阮正鑫(1995),女,硕士在读,研究方向为电能质量(E-mail:
张逸(1984),男,博士,副教授,研究方向为电能质量、主动配电网等
张嫣(1979),女,硕士,讲师,研究方向为电能质量、电力系统稳定与控制等
高比例光伏并网显著增加了配电网超高次谐波含量,高比例光伏与配电网之间的交互影响相较于单台光伏并网更加复杂,电网安全运行稳定性降低。为揭示高比例光伏并网下的超高次谐波特性,文中对高比例光伏并网与配电网超高次谐波交互影响进行了分析。首先,针对高比例光伏接入配电网的超高次谐波传播特点进行理论研究,并综合电网背景谐波、光伏控制电路影响建立可准确反映分布式光伏超高次谐波电流的动态数学模型。在此基础上,搭建PSCAD仿真模型,重点分析多台光伏逆变器间以及电网背景与光伏逆变器间的超高次谐波交互影响。最后,通过福建泉州某集中接入的屋顶光伏超高次谐波实测数据验证了分析结果的正确性。
The high proportion of grid-connected photovoltaics (PVs) leads to a dramatical increase of supraharmonic emissions at distribution network. The influence of supraharmonic interaction between grid-connected PVs and distribution network is much more remarkable than that in single PV grid-connected system. So the high proportion of grid-connected PVs reduces the stability of the grid. In order to reveal the characteristics of supraharmonic emission at high proportion of PVs grid-connected, the effect of PVs connecting to grid on supraharmonic emission is discussed. Firstly, the propagation of supraharmonic current at high proportion of grid-connected PV is described. Considering background harmonic emission of grid and control circuits of PVs, a mathematic model is built to calculate the value of supraharmonic currents and summarize the law of supraharmonic propagation at high proportion of grid-connected PVs. On the basis of the model built by PSCAD simulation platform, the supraharmonic emission from individual PVs is obtained. The model is also used to show the influence of backgrounds and PVs on supraharmonic emission. The last but not the least, the model is verified, based on measured date of concentrated PV access in Quanzhou city, Fujian Province.
20世纪80年代,众学者开始对超高次谐波进行探讨,自21世纪起, 将超高次谐波频率定义为2~150 kHz [
现有针对光伏超高次谐波的研究大多集中于测试方面,涉及到多点接入光伏与配电网交互影响的研究较少。近几年,众多学者对光伏发射的超高次谐波进行测试[
针对以上问题,文中首先建立分布式光伏并网的超高次谐波仿真模型,充分考虑光伏阵列输出特性、最大功率跟踪(maximum power point tracking,MPPT)、逆变器开关频率等因素,可精确反映分布式光伏的实际工况。在此基础上,引入简易配电网模型定量分析光伏之间、光伏与配电网之间的超高次谐波交互影响。最后,通过实测结果验证仿真模型以及结论的正确性。
在文献[
光伏接入配电网结构
Structure of photovoltaic accessd to the distribution network
含单个光伏的配电网等效电路
Equivalent circuit of distribution network with single photovoltaic
定义
可得
文献[
含多个光伏的配电网等效电路
Equivalent circuit of distribution network with multiple photovoltaics
由叠加定理可得,多光伏接入时流入系统的超高次谐波电流为:
式中:
进一步可得:
式中:
由式(3)可知,流入系统的超高次谐波电流几乎只与接入光伏发射的超高次谐波电流幅值及相位相关,即流入系统的超高次谐波电流的叠加是矢量相加,叠加结果受相位影响,可能相互助增,也可能相互助减。由式(4)可知,光伏间流动的总超高次谐波电流随光伏并网数量增加呈减小趋势。
基于文献[
光伏逆变器控制模型
Control model of photovoltaics inverter
式中:
为方便后续分析,定义:
因逆变器采用
式中:
将式(11)变换到两相静止坐标系
其中:
式中:
由坐标变换理论可得,两相静止坐标系
网侧变流器a相电路简化模型
Simplified a-phase circuit of grid-side power converter
根据坐标系理论与等效电路,式(12)可改写为:
其中:
根据
联立式(17)-式(18)、式(20)-式(21)得:
其中:
由
式中:
联立式(14)-式(15)可得:
因光伏逆变器采用直流电压与参考电压进行PI控制获取参考电流,可近似认为参考电流
式中:
由式(29)可知,光伏输出的谐波电流不仅受自身系统参数的影响,还受系统背景谐波的影响。除此之外,系统背景谐波电压的存在导致光伏额外产生频率与背景谐波电压频率相同、幅值与背景谐波电压幅值成正比的谐波电流。
为验证文中所提模型及分析结论的正确性,搭建多光伏并网仿真模型。为模拟背景谐波对分布式光伏的影响,加入其他DG模型(仅在考虑超高次背景谐波时接入),均使用常见三相电压型SPWM逆变器进行等效,整体结构见
含多个光伏的配电网结构
Structure of distribution network with multiple photovoltaics
仿真参数
Simulation parameters
元件 | 参数名称 | 参数取值 |
变压器 | 变比 | 0.4 kV/20 kV |
容量/(MV·A) | 1 | |
光伏发电系统 | 开关频率/kHz | 3.6 |
台数 | 4 | |
控制方法 | PQ控制 | |
容量/kW | 15,15,45,45 | |
风力涡轮机 | 容量/kW | 10 |
微型燃汽轮机 | 容量/kW | 30 |
光伏所处环境是影响光伏输出功率的重要因素。光伏电池板呈非线性,需利用MPPT控制器确保光伏电压始终为最大输出功率对应的电压[
光伏主要由光伏电池模块、DC/DC功率变换模块、DC/AC逆变器模块组成。采用典型的两级拓扑光伏并网发电系统进行建模,如
光伏内部电气结构
Electrical structure of photovoltaic internal
通过单台光伏仿真可得光伏输出侧超高次谐波发射特性及其与光照、温度的关系。光伏超高次谐波电流发射特征如
光伏超高次谐波电流输出特性
Output characteristic of photovoltaic supraharmonic current
分析光伏运行对电网产生的超高次谐波影响随光伏台数增长的变化关系,分别仿真接入配电网的光伏台数为1~4台时(型号相同),
不同台数光伏接入时并网点处超高次谐波电流畸变率
Supraharmonic current distortion at the grid connection point when different numbers of photovoltaics are connected
不同台数光伏接入时接入点处超高次谐波电流/电压畸变率
Supraharmonic current/voltage distortion at the access point when different numbers of photovoltaics are connected
由
由
对无穷大电源设置除基波外的其他低频谐波,以及改变
背景谐波仿真参数
Simulation parameters of background harmonics
背景谐波 | 幅值/V | |
低频 | 高频 | |
基波 | 基波 | 327 |
5次 | 60次 | 150 |
7次 | 100次 | 100 |
11次 | 120次 | 50 |
对比分析有无背景谐波时,光伏接入配电网的超高次谐波分布情况,结果如
考虑背景谐波时光伏超高次谐波电流输出特性
Output characteristic of photovoltaic suprahar- monic current considering grid background harmonics
由
超高次背景谐波的存在为光伏额外引入了其他次数的超高次谐波(60次,100次,120次)。背景谐波电压在光伏出口端产生了同频率的背景谐波电流,使光伏输出出现了其他次数的超高次谐波。这一仿真结果与1.3节中的理论分析相符。
除此之外,对比分析两种背景谐波情况。低频、超高次背景谐波存在时,70次以下的超高次谐波电流畸变率分别为1.857%,2.250%。即超高次背景谐波存在时,光伏发射的超高次谐波电流畸变率高于低频背景谐波存在时的情况。但考虑背景谐波时,单台光伏超高次谐波发射水平比不考虑背景谐波时要高。
为验证文中所提模型及分析结论的正确性,对泉州某屋顶光伏的3台相同型号的光伏逆变器进行为期1 d的超高次谐波连续测试,现场接线示意如
现场接线示意
Schematic diagram of field wiring
图中,3台光伏并联接入汇集箱,由汇集箱汇总光伏输出电流接入母线,再通过变压器接入系统。目前的电压、电流互感器在超高次谐波频率范围内的测量存在局限性[
光伏逆变器参数
Parameters of photovoltaic inverter
参数 | 数值 |
最大输入功率/kW | 36 |
最大直流输入电压/V | 1 000 |
最大输入电流/A | 18 |
额定频率/Hz | 50 |
开关频率/kHz | 20 |
数据采集装置采样频率为409.6 kHz,可用于测量超高次谐波电压。电流探头的带宽为20 kHz, 故只能测到9 kHz的超高次谐波电流。选取3组不同工况的a相实测数据进行对比,测试结果如
不同台数光伏接入时接入点处超高次谐波电压畸变率实测结果
Measured results of supraharmonic voltage distortion at the access point when different numbers of photovoltaics are connected
由
文中通过仿真与实测相结合的方法对多接入光伏与配电网超高次谐波的交互影响进行了分析,得到结论如下:
(1) 仿真和实例表明,高比例光伏并网将产生严重的超高次谐波问题。用户间流动的超高次谐波电流畸变率随着并联用户个数的递增呈递减趋势; 汇集母线上的超高次谐波电压/电流畸变率随用户个数的递增呈递增趋势。
(2) 配电网的背景谐波使光伏并网超高次谐波发生更严重、更复杂的畸变。受背景谐波影响,新增的谐波/超高次谐波电流频率与背景谐波电压频率相同,幅值与背景谐波电压幅值成正比。
文中研究成果可为光伏接入规划、配电网光伏接纳能力评估以及超高次谐波治理等提供理论指导。目前电压、电流互感器在超高次谐波频率范围内的测量存在局限性,因此未获得10 kV光伏接入电网的准确数据,下一步将对新型宽频互感器进行研究。
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