分布式電源并網的仿真研究

劉 林，羅 劍，舒 斌

(1.四川省建筑設計院，四川 成都 610017;2.華電電力科學研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

目前，分布式發電(distributed generation，簡稱DG)已成為一種重要的電力電源形式。所謂的分布式發電，是指與配電系統(6 kV 或10 kV)并聯運行或采用獨立小電網的運行方式，通常指光伏發電、風能發電、燃料電池發電，燃氣輪機、微型燃氣輪機等以天然氣或氫氣為燃料的新型發電技術［1］。分布式電源具有電壓等級要求低、電源容量小，運行方式靈活等特點。可以滿足大電網運行和電力用戶的要求，在一定程度上彌補現有電網的不足。

另外，分布式電源(DG)并網使得配電系統從單電源輻射狀網絡變為一個多電源網絡。各支路的潮流不再是簡單的由變電站母線向負荷流動，系統的控制將變得更加復雜。配電網的安全和穩定，規劃和運行將大大改變［2－3］。配電網絡中短路電流的大小、流向分布以及重合閘的動作行為都會受到DG的影響。

在分布式發電系統中，逆變器作為發電系統與電網的接口設備，它的主電路結構和控制技術決定著整個系統的性能［4］。它可將分布式電源發出的直流電逆變成與電網電壓同頻同相的交流電，最終實現將逆變出的交流電能供給本地負載或者以單位功率因數饋入到電網中。

1 分布式電源并網發電的標準

由于分布式電源的并網在一定程度上影響了電網及調節能力，因此國際上對分布式并網系統指定了一系列的技術標準。其中，IEEE1 547－2003 是第一個規范分布式電源系統的標準，其限定的是容量不超過10 MW，工作頻率為60 Hz 的分布式發電系統。對于中國使用的50 Hz 系統來說，同樣具有參考意義。表1 所示的是在標準下的并網系統頻率異常響應時間，表2 所示的是并網電流的諧波標準。

表1 并網系統頻率異常響應時間

表2 并網電流諧波指標

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系統是將直流電轉化為和電網電壓同頻、同相的交流電的系統，從而既向負載供電，又可以向電網發電。分布式電源輸入直流側使用等效直流源，輸入到交流電網中需要運用逆變器將直流電轉變為交流電［5－6］。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。

一般來說，以電流源輸入的逆變器，為了提供穩定的直流電流輸入，都需要在直流側串聯很大的電感。但由于串入的電感會導致系統動態響應差，因此大部分的并網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，用來濾除交流側的電流諧波，保證電網的品質;un為電網的電壓。

逆變器使用橋式電路作為功率電路，將直流輸入變為交流輸出。并且由于電感的濾波作用，使得輸出的電流波形平滑。橋式逆變電路的驅動信號采用單極性正弦脈寬調制方式(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)推動，可以獲得低諧波和高品質的電流輸出波形。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比較方式、定時控制的電流瞬時值比較控制方式、以及跟蹤實時電流的三角波比較方式。

由于滯環比較方式具有實時控制、電流相應快、電路設計簡單等優點，目前得到了廣泛的應用。因此選用滯環比較器的滯環比較方式作為輸出電流的控制方式，利用仿真軟件PSCAD/EMTDC 建立滯環比較器的仿真模型，如圖3 所示。

圖3 滯環比較器的仿真模型

4 鎖相模塊

在分布式并網系統中，為了保證輸出正弦波電流和電網電壓具有相同的角頻率和相位，需要裝設一個鎖相環節(PLL)。簡單地說，PLL 是一個閉環反饋控制系統，它能使輸出相位和參考相位之間的相差減小到最小。系統鎖相環的控制圖如圖4 所示。

圖4 鎖相環仿真模型

5 分布式電源并網仿真研究

根據單相分布式電源并網系統的原理，建立等效單相分布式電源并網系統的仿真模型，如圖5 所示。

圖5 等效單相分布式電源并網系統內部結構

圖6 并網電流和參考電流的比較

圖7 S1區域放大圖

圖8 并網系統的輸出功率

圖9 輸出電氣量的比較

圖10 THD 分析圖

濾波電感的感應量應和滯環寬度結合起來一起考慮，經過分析，本實驗裝置中滯環寬度取為0.000 5，輸出濾波電感為0.008 H。圖5 中，模型首先建立一個可以給定角頻率和相位的參考電流模型，然后利用鎖相環從系統電壓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，運用滯環比較器將參考電流Iref和并網電流Ia進行幅值的比較，并網電流Ia和參考電流Iref的比較波形如圖6 所示。

將S1區域放大，如圖7。可以看出，并網電流圍繞著參考電流進行上下波動，被限制在環寬上限和環寬下限之間。

等效單相分布式電源并網系統輸出功率如圖8所示。

采用相同的頻率特性進行比較，由圖9 可以看出，并網電流可以快速穩定地跟蹤上參考電流的變化，并網電流相位幅值與電網電壓同頻同相，滿足輸出功率因數的設計要求。

經分析，并網電流總諧波失真率(THD)小于5%，滿足IEEE 1547－2003 中關于分布式電源并網電流電能質量的要求，仿真模型得到驗證。

6 結論

利用電磁暫態仿真軟件PSCAD/EMTDC 建立了等效單相分布式電源并網系統的仿真模型，包括逆變器、滯環比較器和鎖相模塊，利用輸出的仿真波形，結合之前的分析，驗證了模型的正確性。

［1］袁超，吳剛，曾祥君，等.分布式發電系統繼電保護技術［J］.電力系統保護與控制，2009，37(2):99－105.

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［6］崔巖，蔡炳煌，李大勇.太陽能光伏模板仿真模型的研究［J］.系統仿真學報，2006，18(4):529－834.