分布式能源對主動配電網諧波特性影響的研究

竺慶茸, 黃文杰， 徐修華， 張 韜

(南京工程學院電力工程學院， 江蘇 南京 211167)

分布式能源對主動配電網諧波特性影響的研究

竺慶茸, 黃文杰， 徐修華， 張 韜

(南京工程學院電力工程學院， 江蘇 南京 211167)

本文研究分布式能源對主動配電網諧波特性的影響，首先將主動配電網中分布式能源按照諧波源類型進行分類，即電流型和電壓型諧波源；其次利用仿真的方法，當電流型諧波源的并網功率變化、諧波源的并網點負載特性變化和諧波源的并網點變化時，分析主動配電網中的諧波電流產生、傳播和疊加的規律；接著考慮電壓型諧波源的負載功率不同、并網點不同的情況，分析主動配電網中諧波電壓的產生和傳播規律；最后根據仿真結果分析得出結論，以指導主動配電網中各單元并網點的選取。

主動配電網；電流型諧波源；電壓型諧波源；諧波傳播；諧波疊加

0 引言

傳統配電網通過增加電網容量裕度和調整電網結構以保證電網安全、穩定運行，高滲透率分布式能源(distributed energy resource，DER)并網容易引起電網電壓越限、雙向潮流問題[1-5]。若通過調整電網結構頻繁投切分布式電源解決，成本太高；且電力負荷增長率低，增加電網容量裕度顯然不科學。在此背景下，國內外學者提出借用信息與通信技術和控制理論實現電網的主動控制，以解決高滲透率DER接入的問題，并于2008年在國際大電網會議(CIGRE)上提出了主動配電網(ADN)的概念，指出ADN可以通過靈活的網絡結構來管理潮流。DER基本構成是：分布式電源(DG，包括光電PV、風電WPG等)、分布式儲能、可控負荷(電動汽車EV、響應負荷RL)[6-9]。

ADN中的電能質量問題可分為以下幾點[10-14]：(1) 諧波問題。ADN中諧波源主要包括：風電、光電、儲能,響應負荷的并網逆變器、儲能和響應負荷的整流器、變壓器、非線性負載及為解決電力系統自身的問題而投入的電力設備，如調速電機和無功功率補償設備。文中將其分為電壓諧波源和電流諧波源。(2) 電壓問題，包括三相電壓不平衡、電壓波動、越限的問題。不平衡主要由于小容量DG采用單相逆變器并網，電壓波動和越限主要因為DG出力隨機性大。

較傳統配電網，ADN中含有大量的大容量電力電子設備，導致電壓和電流波形畸變越來越嚴重；且DER在ADN中的擁有“源”“荷”雙重身份，使ADN雙向潮流、潮流反送；再加上DER的間歇性、高隨機性，導致DER接入的節點電壓波動和閃變現象更頻繁。此外，ADN系統阻抗因靈活多變的網絡結構而不再恒定，傳統的低成本LC濾波器容易與系統發生諧振，引起諧波電流或電壓放大[11]，燒毀電氣設備，特別是電容器和電抗器。

文中根據ADN中不同DER單元的諧波特性分別建立對應的諧波源模型，包括電流型諧波源和電壓型諧波源；利用仿真對DER的諧波特性進行詳細分析，包括DG/分布式儲能等DER單元并網點、并網點負載特性對其諧波電流的影響，進而分析諧波在ADN中的傳播特性和諧波疊加特性；最后分析了直流側采取大電容濾波的二極管整流電路的電壓諧波源給ADN帶來的電壓諧波的影響，考慮了整流器功率、接入點位置對電壓畸變在ADN中傳播的影響。

1 DER的諧波源模型

文中建立了便于研究ADN諧波問題的DER諧波源模型，選用的ADN模型是在范明天教授所提出的模型基礎上進行了適當修改。DG、分布式儲能、可控負荷都是通過電力電子裝置與電網連接，采用三相PWM電壓型變流器裝置，交流側經過濾波電感與電網相接的功率開關電路，可將其視為電流型諧波源。而直流側采用大電容濾波的單相/三相二極管整流電路(下文簡稱為二極管整流器)，由于直流側電壓基本保持不變，而交流側電壓因由直流側電壓決定而含有大量的諧波，故可將其視為電壓型諧波源[16]，如電動機變頻器整流電路、計算機電源、二極管燈整流器等。

文中僅對380 V低壓主動配電網諧波特性進行研究，ADN系統結構圖如圖1所示。圖中，vS為上級配電網電壓，線電壓有效值為10 kV，短路容量100 MW；RS，LS為系統阻抗；T為容量為200 kV·A、變比為10 kV/0.4 kV的有載調壓器；Z為線路阻抗；LT1，RT1，LT2，RT2，LT3，RT3為負載；DER1、DER2模擬光伏、風電等DER；LF、LF1表示并網用低通濾波器；Rec為整流器；A,B,C,D,E分別表示ADN的5個節點。

圖1 主動配電網結構Fig.1 Structure diagram of active distribution network

1.1 電流型諧波源和諧波源模型

因采用成熟的PQ解耦控制和PWM調制技術，DER并網的低次諧波電流顯著下降，然而仍存在一定量的開關頻率次諧波和邊頻帶頻率次諧波。換流器輸出側采用L、LC或LCL低通濾波器，但由于系統阻抗及其變化，仍會導致換流器濾波效果下降，故DG并網換流器注入電網的諧波電流主要為高次諧波。當DER并網功率小于并網換流器的額定容量時，諧波含量成倍增加。注入ADN的諧波電流流經電網阻抗時又會產生諧波電壓，因此給ADN引入諧波電壓。

圖2 分布式電源等效電流型諧波源Fig.2 Equivalent current harmonic source of distributed power supply

為了詳細研究DER并網對ADN諧波特性的影響，建立如圖2所示的諧波模型。圖中ig為電網電流；ug為電網電壓；ish為電網電流諧波。DER以諧波電流源的形式向ADN注入諧波電流，由于DER阻抗并非無窮大，故采用理想的電流諧波源和等效阻抗并聯的形式[17]。

1.2 電壓型諧波源和諧波源模型

直流側為電容的二極管整流電路，交流側電壓完全由直流側電壓和二極管的開關狀態決定，不能再將其視為電流型諧波源，必須考慮建立其他種類的諧波源模型。

若二極管整流器直流側為無窮大電容、電壓恒定，可將此狀態下的分布式儲能電池視作理想的電壓型諧波源；然而直流側電容不可能為無窮大，因此一般將其等效為理想電壓型諧波源和等效阻抗Z的串聯，直流側電容越大，Z越小，反之越大。等效模型如圖3所示，其中vsh為電網電壓諧波。

圖3 二極管整流器等效電壓型諧波源Fig.3 Equivalent voltage harmonic source of Diode rectifier

2 ADN中DER諧波特性分析

常見的光伏、風電、分布式儲能等DER都是利用三相換流器實現并網的，且它們使用的三相換流器結構和控制策略相同，常采用通過閉環控制并網的有功和無功功率的控制策略(PQ控制策略)，文中仿真基于此控制策略完成。由于光伏和風電自身間歇、波動的特性，并網時其換流器并非工作在額定功率下，而分布式儲能要實現“削峰填谷”作用，其換流器也常工作在非額定功率下。所以，本節同時研究光伏、風電、分布式儲能等DER給ADN帶來的諧波方面的影響。

2.1 DG/分布式儲能不同功率并網時的諧波特性

利用額定功率P為10 kW的并網換流器在節點E并網，并網點負載為純阻性負載，功率為5 kW，其余各節點的負載視在功率為5 kW+j5 kVar。不同功率并網時基波電流，電流總諧波畸變率(THDi)、電壓總諧波畸變率(THDu)及諧波電流含量如圖4所示。

圖4 不同功率并網時基波電流、THDi和THDu及諧波電流含量Fig.4 Fundamental current, THDi, THDu and harmonic current content at different power

由圖4可知，DG/分布式儲能接入ADN的諧波具有以下規律：(1) DG/分布式儲能等DER的并網換流器工作在其額定功率的10%，30%，50%，80%時，THDu基本保持不變，與并網換流器工作在額定功率下的THDu基本相同；THDi數倍于并網換流器工作在額定功率下的THDi，但諧波電流含量(諧波電流絕對值)則變化不大，小于額定功率下的諧波電流絕對值。值得注意的是，當DG并網換流器工作在大于額定功率時，其諧波電流含量將明顯增大。(2) 對并網電流進行傅里葉分析可發現：低次諧波電流比較大，且大于離網運行時的各次諧波；通過比較DG離網和并網仿真結果可得：并網換流器的低通濾波器因受系統阻抗影響，濾波效果下降。(3) 202、204次諧波含量較高(系統仿真開關頻率為10 kHz)，其頻率約等于并網換流器的開關頻率。

2.2 諧波在ADN中的傳播特性

DG/分布式儲能在節點E并入ADN時，各節點負載都為阻感性負載S=5 kW+j5 kVar，觀察ADN各節點諧波情況，仿真結果如表1所示；改變并網點的負載特性，即改變無功功率大小，觀察節點E的諧波特點，其仿真結果如表2所示。

表1 各節點基波電壓有效值和THDu及諧波電流含量Table 1 Fundamental voltage RMS, THDu and harmonic current of each node

表2 不同負載情況下并網的THDi和THDu(S=5 kW+jQ)Table 2 THDi and THDu of grid connected under different load conditions

項目S=5kW+jQ/kVar0.51510THDi/%3.093.132.752.29諧波電流含量/A0.450.460.410.34THDu/%7.478.058.578.73

由表1可知，DG/分布式儲能等DER的并網點固定時，配電網末端的THDu最高，越接近配電網始端的THDu越低；負荷節點C處諧波電流很小，節點E，D，B諧波電流含量基本相等，可知由并網點注入ADN的絕大部分諧波電流都經主干線路流入電網系統。由表2可知，改變并網點負載感性，使無功功率與有功功率之比為0.1，0.2，1，2時，并網點的諧波電流含量基本保持不變；THDu則隨著感性功率比例的增加而升高。且與圖4相比，由于并網點負載從純阻性負載變為阻感性負載，THDu陡增了數倍，進而電壓畸變傳播使整個同級配電網諧波電壓含量升高，由于電壓畸變的傳播遇到變壓器會被隔離，因此上級配電網因為有變壓器的隔離和較大的短路容量而幾乎不受影響。

此外，ADN中相同功率的DG/分布式儲能等DER在不同位置并網，也會表現出不同的諧波電壓、電流特性。利用一個額定功率為10 kW的換流器分別在節點B，C，D，E處接入ADN，其THDu、THDi如表3所示。

表3 不同并網點下的THDi和THDuTable 3 THDi and THDu at different grid connection points

由表3可知，隨著DG/分布式儲能等DER并網點越靠近電網末端，并網的THDi就越大，THDu增大的越明顯。即并網THDi受系統阻抗(負載和線路阻抗)影響較小，THDu與系統阻抗關系較大，且主要與感抗有關，與電阻無關。

2.3 ADN中DG/分布式儲能等諧波源的疊加特性

在節點E同時并入兩個額定功率相等的DG/分布式儲能等DER，且其并網換流器都工作在額定功率狀態下，并網點負載為阻感性負載S=5 kW+j5 kVar，觀察ADN各節點的THDu和總諧波電流含量，如表4所示。

表4 各節點基波電壓有效值和THDu及總諧波電流含量Table 4 Fundamental voltage RMS, THDu and total harmonic current of each point

項目EDCBA基波電壓/V223.7224.9227.0227.45772THDu/%15.3611.206.665.890.07諧波電流含量/A1.261.230.041.210.04

兩個DG/分布式儲能等DER分別在節點E，D并網，其余仿真條件與表4仿真條件完全相同，仿真結果如表5所示。

表5 各節點基波電壓有效值和THDu及總諧波電流含量Table 5 Fundamental voltage RMS, THDu and total harmonic current of each point

由表4、5可知，并網點的不同導致并網點的THDu有一定的差異，且與表1對比可知，兩個同功率的DG/分布式儲能等DER并網時，ADN各節點的THDu約等于單個DG并網時THDu的兩倍；推廣到n個DER單元并網，ADN各節點的THDu約等于單個DER單元并網時的n倍；ADN各節點的總諧波電流含量大于單個DG并網時的2倍，推廣到n個DER單元并網，ADN各節點的諧波電流含量大于n倍的單個DER單元并網時的諧波電流含量。

3 電壓型諧波源諧波特性分析

3.1二極管整流器功率與THDu的關系

二極管整流器在節點E接入ADN，通過改變直流側電阻功率，觀察接入點E的THDu，如圖5所示。

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

由圖5可知，隨著二極管整流器功率的增大，ADN接入點的THDu增加，但并不是成比例增加。

3.2接入點與THDu的關系

與圖5相比，改變二極管整流器接入點，在節點D接入ADN，整流功率與圖5中的整流功率相同，觀察節點D，E的THDu。

圖6 不同功率下的基波電壓有效值和THDuFig.6 THDu at different power

與圖5相比，由于改變了二極管整流器的接入位置，更接近公共連接點(PCC)，因此THDu略微降低。通過仿真還發現，整個ADN系統的負載特性也會影響THDu，負載感性功率所占比例越大，二極管整流器為系統帶來的電壓畸變就越嚴重。

3.3 畸變電壓傳播特性

在ADN的節點D接入功率為10 kW二極管整流器，觀察ADN各節點的THDu，仿真結果如表6所示。

表6 ADN各節點的THDuTable 6 THDu of each point of ADN

由表6可知，電壓諧波源越接近ADN末端，電網的THDu越大，越靠近ADN始端，THDu越小。當然，ADN短路容量和變壓器容量也會影響ADN各節點的THDu，容量越大，THDu就越小。

4 結語

DG/分布式儲能等DER并網相關標準要求在非額定功率下并網諧波電流含量小于額定功率下并網諧波電流含量，但DG/分布式儲能等DER在非額定功率并網時的THDi卻遠遠超過5%，若借以合適的調度手段，使并網換流器只工作在額定功率和不工作兩種狀態，則可大幅降低ADN的THDi。

由上述分析可得出以下結論：(1) ADN中，DER并網產生的諧波電流基本都經主干線路流入電網系統，負荷節點幾乎無諧波電流流入，故就地治理能獲得最佳效果。(2) 并網點負荷特性會影響DER并網的電壓畸變程度。若并網點負載為純阻性負載，則THDu極小；若并網點負載為阻感性負載，則THDu就會很大。(3) 直流側采取大電容濾波的二極管整流器為典型的電壓型諧波源，其接入點THDu與整流器功率密切相關。此外，電壓畸變會傳播至整個同級電網，越靠近ADN線路末端THDu就越大，越接近ADN線路始端，THDu就越小。

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(編輯劉曉燕)

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

竺慶茸

2017-04-20；

2017-06-02

江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(SJZZ16_0291)

TM721

：A

：2096-3203(2017)05-0093-05

竺慶茸(1991—)，男，江蘇南京人，碩士研究生，研究方向為新能源發電與并網技術(E-mail：745599730@qq.com)；

黃文杰(1991—)，男，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向為新能源發電及光伏與儲能(E-mail：745599730@qq.com)；

徐修華(1991—)，男，河南周口人，碩士研究生，研究方向為電能質量控制技術(E-mail：757716714@qq.com)；

張 韜(1994—)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向為電力電子及新能源技術(E-mail：709223160@qq.com)。