分布式電源并網(wǎng)的仿真研究

劉 林，羅 劍，舒 斌

(1.四川省建筑設(shè)計(jì)院，四川 成都 610017;2.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

目前，分布式發(fā)電(distributed generation，簡(jiǎn)稱DG)已成為一種重要的電力電源形式。所謂的分布式發(fā)電，是指與配電系統(tǒng)(6 kV 或10 kV)并聯(lián)運(yùn)行或采用獨(dú)立小電網(wǎng)的運(yùn)行方式，通常指光伏發(fā)電、風(fēng)能發(fā)電、燃料電池發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)、微型燃?xì)廨啓C(jī)等以天然氣或氫氣為燃料的新型發(fā)電技術(shù)［1］。分布式電源具有電壓等級(jí)要求低、電源容量小，運(yùn)行方式靈活等特點(diǎn)。可以滿足大電網(wǎng)運(yùn)行和電力用戶的要求，在一定程度上彌補(bǔ)現(xiàn)有電網(wǎng)的不足。

另外，分布式電源(DG)并網(wǎng)使得配電系統(tǒng)從單電源輻射狀網(wǎng)絡(luò)變?yōu)橐粋€(gè)多電源網(wǎng)絡(luò)。各支路的潮流不再是簡(jiǎn)單的由變電站母線向負(fù)荷流動(dòng)，系統(tǒng)的控制將變得更加復(fù)雜。配電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定，規(guī)劃和運(yùn)行將大大改變［2－3］。配電網(wǎng)絡(luò)中短路電流的大小、流向分布以及重合閘的動(dòng)作行為都會(huì)受到DG的影響。

在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器作為發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的接口設(shè)備，它的主電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)決定著整個(gè)系統(tǒng)的性能［4］。它可將分布式電源發(fā)出的直流電逆變成與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電，最終實(shí)現(xiàn)將逆變出的交流電能供給本地負(fù)載或者以單位功率因數(shù)饋入到電網(wǎng)中。

1 分布式電源并網(wǎng)發(fā)電的標(biāo)準(zhǔn)

由于分布式電源的并網(wǎng)在一定程度上影響了電網(wǎng)及調(diào)節(jié)能力，因此國(guó)際上對(duì)分布式并網(wǎng)系統(tǒng)指定了一系列的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其中，IEEE1 547－2003 是第一個(gè)規(guī)范分布式電源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，其限定的是容量不超過(guò)10 MW，工作頻率為60 Hz 的分布式發(fā)電系統(tǒng)。對(duì)于中國(guó)使用的50 Hz 系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，同樣具有參考意義。表1 所示的是在標(biāo)準(zhǔn)下的并網(wǎng)系統(tǒng)頻率異常響應(yīng)時(shí)間，表2 所示的是并網(wǎng)電流的諧波標(biāo)準(zhǔn)。

表1 并網(wǎng)系統(tǒng)頻率異常響應(yīng)時(shí)間

表2 并網(wǎng)電流諧波指標(biāo)

2 逆變器控制方式的選擇

所建立的等效單相分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)是將直流電轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電的系統(tǒng)，從而既向負(fù)載供電，又可以向電網(wǎng)發(fā)電。分布式電源輸入直流側(cè)使用等效直流源，輸入到交流電網(wǎng)中需要運(yùn)用逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姡?－6］。逆變器按照控制方式可以分為電壓源電壓控制、電壓源電流控制、電流源電流控制和電流源電壓控制4種方式。

一般來(lái)說(shuō)，以電流源輸入的逆變器，為了提供穩(wěn)定的直流電流輸入，都需要在直流側(cè)串聯(lián)很大的電感。但由于串入的電感會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此大部分的并網(wǎng)逆變器都采用電壓源輸入的方式。單相電壓型逆變器的工作原理如圖1 所示。

圖1 單相電壓型逆變器的工作原理圖

圖1 中，Ud為直流電壓;un為逆變后的電壓;LE為濾波電感，用來(lái)濾除交流側(cè)的電流諧波，保證電網(wǎng)的品質(zhì);un為電網(wǎng)的電壓。

逆變器使用橋式電路作為功率電路，將直流輸入變?yōu)榻涣鬏敵觥２⑶矣捎陔姼械臑V波作用，使得輸出的電流波形平滑。橋式逆變電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用單極性正弦脈寬調(diào)制方式(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)推動(dòng)，可以獲得低諧波和高品質(zhì)的電流輸出波形。建立的單向電壓型逆變器仿真模型如圖2 所示，由于采用的是理想電壓源，因此不需要并聯(lián)電容C。

圖2 單向電壓型逆變器仿真模型

3 電流跟蹤方式

這里采用的是電流源輸出的控制方式，電流源輸出的控制方式主要包括滯環(huán)比較方式、定時(shí)控制的電流瞬時(shí)值比較控制方式、以及跟蹤實(shí)時(shí)電流的三角波比較方式。

由于滯環(huán)比較方式具有實(shí)時(shí)控制、電流相應(yīng)快、電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，目前得到了廣泛的應(yīng)用。因此選用滯環(huán)比較器的滯環(huán)比較方式作為輸出電流的控制方式，利用仿真軟件PSCAD/EMTDC 建立滯環(huán)比較器的仿真模型，如圖3 所示。

圖3 滯環(huán)比較器的仿真模型

4 鎖相模塊

在分布式并網(wǎng)系統(tǒng)中，為了保證輸出正弦波電流和電網(wǎng)電壓具有相同的角頻率和相位，需要裝設(shè)一個(gè)鎖相環(huán)節(jié)(PLL)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，PLL 是一個(gè)閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，它能使輸出相位和參考相位之間的相差減小到最小。系統(tǒng)鎖相環(huán)的控制圖如圖4 所示。

圖4 鎖相環(huán)仿真模型

5 分布式電源并網(wǎng)仿真研究

根據(jù)單相分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)的原理，建立等效單相分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，如圖5 所示。

圖5 等效單相分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖6 并網(wǎng)電流和參考電流的比較

圖7 S1區(qū)域放大圖

圖8 并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出功率

圖9 輸出電氣量的比較

圖10 THD 分析圖

濾波電感的感應(yīng)量應(yīng)和滯環(huán)寬度結(jié)合起來(lái)一起考慮，經(jīng)過(guò)分析，本實(shí)驗(yàn)裝置中滯環(huán)寬度取為0.000 5，輸出濾波電感為0.008 H。圖5 中，模型首先建立一個(gè)可以給定角頻率和相位的參考電流模型，然后利用鎖相環(huán)從系統(tǒng)電壓E3處獲取角頻率和相位;然后將相同的角頻率和相位賦給參考電流Iref，運(yùn)用滯環(huán)比較器將參考電流Iref和并網(wǎng)電流Ia進(jìn)行幅值的比較，并網(wǎng)電流Ia和參考電流Iref的比較波形如圖6 所示。

將S1區(qū)域放大，如圖7。可以看出，并網(wǎng)電流圍繞著參考電流進(jìn)行上下波動(dòng)，被限制在環(huán)寬上限和環(huán)寬下限之間。

等效單相分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率如圖8所示。

采用相同的頻率特性進(jìn)行比較，由圖9 可以看出，并網(wǎng)電流可以快速穩(wěn)定地跟蹤上參考電流的變化，并網(wǎng)電流相位幅值與電網(wǎng)電壓同頻同相，滿足輸出功率因數(shù)的設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)分析，并網(wǎng)電流總諧波失真率(THD)小于5%，滿足IEEE 1547－2003 中關(guān)于分布式電源并網(wǎng)電流電能質(zhì)量的要求，仿真模型得到驗(yàn)證。

6 結(jié)論

利用電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC 建立了等效單相分布式電源并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，包括逆變器、滯環(huán)比較器和鎖相模塊，利用輸出的仿真波形，結(jié)合之前的分析，驗(yàn)證了模型的正確性。

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