基于RTDS分布式光伏接入配電網的諧波分析

徐文麗，鮑 偉，楊 秀，歐善科，王巨波

(1.上海電力學院，上海200090；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200080；3.國網上海市電力公司檢修公司，上海200060)

基于RTDS分布式光伏接入配電網的諧波分析

徐文麗1，鮑 偉2，楊 秀1，歐善科3，王巨波1

(1.上海電力學院，上海200090；2.國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200080；3.國網上海市電力公司檢修公司，上海200060)

為了更好地研究光伏發電中電力電子裝置對配電網諧波的影響，建立了基于實時數字仿真儀(RTDS)的配電網模型。針對幾種典型接入方式的情況下，仿真計算三相逆變器對配電網諧波的影響。分析了光伏接入配電網上不同節點，光伏發電不同的出力量均對配電網諧波造成不同程度的影響。實驗表明，光伏并網與大電網間的公共連接點之間的阻抗對諧波影響很大。

RTDS；光伏；配電網；諧波

隨著近些年來經常發生大面積停電和電荒現象，傳統電網已經逐漸顯現出它的一系列缺點，如周期長、投資大、可靠性不足等。隨著技術不斷進步，光伏發電有可能成為最具有發展前景的發電技術之一。因為太陽能具有資源的無限性和分布性，并且和自然關系友好，不排放廢水廢氣，能做到真正的綠色發電，維護的成本也很低，不需要有人看守。通常光伏并網都會采用逆變器裝置轉換成標準的工頻交流電供給配電網負荷使用，而并網逆變器一般會采用高頻的SVPWM調制，導致產生大量的諧波進入電網，這樣會對配電網電能質量產生不利的影響。

光伏并網的復雜性和配電網拓撲結構的多樣性對配電網諧波特性的研究提出了更大的挑戰。文獻[1]在PSCAD軟件上對同步電機供電的配電網進行仿真研究，闡明了同步發電機的出力量增大有助于減少諧波畸變量。文獻[2]在同步發電機的非線性模型下，用解耦潮流算法對分布式發電(DG)配電網進行諧波含量分析，實驗證明在非線性DG并網后會注入大量諧波，引起系統諧波含量的增高。本文基于實時數字仿真儀(RTDS)建立了光伏逆變系統和配電網模型，運用理論分析和仿真計算，對光伏并網后的諧波特性進行詳細分析。

1 仿真模型

1.1 光伏建模

圖1為具有LCL濾波功能的光伏并網系統的結構模型，其中光伏列陣利用最大功率點跟蹤 (maximum power point tracking，MPPT)電壓，調節控制系統得到并網有功電流的指令信號，根據有功電流的指令信號得到所需要補償諧波電流的指令信號，經過指令信號得到并網指令信號，控制逆變器工作。并網后的輸出電流通過LCL濾波器，不僅能將改善后的光伏有功能量注入電網，還能有效抑制諧波，改善電能質量。

圖1 具有LCL濾波功能的光伏并網系統的結構模型

1.2 系統結構模型

光伏中的三相SVPWM并網逆變器常常采用PQ解耦控制，其原理如圖2所示。該控制采用了逆變器側電流作為內環，并網側電感電流作為外環的雙電流雙環控制系統，同時利用同步矢量電流比例-積分(proportional integral，PI)調節器的SVPWM并網技術實現晶體管的開通和關閉，使經過LCL濾波器之后的電壓電流同頻同相，確保了光伏并網后注入的電流諧波總含量(total harmonic distortion，THD)符合 IEEE929-2000標準。

圖2 光伏并網控制系統

1.3 配電網模型結構

文獻[3]采用的是實際多節點純鏈式配電網的負荷模型，該負荷模型是采用恒功率靜態復合模型，但是它屬于純鏈式饋線模型，不利于驗證和分析DG接入配電網特性研究。圖3所示為該配電網的結構模型和數據。該配電網模型被認為是“適合于分析，設計，驗證光伏并網計算的工具和技術”，能表現出配電網的各種電力特性和結構特征。

如圖3所示，該配電網是一個電壓等級為0.38 kV的單鏈式輻射狀網絡，其中負荷節點為N31，N44，N61，N91，N101。為了更好地研究其光伏并網對諧波特性的影響，各段輸電線路阻抗都采用恒阻抗，即RL負荷。

圖3 配電網模型

2 仿真結果分析

如圖4所示，采用同樣的配電網和負荷數據，分析DG接入位置變化對諧波總量的影響。因為DG接入點與配電網接入大電網的公共連接點(point of common coupling,PCC)間的阻抗遠遠小于配電網中電氣距離的等效阻抗，光伏逆變器的諧波絕大部分都流向了PCC。所以可從圖4中看出，在單一集中的光伏電池板中，DG接入節點之前的THD越來越大，而DG接入點之后的THD越來越小，但是這兩種變化程度并不一樣，也就是說越靠近分布式光伏電池板，其THD含量越高。從總體來看，DG接入點越是遠離PCC，其THD含量都是隨之增大。

圖4 DG位置變化對饋線諧波電壓畸變率的影響

從圖5可看出，當光伏逆變器接入N7節點時，隨著光伏電池板的容量逐漸增加，配電網各節點THD將逐漸升高。當負荷小于光伏發電容量時，如表1和表2所示，THD的最大值將不再出現在電路末端，而是在光伏逆變器的接入點。實驗實時仿真了在光伏接入位置不變的情況下，THD是由光伏電池板的總出力決定的。

圖5 DG接入N7出力變化對饋線諧波電壓畸變率的影響

表1 DG接入節點位置信息

表 2 DG的容量

3 結論

本文通過光伏逆變器和配電網的搭建，還有基于RTDS上的仿真計算，研究分析了光伏逆變器對配電網諧波的影響。首先，實驗證明了高次諧波受光伏電池板和PCC點間的阻抗影響很大，阻抗越大，其對諧波的抑制作用越強，THD越小；離光伏接入點越近，其THD越大。其次，THD也受光伏電池板的總出力的影響，總出力越大，其THD越大，在此情況下，本文加入了LCL濾波器，可明顯抑制高次諧波的影響。

[1]BOMMAREDDY C,MAKRAM E.Power quality studies in the presence of DG[D].New York:Clemson University,2009.

[2]LADJAVARDI M,MASOUM M,ISLAM S.Impact of a SG nonlinear model on the harmonic distortion of a distribution generation system[C]//Proceedings of IEEE Power Engineering Conference.L.A:AUPES,2008.

[3]王麗萍，江波，邱飛岳.基于決策偏好的多目標粒子群算法及其應用[J].計算機集成制造系統，2010，16(1)：140-148.

Harmonic analysis of photovoltaic access to distribution network based on RTDS

In order to better study the effect of the power electronic device of photovoltaic power generation on harmonic in distribution network,a distribution network model based on RTDS was established.According to the typical access ways, the effect of three-phase inverter on harmonic in distribution network was simulated and calculated.The PV access to distribution network with different node and the different power of photovoltaic power generation have different degrees of impact on harmonic in distribution network.Experimental study shows that the impedance between photovoltaic grid and public connection has great influence on harmonic.

RTDS;photovoltaic;distribution network;harmonic wave

TM 727

A

1002-087 X(2016)06-1260-02

2015-12-16

國網上海市電力公司科技項目(20132700815-WB01)；國家電網公司科技項目(H2013-042)；“曙光計劃”(10SG51)

徐文麗(1989—)，女，湖北省人，碩士，主要研究方向為電力系統暫態分析及電能質量分析。