分布式能源对主动配电网谐波特性影响的研究

2017-09-17竺庆茸黄文杰徐修华

电力工程技术 2017年5期

关键词：换流器整流器谐波

竺庆茸, 黄文杰，徐修华，张韬

(南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167)

分布式能源对主动配电网谐波特性影响的研究

竺庆茸, 黄文杰，徐修华，张韬

(南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167)

本文研究分布式能源对主动配电网谐波特性的影响，首先将主动配电网中分布式能源按照谐波源类型进行分类，即电流型和电压型谐波源；其次利用仿真的方法，当电流型谐波源的并网功率变化、谐波源的并网点负载特性变化和谐波源的并网点变化时，分析主动配电网中的谐波电流产生、传播和叠加的规律；接着考虑电压型谐波源的负载功率不同、并网点不同的情况，分析主动配电网中谐波电压的产生和传播规律；最后根据仿真结果分析得出结论，以指导主动配电网中各单元并网点的选取。

主动配电网；电流型谐波源；电压型谐波源；谐波传播；谐波叠加

0 引言

传统配电网通过增加电网容量裕度和调整电网结构以保证电网安全、稳定运行，高渗透率分布式能源(distributed energy resource，DER)并网容易引起电网电压越限、双向潮流问题[1-5]。若通过调整电网结构频繁投切分布式电源解决，成本太高；且电力负荷增长率低，增加电网容量裕度显然不科学。在此背景下，国内外学者提出借用信息与通信技术和控制理论实现电网的主动控制，以解决高渗透率DER接入的问题，并于2008年在国际大电网会议(CIGRE)上提出了主动配电网(ADN)的概念，指出ADN可以通过灵活的网络结构来管理潮流。DER基本构成是：分布式电源(DG，包括光电PV、风电WPG等)、分布式储能、可控负荷(电动汽车EV、响应负荷RL)[6-9]。

ADN中的电能质量问题可分为以下几点[10-14]：(1) 谐波问题。ADN中谐波源主要包括：风电、光电、储能,响应负荷的并网逆变器、储能和响应负荷的整流器、变压器、非线性负载及为解决电力系统自身的问题而投入的电力设备，如调速电机和无功功率补偿设备。文中将其分为电压谐波源和电流谐波源。(2) 电压问题，包括三相电压不平衡、电压波动、越限的问题。不平衡主要由于小容量DG采用单相逆变器并网，电压波动和越限主要因为DG出力随机性大。

较传统配电网，ADN中含有大量的大容量电力电子设备，导致电压和电流波形畸变越来越严重；且DER在ADN中的拥有“源”“荷”双重身份，使ADN双向潮流、潮流反送；再加上DER的间歇性、高随机性，导致DER接入的节点电压波动和闪变现象更频繁。此外，ADN系统阻抗因灵活多变的网络结构而不再恒定，传统的低成本LC滤波器容易与系统发生谐振，引起谐波电流或电压放大[11]，烧毁电气设备，特别是电容器和电抗器。

文中根据ADN中不同DER单元的谐波特性分别建立对应的谐波源模型，包括电流型谐波源和电压型谐波源；利用仿真对DER的谐波特性进行详细分析，包括DG/分布式储能等DER单元并网点、并网点负载特性对其谐波电流的影响，进而分析谐波在ADN中的传播特性和谐波叠加特性；最后分析了直流侧采取大电容滤波的二极管整流电路的电压谐波源给ADN带来的电压谐波的影响，考虑了整流器功率、接入点位置对电压畸变在ADN中传播的影响。

1 DER的谐波源模型

文中建立了便于研究ADN谐波问题的DER谐波源模型，选用的ADN模型是在范明天教授所提出的模型基础上进行了适当修改。DG、分布式储能、可控负荷都是通过电力电子装置与电网连接，采用三相PWM电压型变流器装置，交流侧经过滤波电感与电网相接的功率开关电路，可将其视为电流型谐波源。而直流侧采用大电容滤波的单相/三相二极管整流电路(下文简称为二极管整流器)，由于直流侧电压基本保持不变，而交流侧电压因由直流侧电压决定而含有大量的谐波，故可将其视为电压型谐波源[16]，如电动机变频器整流电路、计算机电源、二极管灯整流器等。

文中仅对380 V低压主动配电网谐波特性进行研究，ADN系统结构图如图1所示。图中，vS为上级配电网电压，线电压有效值为10 kV，短路容量100 MW；RS，LS为系统阻抗；T为容量为200 kV·A、变比为10 kV/0.4 kV的有载调压器；Z为线路阻抗；LT1，RT1，LT2，RT2，LT3，RT3为负载；DER1、DER2模拟光伏、风电等DER；LF、LF1表示并网用低通滤波器；Rec为整流器；A,B,C,D,E分别表示ADN的5个节点。

图1 主动配电网结构Fig.1 Structure diagram of active distribution network

1.1 电流型谐波源和谐波源模型

因采用成熟的PQ解耦控制和PWM调制技术，DER并网的低次谐波电流显著下降，然而仍存在一定量的开关频率次谐波和边频带频率次谐波。换流器输出侧采用L、LC或LCL低通滤波器，但由于系统阻抗及其变化，仍会导致换流器滤波效果下降，故DG并网换流器注入电网的谐波电流主要为高次谐波。当DER并网功率小于并网换流器的额定容量时，谐波含量成倍增加。注入ADN的谐波电流流经电网阻抗时又会产生谐波电压，因此给ADN引入谐波电压。

图2 分布式电源等效电流型谐波源Fig.2 Equivalent current harmonic source of distributed power supply

为了详细研究DER并网对ADN谐波特性的影响，建立如图2所示的谐波模型。图中ig为电网电流；ug为电网电压；ish为电网电流谐波。DER以谐波电流源的形式向ADN注入谐波电流，由于DER阻抗并非无穷大，故采用理想的电流谐波源和等效阻抗并联的形式[17]。

1.2 电压型谐波源和谐波源模型

直流侧为电容的二极管整流电路，交流侧电压完全由直流侧电压和二极管的开关状态决定，不能再将其视为电流型谐波源，必须考虑建立其他种类的谐波源模型。

若二极管整流器直流侧为无穷大电容、电压恒定，可将此状态下的分布式储能电池视作理想的电压型谐波源；然而直流侧电容不可能为无穷大，因此一般将其等效为理想电压型谐波源和等效阻抗Z的串联，直流侧电容越大，Z越小，反之越大。等效模型如图3所示，其中vsh为电网电压谐波。

图3 二极管整流器等效电压型谐波源Fig.3 Equivalent voltage harmonic source of Diode rectifier

2 ADN中DER谐波特性分析

常见的光伏、风电、分布式储能等DER都是利用三相换流器实现并网的，且它们使用的三相换流器结构和控制策略相同，常采用通过闭环控制并网的有功和无功功率的控制策略(PQ控制策略)，文中仿真基于此控制策略完成。由于光伏和风电自身间歇、波动的特性，并网时其换流器并非工作在额定功率下，而分布式储能要实现“削峰填谷”作用，其换流器也常工作在非额定功率下。所以，本节同时研究光伏、风电、分布式储能等DER给ADN带来的谐波方面的影响。

2.1 DG/分布式储能不同功率并网时的谐波特性

利用额定功率P为10 kW的并网换流器在节点E并网，并网点负载为纯阻性负载，功率为5 kW，其余各节点的负载视在功率为5 kW+j5 kVar。不同功率并网时基波电流，电流总谐波畸变率(THDi)、电压总谐波畸变率(THDu)及谐波电流含量如图4所示。

图4 不同功率并网时基波电流、THDi和THDu及谐波电流含量Fig.4 Fundamental current, THDi, THDu and harmonic current content at different power

由图4可知，DG/分布式储能接入ADN的谐波具有以下规律：(1) DG/分布式储能等DER的并网换流器工作在其额定功率的10%，30%，50%，80%时，THDu基本保持不变，与并网换流器工作在额定功率下的THDu基本相同；THDi数倍于并网换流器工作在额定功率下的THDi，但谐波电流含量(谐波电流绝对值)则变化不大，小于额定功率下的谐波电流绝对值。值得注意的是，当DG并网换流器工作在大于额定功率时，其谐波电流含量将明显增大。(2) 对并网电流进行傅里叶分析可发现：低次谐波电流比较大，且大于离网运行时的各次谐波；通过比较DG离网和并网仿真结果可得：并网换流器的低通滤波器因受系统阻抗影响，滤波效果下降。(3) 202、204次谐波含量较高(系统仿真开关频率为10 kHz)，其频率约等于并网换流器的开关频率。

2.2 谐波在ADN中的传播特性

DG/分布式储能在节点E并入ADN时，各节点负载都为阻感性负载S=5 kW+j5 kVar，观察ADN各节点谐波情况，仿真结果如表1所示；改变并网点的负载特性，即改变无功功率大小，观察节点E的谐波特点，其仿真结果如表2所示。

表1 各节点基波电压有效值和THDu及谐波电流含量Table 1 Fundamental voltage RMS, THDu and harmonic current of each node

表2 不同负载情况下并网的THDi和THDu(S=5 kW+jQ)Table 2 THDi and THDu of grid connected under different load conditions

项目S=5kW+jQ/kVar0.51510THDi/%3.093.132.752.29谐波电流含量/A0.450.460.410.34THDu/%7.478.058.578.73

由表1可知，DG/分布式储能等DER的并网点固定时，配电网末端的THDu最高，越接近配电网始端的THDu越低；负荷节点C处谐波电流很小，节点E，D，B谐波电流含量基本相等，可知由并网点注入ADN的绝大部分谐波电流都经主干线路流入电网系统。由表2可知，改变并网点负载感性，使无功功率与有功功率之比为0.1，0.2，1，2时，并网点的谐波电流含量基本保持不变；THDu则随着感性功率比例的增加而升高。且与图4相比，由于并网点负载从纯阻性负载变为阻感性负载，THDu陡增了数倍，进而电压畸变传播使整个同级配电网谐波电压含量升高，由于电压畸变的传播遇到变压器会被隔离，因此上级配电网因为有变压器的隔离和较大的短路容量而几乎不受影响。

此外，ADN中相同功率的DG/分布式储能等DER在不同位置并网，也会表现出不同的谐波电压、电流特性。利用一个额定功率为10 kW的换流器分别在节点B，C，D，E处接入ADN，其THDu、THDi如表3所示。

表3 不同并网点下的THDi和THDuTable 3 THDi and THDu at different grid connection points

由表3可知，随着DG/分布式储能等DER并网点越靠近电网末端，并网的THDi就越大，THDu增大的越明显。即并网THDi受系统阻抗(负载和线路阻抗)影响较小，THDu与系统阻抗关系较大，且主要与感抗有关，与电阻无关。

2.3 ADN中DG/分布式储能等谐波源的叠加特性

在节点E同时并入两个额定功率相等的DG/分布式储能等DER，且其并网换流器都工作在额定功率状态下，并网点负载为阻感性负载S=5 kW+j5 kVar，观察ADN各节点的THDu和总谐波电流含量，如表4所示。

表4 各节点基波电压有效值和THDu及总谐波电流含量Table 4 Fundamental voltage RMS, THDu and total harmonic current of each point

项目EDCBA基波电压/V223.7224.9227.0227.45772THDu/%15.3611.206.665.890.07谐波电流含量/A1.261.230.041.210.04

两个DG/分布式储能等DER分别在节点E，D并网，其余仿真条件与表4仿真条件完全相同，仿真结果如表5所示。

表5 各节点基波电压有效值和THDu及总谐波电流含量Table 5 Fundamental voltage RMS, THDu and total harmonic current of each point

由表4、5可知，并网点的不同导致并网点的THDu有一定的差异，且与表1对比可知，两个同功率的DG/分布式储能等DER并网时，ADN各节点的THDu约等于单个DG并网时THDu的两倍；推广到n个DER单元并网，ADN各节点的THDu约等于单个DER单元并网时的n倍；ADN各节点的总谐波电流含量大于单个DG并网时的2倍，推广到n个DER单元并网，ADN各节点的谐波电流含量大于n倍的单个DER单元并网时的谐波电流含量。

3 电压型谐波源谐波特性分析

3.1二极管整流器功率与THDu的关系

二极管整流器在节点E接入ADN，通过改变直流侧电阻功率，观察接入点E的THDu，如图5所示。

图5 不同功率下THDuFig.5 THDu at different power

由图5可知，随着二极管整流器功率的增大，ADN接入点的THDu增加，但并不是成比例增加。

3.2接入点与THDu的关系

与图5相比，改变二极管整流器接入点，在节点D接入ADN，整流功率与图5中的整流功率相同，观察节点D，E的THDu。

图6 不同功率下的基波电压有效值和THDuFig.6 THDu at different power

与图5相比，由于改变了二极管整流器的接入位置，更接近公共连接点(PCC)，因此THDu略微降低。通过仿真还发现，整个ADN系统的负载特性也会影响THDu，负载感性功率所占比例越大，二极管整流器为系统带来的电压畸变就越严重。

3.3 畸变电压传播特性

在ADN的节点D接入功率为10 kW二极管整流器，观察ADN各节点的THDu，仿真结果如表6所示。

表6 ADN各节点的THDuTable 6 THDu of each point of ADN

由表6可知，电压谐波源越接近ADN末端，电网的THDu越大，越靠近ADN始端，THDu越小。当然，ADN短路容量和变压器容量也会影响ADN各节点的THDu，容量越大，THDu就越小。

4 结语

DG/分布式储能等DER并网相关标准要求在非额定功率下并网谐波电流含量小于额定功率下并网谐波电流含量，但DG/分布式储能等DER在非额定功率并网时的THDi却远远超过5%，若借以合适的调度手段，使并网换流器只工作在额定功率和不工作两种状态，则可大幅降低ADN的THDi。

由上述分析可得出以下结论：(1) ADN中，DER并网产生的谐波电流基本都经主干线路流入电网系统，负荷节点几乎无谐波电流流入，故就地治理能获得最佳效果。(2) 并网点负荷特性会影响DER并网的电压畸变程度。若并网点负载为纯阻性负载，则THDu极小；若并网点负载为阻感性负载，则THDu就会很大。(3) 直流侧采取大电容滤波的二极管整流器为典型的电压型谐波源，其接入点THDu与整流器功率密切相关。此外，电压畸变会传播至整个同级电网，越靠近ADN线路末端THDu就越大，越接近ADN线路始端，THDu就越小。

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(编辑刘晓燕)

The Impact of Distributed Energy on HarmonicCharacteristics in Active Distribution Network

ZHU Qingrong, HUANG Wenjie, XU Xiuhua, ZHANG Tao

(School of Power Engineering Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167, China)

In this paper, the influence of distributed energy on the harmonic of active distribution network is studied. Firstly, the distributed energy in active distribution network is classified according to the type of harmonic source, which includes current type and voltage type harmonic source. Then harmonic current’s generation, propagation and superposition rules are analysed by simulation method, as the harmonic source’s power, the load at connected point and connected point change. The generation and propagation of harmonic voltage in ADN are studied, considering the power and connected point of the harmonic source’ change. As the simulation results, the conclusions are drawn to guide the connected points’ selection of the units in ADN.

active distribution network； current mode harmonic source； voltage mode harmonic source； harmonic transformation； harmonic superposition component