微电网中的电能质量问题及谐波抑制的研究

发布时间：2016-06-24 22:08

1  绪论 

1.1  课题的研究背景及意义 
在当今世界，电能在人们的生活中有着举足轻重的地位，它不仅影响工农业生产，更是推进科技进步、促进社会发展的必要条件。随着科学技术的不断发展，应用电能的设备越来越多，电能将逐步地替代石油、煤炭等一次能源，形成全球能源向电能转型的新格局。另外，人们日常生活中对电能依赖性也越来越强，使得世界范围内对电力的需求在不断增加，为增大电网容量满足电力需求，电网规模也在不断扩大。然而大规模的电力系统也存在着成本高，，运行、检修、维护难度增大，难以适应用户多样化的供电需求等弊端[1]。近年来世界各地陆续发生了多起大规模停电事故，如 2003 年的美加大停电，2006 年的欧洲电网事故，2012 年的印度停电事故等[2-5]，更加凸显了大电网难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求，而且事故容易通过互联的电网，引起连锁反应导致大面积的停电[6]，给国家以及社会造成重大的难以估计的损失。 另一方面，进入 21 世纪以来，世界范围内能源供应持续紧张，能源安全问题也逐渐受到政府以及学术界的高度关注[7]，而且以燃烧煤、石油等化石原料的火力发电所带来的环境问题也愈加严重，例如：全球的气候变暖以及我国最近几年出现的雾霾天气，如今电力行业已经成为重污染行业之首[8]。开发利用清洁能源和可再生能源（太阳能、风能、生物能等）是解决目前问题的最有效的手段，利用清洁能源发电的发展潜力巨大，其将成为世界的主要能源，因此也成为了目前电力发展与研究的重要方向。随着近些年的技术突破，分布式发电（distributed generation，DG）技术日趋成熟，然而分布式发电仍有着自身的不足之处，如 DG 发电单元中光照与风速均不可控，且单机并入电网成本较高，另外对 DG 单元的控制更为复杂等。为更好的发挥 DG 节能、环保、可再生的优点避免 DG 单元的负面影响，以及提高大电网的供电可靠性与自愈能力，最好的办法是将分布式电源和与之对应的负荷看成一个小的发电系统即是——微电网[9]。 微电网的概念最早是由美国在 2002 年的电力技术可靠性技术解决方案协会（CERTS）上正式提出的  [10,11]，在其发展过程中各国也结合本国国情加入了各自的特点来丰富微电网的概念[12]，微电网是具有发电、送电、用电一体化的小型系统，它与传统电网的不同是电源为分布式发电，且有储能系统起后备以及调节的作用[13-17]。国外对微电网的研究相对国内要早一些，技术水平也相对成熟，国内对微电网也仅存在于示范工程，并没有实际投入使用，然而要投入使用并与大电网相连，其微电网中的电能质量是否达到国家要求标准是一项重要的考核指标。 
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1.2  国内外相关技术发展现状
微电网是相对于大电网来说的，但微电网并不等同于早期低电压等级的大电网，微电网有其鲜明的特点，微电网是以分布式发电作为电源；并具有储能系统作为调节；有两种运行模式：①与配电网并网运行，②孤岛运行。因此对微电网的电能质量问题的研究也可以等效为对其两种运行模式分别分析[19,20]，即并网运行时由于配电网的运行变化对微电网电能质量产生的影响；以及孤岛运行时由于微电源以及电力电子设备等对微电网中的电能质量的影响。在微电网由孤岛运行模式切换到并网运行模式时，由于并网运行前微电网与大电网电压幅值不同，因此需要通过储能装置调节稳定微电网电压，但是这个过程往往使微网电压波动超过 5%，从而影响微网电能质量[21]，另一方面并网运行时配电网中的三相不平衡以及谐波都会从公共连接点 PCC（Point of Common Coupling）渗透到微电网中从而影响微电网电能质量。在微电网孤岛运行模式下，由于微电网自身容量相对较小，不能像大电网一样看成是一个电压与频率保持不变的无穷大电源，因此其抗干扰能力也十分薄弱，更容易受到非线性负载以及电压突变等外界因素的影响，从而影响微电网电压、频率、波形的稳定性。 另一方面，由于分布式电源中的光伏发电、风力发电受自然条件的影响较大，是不可控的[22,23]，具有随机性、波动性、间歇性等特点，也是影响微电网电能质量的重要因素。因此对微电源的结构以及发电原理分析也成为了微电网电能质量问题分析的研究热点和重要方向[24-26]。电力电子技术的应用使微电网的运行十分灵活，而这也是微电网产生电能质量问题的原因之一，逆变器作为微电网中的核心部件，也是目前的研究重点[27,28]。 
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2  微电网的基本结构及其电能质量问题分析 

微电网以及相关技术的发展受到了世界各国的高度重视，微电网在电力系统中的地位也显得越来越重要。微电网的电能质量是否达到国家标准直接关系微电网能否投入使用。微电网有着发电多样性、结构特殊性等特点，使得微电网电能质量问题的产生与传统电网相比也有着较多的不同之处。微电网存在两种不同的运行模式，因此其电能质量问题既受微网内部微电源、变流器、非线性负荷的影响，也会受到配电网负荷变化、运行故障等其它因素的影响[38]。为保证微电网安全、稳定、有效地运行，因此需要对微电网中电能质量问题的产生原因进行细致分析。本章将根据微电网的基本结构，以及其自身特点来分析微电网中的电能质量问题，以便更好更有针对性地改善微电网供电质量。 

2.1  微电网的基本结构 
微电网是由微电源、储能系统、负荷、监控以及保护装置组成的一个小的发电系统。目前国内外微电网的发展已经有了一定成果，微电网的基本结构也趋于成熟，由于每个示范工程的不同，微电网的结构也有一些细微的不同。本文所研究的是一种低压微电网，具体结构如图 2.1 所示。根据图 2.1，可以看出整个微电网结构为放射式接线，由一条母线以及 A、B、C 三条馈线组成，并通过公共连接点 PCC（Point of Common Coupling）与大电网相连，通过控制 PCC 处的微网络主分离器的投切操作来实现并网与孤岛运行模式平滑切换。当微电网并入大电网时，微电网电能通过 PCC 流入到主网当中，因此 PCC 处流过的电能质量必须达到国家要求指标。     微电网负荷分为三种，即敏感负荷、可调节负荷、可中断负荷，它们分别连接在馈线 A、C、B 上。这种分类方式与传统电网中的一级负荷、二级负荷、三级负荷的分类方式相同。馈线 A 上所连接的为敏感负荷和热负荷，采用光伏电池以及风力发电机为负荷提供电能，由于敏感负荷在电压发生变化或者突然变动将导致微电网中的负荷和设备不能工作或工作能力下降，因此微电网中应首先满足此类负荷需求。馈线 B 上未接有微电源，其连接的可中断负荷直接由配电网送电，当电网处于高峰状态或紧急状态时可以通过切断此类负荷来缓解电网压力维持电网稳定运行。馈线 C 上连接可调节负荷，通过燃气轮机与燃料电池共同供电，必要时可对本类负荷进行调节以达到网络功率平衡的需求。 在微电网结构中还应配置能量管理器、潮流控制器以及保护协调器。能量管理器为用于管理整个微电网运行的数字计算机系统。潮流控制器则是根据微电网的潮流分布对微电源进行就地调节，从而实现全网的功率平衡。保护协调器即为整个微电网提供继电保护，为微电网的安全稳定运行提供保障。 微电网结构有其自身的特点，其电能质量问题的产生也有别于传统大电网，下面将具体分析微电网产生电能质量问题的具体因素。 
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2.2  微电网中电能质量问题及国家要求标准
频率是衡量电力系统电能质量好坏的一个重要指标，必须实时检测，以达到能够及时反馈进行控制的目的。只有控制其在允许范围内波动才能保证系统高效稳定运行，否则将会对系统以及用电负荷带来严重的危害。 正常运行应保持频率为 50Hz 不变，但由于微电网中微电源功率输出的不稳定性以及负荷的不可预测性变化, 在微电网内很容易产生频率波动，而且由于频率调节指令与负荷波动总存在时间延迟，因此频率的波动属于连续变化的。频率波动问题在微电网由并网运行切换回孤岛运行时表现的更为明显，因为在并入配电网运行时可将配电网看成一个电压频率恒定不变的无穷大电源，以此作为微电网频率稳定的有力支撑。在孤岛运行模式下，要将频率稳定在国家标准范围之内，则需要对微电源采取有效控制策略，同时还要应用微网内的储能系统进行调节[42]。根据国家标准规定，电力系统的额定频率为 50Hz，正常运行下其值的波动幅度不能超过±0.2Hz～±0.5Hz，但为了确保微电网能够安全稳定地运行，要求负荷及功率波动引起的频率偏差不能超过±0.2Hz[43]。 
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3  微电网谐波识别方法的研究 ...... 18 
3.1  谐波检测技术的发展及方法分析 .... 18 
3.1.1  基于傅立叶变换谐波检测方法分析 ...... 18 
3.1.2  基于小波变换谐波检测方法分析 .......... 19 
3.1.3  基于瞬时无功功率理论的谐波检测分析 ...... 21 
3.2  基于瞬时无功功率理论的两种谐波检测方法分析 ........ 22 
3.3  瞬时无功功率理论 ip-iq谐波检测法的仿真模型建立 .... 22
3.4  本章小结 .... 28 
4  微电网中谐波抑制方法的研究 .......... 29 
4.1 LCL 型滤波器的分析 ........ 29 
4.1.1 LCL 型微电网逆变器的结构及数学模型 ...... 29
4.1.2 LCL 滤波器的设计 .......... 32 
4.2  有源电力滤波器进行谐波抑制的方法研究 .... 33
4.3  有源电力滤波器优化改进方法研究 ........ 37 
4.4  本章小结 .... 39 
5  系统仿真及结果分析 .......... 40 
5.1  微电网谐波抑制方案 ........ 40 
5.2  微电网谐波主动抑制的仿真建模 .... 40 
5.3  微电网谐波被动抑制的仿真建模 .... 43
5.4  本章小结 .... 46 

5  系统仿真及结果分析

通过以上几章对微电网电能质量的分析，以及对微电网谐波抑制方法的研究，本章将通过应用 Matlab/Simulink 中的 PowerSystems 模块搭建微电网谐波抑制的仿真模型，通过仿真验证采用 LCL 型并网逆变器与 APF 相结合的策略对微电网谐波抑制的效果与可行性。  

5.1  微电网谐波抑制方案 

根据前几章节的分析，微电网中谐波主要由并网变流器件以及所接入的非线性负载产生，本文采用如图 5.1 所示的谐波抑制方案。在此微电网中包含有非线性负载以及线性三相对称负载。通过 LCL 输出滤波器来减少微电源及逆变器产生的谐波分量，通过APF 主要抑制非线性负载产生的谐波电流。从而达到主动与被动上共同治理微电网谐波。 本文采用以光伏电池为微电源的微电网，以 700V 直流电压模拟光伏电池，其逆变器参数 Ron=0.001，Rs=105，根据前几章理论计算选取 LCL 滤波器参数分别为 L1=0.6×10-3H；L2=0.02×10-3H；C=1.2×10-3F。LCL 型并网滤波器谐波抑制仿真模型如图 5.2所示，其中，光伏发电所接负载为线性三相对称负载，频率为 50Hz，消耗有功功率为250kW。  

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结论 

未来发展中，清洁能源必然会取代化石能源成为电能生产的主要能源，具备个性化多样化的供电方式也将是电网发展的必由之路，因此微电网将会在科技进步的推动下成为一种极为重要的发电方式。因此，分析微电网中的电能质量问题以及对其中谐波的治理对微电网的发展有着重要意义。本文对该课题的研究工作以及相关结论如下： 
（1）本文通过对微电网结构以及建立并网运行等效电路来深入分析微电网中的电能质量问题，可知微电网中的微电源、负载以及运行模式是电能质量问题产生的关键。并详细说明了微电网中频率波动、电压波动、三相不平衡以及谐波等电能质量问题产生的原因，通过分析可得：微电网谐波主要由微电源接口变流器以及非线性负载两方面产生。 
（2）对微电网系统中的几种谐波检测方法的分析比较，可知瞬时无功功率 ip-iq谐波检测方法更适合应用于微电网谐波检测中，并应用 Simulink 平台建立了 ip-iq谐波检测法的仿真模拟，证明其对微电网中的谐波分量有更好的检测效果。 
（3）针对微电网中的谐波产生的特点，采用了 LCL 型并网逆变器与 APF 共同作用的谐波抑制方案，分别对微电源输出谐波、非线性负载产生的谐波进行抑制。并对并联型 APF 进行了优化分析，优化后可以有效减少有源滤波器的容量，从而减少谐波抑制装置的费用。 
（4）利用 Simulink 平台，搭建了 LCL 型并网逆变器与 APF 共同作用的谐波抑制模型，通过对采用抑制方案得到电流波形以及 FFT 分析证明了所采用方案对微电网谐波抑制的有效性，能够使输出波形满足国家标准要求。 
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参考文献(略)

本文编号：61087