 Ω,交流負(fù)載為恒功率模型,有功功率P=10 kW.由于諧波電流分布廣,難以集中測量,故將諧波電流經(jīng)過線路阻抗在直流母線上產(chǎn)生的諧波電壓作為衡量標(biāo)準(zhǔn).3 s時(shí)單相逆變器接入,5 s時(shí)設(shè)置交流側(cè)電源三相不平衡.圖8所示為無DC-APF系統(tǒng)中直流母線上二次諧波電壓含量(η)隨時(shí)間(t)的變化.

表3 系統(tǒng)主要參數(shù)

表4 濾波器參數(shù)

圖8 正常運(yùn)行下的二次諧波電壓含量

正常運(yùn)行時(shí),母線上二次諧波電壓含量較低,t=3 s時(shí),單相逆變器的接入使得二次諧波電壓含量增加至7.1%;t=5 s時(shí)設(shè)置交流側(cè)三相不平衡,二次諧波電壓含量增加至12.5%,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行.

3.1 仿真工況1

直流配網(wǎng)中,針對(duì)三相不平衡與單相換流器產(chǎn)生的二次諧波分量,接入多個(gè)分布式DC-APF進(jìn)行濾波,直流母線上的二次諧波電壓含量如圖9所示.以交流側(cè)發(fā)生三相不平衡為例,t=3 s時(shí)投入使用DC-APF1,t=4 s時(shí)投入使用DC-APF2,t=5 s時(shí)投入使用DC-APF3.圖9中,以三相不平衡產(chǎn)生的二次諧波為例,DC-APF1抑制了大部分二次諧波,穩(wěn)定時(shí)諧波含量為4.0%,DC-APF2啟動(dòng)后使得諧波含量降為2.7%;DC-APF3啟動(dòng)后直流母線二次諧波含量降為2.5%.治理單相逆變器產(chǎn)生的二次諧波時(shí),直流母線電壓諧波含量變化情況相似.兩個(gè)場景中,與諧波源距離較近的濾波器抑制諧波效率高,而距離較遠(yuǎn)的濾波器有一定的輔助治理效果.

圖9 不同諧波源工況下直流母線二次諧波電壓含量

當(dāng)系統(tǒng)中同時(shí)存在多種諧波源時(shí),分別采用分布式DC-APF和集中式DC-APF進(jìn)行諧波治理,兩個(gè)場景中DC-APF的總?cè)萘肯嗤?直流母線二次諧波電壓含量如圖10所示.當(dāng)采用分布式DC-APF治理方法時(shí),DC-APF2啟動(dòng)后,系統(tǒng)中二次諧波含量為1.4%,低于采用集中式DC-APF治理后4.2%的二次諧波含量,且滿足單次諧波電壓含量低于3%的要求.同樣,距離諧波源較遠(yuǎn)的DC-APF3有一定的輔助治理作用.因此,在多諧波源場景下,分布式諧波治理方法要優(yōu)于集中式諧波治理方法.

圖10 不同諧波治理方式下直流母線二次諧波電壓含量

仿真工況1說明在多諧波源場景下,分布式濾波器能夠有效抑制各諧波源產(chǎn)生的諧波電流,降低母線上的諧波電壓.但控制器參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí),濾波器的濾波效果變化幅度較大,其原因?yàn)榭刂破髦g產(chǎn)生耦合干擾,具體影響參數(shù)分析見仿真工況2.

3.2 仿真工況2

仿真工況2為在該直流配電網(wǎng)系統(tǒng)中使用兩個(gè)不同的分布式DC-APF工作,分析控制器參數(shù)以及電網(wǎng)參數(shù)對(duì)交互影響的仿真驗(yàn)證.圖11和圖12分別為改變兩個(gè)濾波器之間的電氣距離Z1,DC-APF的放大系數(shù)Kp、PI控制器參數(shù)kpu并且系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí),直流母線上的二次諧波電壓含量,kiu變化情況與kpu相同,圖中不再重復(fù)表示.圖11中,DC-APF1與DC-APF2的組合濾波效果明顯優(yōu)于其他兩個(gè)組合;隨著電氣距離的增加,直流母線二次諧波電壓越來越小,濾波器之間的交互影響越小,濾波效果越好.圖12中,直流電壓諧波檢測放大系數(shù)Kp存在一個(gè)臨界值,當(dāng)小于該臨界值時(shí),濾波效果變化較小,能有效去除諧波,隨著Kp的不斷增大,濾波器組合工作的濾波性能越來越差,當(dāng)系數(shù)超過一定裕度時(shí),嚴(yán)重影響系統(tǒng)供電可靠性;無論P(yáng)I控制器參數(shù)kpu(kiu)如何變化,直流母線二次諧波電壓幅值變化均較小,改變該參數(shù)對(duì)交互影響的變化可以忽略;上述仿真分析結(jié)果與理論分析結(jié)果相似.表5、表6為3種場景下,投入使用DC-APF1與DC-APF2,不同Z1和Kp1所對(duì)應(yīng)的直流母線中二次諧波含量(ηh,h=1, 2, 3,表示場景數(shù)),其變化趨勢分別與圖11、圖12類似.其中場景1為電網(wǎng)內(nèi)僅設(shè)置交流側(cè)三相不平衡產(chǎn)生的二次諧波;場景2為電網(wǎng)內(nèi)僅接入單相逆變器產(chǎn)生的二次諧波;場景3為電網(wǎng)內(nèi)兩種二次諧波源均存在.

圖11 電氣距離Z1變化時(shí)直流母線二次諧波電壓含量(Kp=5,kpu=15,kiu=0.1)

表5 Z1變化時(shí)直流母線的諧波含量

表6 Kp1變化時(shí)直流母線的諧波含量

圖12 比例系數(shù)變化時(shí)直流母線二次諧波電壓含量

電氣距離越大,DC-APF間耦合干擾越弱,與交流系統(tǒng)中濾波器交互影響機(jī)理分析結(jié)論具有一致性.交流濾波器與直流濾波器拓?fù)浜涂刂撇煌?控制器參數(shù)對(duì)耦合干擾的影響存在差異.

由于實(shí)際場景中電氣距離變化范圍有限,因此可通過調(diào)節(jié)Kp來降低濾波器之間交互影響,最優(yōu)情況可使得λc為1,此時(shí)母線上二次諧波量最少.后續(xù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)或DC-APF需要重新安裝時(shí),根據(jù)新的拓?fù)渲匦陆⒌刃Ｐ?并計(jì)算相應(yīng)的相對(duì)增益矩陣對(duì)Kp進(jìn)行重新整定.

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提交互影響機(jī)理分析方法的有效性,搭建了RT-LAB半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖13所示,其對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致.

圖13 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖14中,場景1為濾波器控制器參數(shù)無優(yōu)化時(shí)直流母線電壓,場景2為濾波器控制器參數(shù)優(yōu)化后直流母線電壓.在DC-APF啟動(dòng)之前,直流母線諧波電壓含量為8.9%;t=0.38 s時(shí),DC-APF1啟動(dòng)后,諧波電壓含量降到4.6%,能夠有效吸收一定的諧波電流,降低諧波電壓;t=0.68 s時(shí),DC-APF2啟動(dòng),直流母線電壓穩(wěn)定后,場景1和場景2中二次諧波電壓含量分別為3.3%、2.0%,優(yōu)化的參數(shù)能有效提升濾波器的協(xié)同濾波能力.

圖14 不同場景下直流母線電壓對(duì)比

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,對(duì)DC-APF放大系數(shù)Kp進(jìn)行優(yōu)化配置,能在一定程度上減小濾波器之間的耦合干擾,增強(qiáng)協(xié)同濾波能力.

4 結(jié)論

針對(duì)直流配網(wǎng)二次諧波濾波器間存在交互影響的問題,本文根據(jù)直流有源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法,建立了多濾波器諾頓等效并網(wǎng)模型,基于相對(duì)增益矩陣,提出了多濾波器的電氣距離和控制參數(shù)影響濾波效果的分析方法.在PSCAD/EMTDC和RT-LAB軟件中分別建立了直流配網(wǎng)仿真模型和半實(shí)物仿真模型,驗(yàn)證了分析方法的有效性和適用性,主要結(jié)論如下:

(1) 通過對(duì)相對(duì)增益矩陣對(duì)角線元素的頻譜分析,濾波器間電氣距離和直流電壓諧波檢測放大系數(shù)對(duì)濾波器的耦合干擾存在一定影響,而PI控制器參數(shù)無影響.

(2) 電氣距離對(duì)濾波器耦合干擾的影響呈線性關(guān)系;隨著電氣距離的增大,耦合干擾逐漸減少.而直流電壓諧波檢測放大系數(shù)對(duì)耦合干擾的影響存在拐點(diǎn);放大系數(shù)的選擇離拐點(diǎn)越近,耦合干擾越小.

(3) 在電氣距離一定的情況下,合理選擇各個(gè)濾波器的諧波檢測放大系數(shù)可有效減小濾波器之間的交互影響,實(shí)現(xiàn)直流母線二次諧波抑制效果最佳.

所提方法可為直流配電網(wǎng)多濾波器選址、控制參數(shù)選擇提供理論依據(jù),有效減少濾波器間的耦合干擾,具有良好的應(yīng)用價(jià)值與前景.