低压并网型微电网电能质量扰动实验方法设计

黄朵 林建军 曾尚德

摘 要：微网并离网情况下，可能会因非线性负载、谐波、负荷波动和系统故障等扰动使得电能质量受到影响。为了对微电网电能质量扰动因素进行深入分析和探究，本文设计了一系列微电网电能质量扰动实验方法，并进行了实验举例分析。

关键词：微电网;电能质量;实验方法;扰动实验

中图分类号：TM732 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）34-0116-03

Design of Low Voltage Grid-connected Micro-grid Power

Quality Disturbance Experiment Method

HUANG Duo LIN Jianjun ZENG Shangde

（FuJian Electric Power Technical College，Quanzhou Fujian 362000）

Abstract： Power quality may be affected by nonlinear load， harmonic wave， load fluctuation and system failure. In order to deeply analyze and explore the disturbance factors of micro grid power quality， this paper designed a series of experimental methods of micro grid power quality disturbance， and gave some examples.

Keywords： micro-grid;power quality;experiment method;disturbance experiment

1 微电网电能质量扰动实验的意义

微电网是局部微型电网包含了一个电网应该有的基本要素，如电源、负荷、网络及控制保护等。正因为微电网的“微小”，所以，其电能质量较容易受到来自内部或是外部的扰动影响。当前，虽然有较多学者针对微电网电能质量问题进行了论述和研究，但针对微电网电能质量扰动实验方法的研究较少。由于对微电网电能质量产生干扰的内外部因素较多，难以一个一个地分析和讨论，因此，笔者需要通过扰动实验对微电网电能质量扰动的特征进行深入分析，以确定何种扰动是微电网电能质量问题的主因，以为微电网电能质量问题研究提供重要依据。由此可见，设计一系列电能质量扰动实验方法具有重要意义，通过实验可实现扰动数据的收集和分析，并进一步将其作为微电网电能质量控制和监测的依据。

2 实验平台

为了实现微电网电能质量扰动实验方法设计，本文构建了一个约40kW的低压并网型微电网实验平台。实验平台的主要设备包括小型光伏和风电的微电网系统1套（含双向储能逆变器、交流并网柜、微电网紧急负荷控制装置和储能设备）、电能质量监测装置2台和可调节模拟负载柜1台。实验平台接线按常规低压并网型微电网常模型进行接线[1]。在实验平台中，光伏发电峰值功率约为32kW，风力发电峰值功率约为5kW，储能系统容量约为50Ah，模拟负载最大容量为50kVA。模拟负载可以实现谐波注入、功率因素调整及突然投切负荷的控制功能。

3 实验方法设计

3.1 微电网并网状态扰动实验方法

在实验平台微电网并网状态下，微电网自动控制系统会自动检测微电网储能装置的储能情况，若储能未满，则会自动调节PCS装置向蓄电池充电。而发电单元的出力除向储能装置充电外，剩余部分全部馈送给所并的大电网。因此，为了确保微电网并网状态正常，需要确保各电流变换单元工作正常。在本实验设计中，假设初始状态为微电网储能装置储能已满，分布式发电单元（微电源）出力正常及风光电逆变器、双向储能逆变器等电子转换器件工作正常。

并网扰动实验方法设计步骤如下。

第一步，调节模拟负载功率大小，使其与微电源容量相匹配，并将调节好的模拟负载通过交流并网柜接入低压并网型微电网实验平台。

第二步，在微电网并网公共连接点及交流母线上分别接入电能质量在线监测仪。

第三步，调节模拟负载和发电单元出力等各项参数，分別模拟偶次谐波、奇次谐波、电压骤降、电压骤升和三相平衡等扰动因素。

第四步，每个扰动注入10min后，由电能质量监测仪采集操作切换过程中电能质量数据，并由微电网监控系统采集各元件的功率、电压和电流数据。

需要注意的是，在实验中需要将上述实验每个扰动因素数据重复采集4遍，收集多个实验数据，以确保实验数据的准确性[2]。

微电网并网扰动实验根据扰动因素特征可以分为谐波扰动和电压扰动。

3.2 微电网离网状态扰动实验方法

微电网在离网状态下，大电网对其功率支持消失，这时微电网系统的功率平衡主要是通过微电网发电单元和储能装置来维持的。在发电单元出力和储能系统储能情况会直接影响微电网电能质量的状态下，考虑到微电网系统的整体正常运行，本次实验方法设计假设发电单元出力正常，分别对微电网储能未满和微电网储能已满两种情况进行扰动实验。

离网扰动实验方法设计步骤如下。

第一步，调节模拟负载功率大小，使其与微电源容量相匹配，并将调节好的模拟负载通过交流并网柜接入低压并网型微电网实验平台。

第二步，将微电网储能系统电池充满或是微电网储能系统电池放电至60%。

第三步，在微电网并网公共连接点及交流母线上分别接入电能质量在线监测仪。

第四步，调节模拟负载的各项参数（电抗、电阻和电容等），分别模拟偶次谐波、奇次谐波、电压骤降、电压骤升和三相平衡等扰动因素。

第四步，每个扰动注入10min后，由电能质量监测仪采集操作切换过程中电能质量数据，并由微电网监控系统采集各元件的功率、电压和电流数据。

3.3 微电网操作切换扰动实验方法

微电网是一个局部微型自平衡电网，与大电网相比更容易受到并网、离网、负荷投切、电源投切等操作的影响，尤其在离网状态下，操作切换过程带来的PQ变化直接影响微电网的电能质量。由于微电网并网下受到大电网支持，操作切换下总体波动不大。为此，本文主要针对微电网离网状态下的操作切换扰动实验方法进行设计。假设微电网初始状态为离网，发电单元出力正常、各逆变器正常和储能系统储能已满。

操作切换扰动实验方法设计步骤如下。

第一步，调节模拟负载功率大小，使其与微电源容量相匹配，并将调节好的模拟负载通过交流并网柜接入低压并网型微电网实验平台。

第二步，操作并离网控制开关，使微电网系统与大电网脱离。

第三步，通过监控系统操作发电单元投入（退出）或是将模拟负载功率调节至一个较大值突然接入（退出）离网状态下的微电网。

第四步，由电能质量监测仪采集操作切换过程中电能质量数据，并由微电网监控系统采集各元件的功率、电压和电流数据[3]。

4 微电网扰动实验举例

4.1 试验过程及试验数据

依照上述实验平台搭建方法，搭建微电网扰动实验平台，模拟负载为三相负荷;同时，通过交流并网柜接入其他实际负载，其中A相接入的负载为电脑、服务器和UPS等电子产品负载，B相负载为空调负载，C相主要接入的是照明和空调负载。A相接入的除模拟负载外的实际负载功率约为6kW，B相接入的除模拟负载外的实际负载功率约为6.3kW，C相接入的除模拟负载外的实际负载功率约为10kW。

实验时，将模拟负载柜通过微电网交流并网柜接入微电网交流母线，调节模拟负载柜参数注入谐波，以微电网交流母线为主要监测点。由监控系统采集到的交流母线和逆变器数据分别为交流母线三相电流，分别为A相18.15A、B相30.364A和C相17.355A，并网PCS电流为A相10.9A、B相9.8A和C相11.23A[4]。

然后，根据上述监控系统采集到的电流大小，通过模拟负载柜注入一定比例的谐波电流。本次实验注入的谐波电流大小分别为3次谐波4A和5次谐波2A。通过电能质量监测仪获取电流电压波形数据，如图1和图2所示。

为了更好地分析实验数据，对实验扰动注入后采集到的电能质量数据进行分类统计，分类后主要数据包括扰动实验电流参数和扰动实验电压参数。

①扰动实验电流数据：三相电流不平衡度为178.689%，三相电流总谐波畸变率A相为111.67%，其余两相正常;三相奇次谐波电流A相为4.164A，B相为1.648A，C相为2.375A;三相偶次谐波电流A相为0.247A，B相为0.157A，C相为0.33A。

②扰动实验电压数据：三相电压总有效值A相为0.234kV，B相为0.238kV，C相为0.236kV;三相电压平衡度为0.168%（合格）;三相零序电压为0.004kV;电压总谐波畸变率A相为1.486%，B相为1.725%，C相为2.413%，三相均合格;3次谐波电压含有率A相为6.082%，B相为4.686%，C相为5.47%，三相均不合格;5次谐波电压含有率A相为5.45%，B相为4.23%，C相为4.33%[5，6]。

4.2 结论

通过上述实验举例，对比实验相关数据与正常状态数据可发现，微电网并网状态下谐波注入之后，所采集到的实验数据能反映当前实验中所设置的扰动参数，通过对扰动参数的特征进行分析，可以得到这一扰动对电能质量的影响情况。在本次实验举例中，谐波注入交流并网母线后，可发现微电网系统中出现了电流总谐波畸变率、电压3次谐波和5次谐波含有率略不合格的情况，且对波形进行分析可知，电流波形出现明显畸变，电压波形出现局部细小锯齿状，波形与电流电压报表数据吻合。由此可得出，在并网状态下，若大电网没有谐波污染，但微电网内部出线谐波干扰将会对微电网系统电能质量造成较大影响，在分析微电网电能质量问题时，需要对来自微电网内部的谐波进行重点研究分析。同时，本文所设计的系列实验方法也可以用于验证一些微电网电能质量控制和监测方法是否正确可行。

参考文献：

[1]李富生，李瑞生，周逢权.微电网技术及工程应用[M].北京：中国电力出版社，2013.

[2]赵山，文黎星，赵伟，等.基于微电网的电能质量问题研究[J].广东电力，2012（10）：61-64.

[3]潘汉广.基于运行方式分析的微电网电能质量研究[J].机电信息，2014（6）：22-23.

[4]黎金英.微電网分层控制及其电能质量改善研究[D].北京：华北电力大学，2015.

[5]郭芳，邓长虹，廖毅.微电网中的电能质量问题及其改善措施[C]//直流输电与电力电子专委会学术年会.2012.

[6]阚博文，刘广一，KHODAYAR Mahdi等.基于图机器学习的分布式光伏发电预测[J].供用电，2019，11：20-27.