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敢蝙鲍
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1 第 39 卷第 5 期燕山大学学报 Vol 39 No 年 9 月 Journal of Yanshan University Sept 文章编号 : X(2015) 基于电流注入法的光伏电源并网谐波电压畸变分析石磊磊 1,2, 韩天华 1, 唐超 1, 卫丹 1, 赵凡凡 2 2,, 贾清泉 (1. 国网河北省电力公司邢台供电分公司, 河北邢台 ; 2. 燕山大学电气工程学院, 河北秦皇岛 ) 摘要 : 通过研究光伏并网对电网电压畸变的影响机理, 本文提出了基于电流注入法的电网谐波电压畸变分析方法建立了光伏并网系统的谐波源模型, 将光伏电源等效为谐波电流注入源, 推导出光伏谐波注入源与配电网各点谐波电压畸变率的关系式, 得出光伏电源接入位置和有功出力对电网谐波电压的影响关系对含多个光伏电源接入的配电网谐波分布特性和相互影响关系进行了理论分析与仿真, 得出光伏电源接入后的谐波分布规律, 并验证了本文方法的正确性关键词 : 光伏发电 ; 电能质量 ; 谐波畸变 ; 电流注入法中图分类号 : TM46 文献标识码 : A DOI: / j.issn X 引言近年来, 随着国家对光伏发电重视程度和政策支持力度的加大, 光伏并网发电的规模越来越大 2015 年 3 月, 国家能源局下发关于下达 2015 年光伏发电建设实施方案的通知,2015 年全国将新增光伏电站建设规模为 17.8 GW 光伏电源大多通过逆变器接入配电网, 由于电力电子设备的非线性, 接入配电网会产生谐波问题当多个光伏电源并网时, 不同光伏逆变器会带来谐波交互影响 [1], 进一步提高了光伏发电系统注入电网的谐波含量, 严重影响电网的供电质量 [2 3] 因此分析光伏电源的并网位置和输出功率对电网谐波的影响具有重要理论和实际意义国内外学者针对光伏电源接入配电网产生的电能质量问题开展了一定的研究文献 [4] 利用解耦潮流算法对含分布式电源的配电网进行了谐波分析, 表明分布式电源接入配电网会注入大量的谐波电流, 增加系统的谐波畸变水平文献 [5 6] 分析了分布式电源不同接入技术对电网谐波分布的影响文献 [7] 利用 MATLAB / Simulink 对分布式电源产生的谐波在电网中的传播机理进行了分析, 表明分布式电源接入电网的电气距离越远, 高次谐波电流越小文献 [8 10] 讨论了光伏并网逆变器的输出谐波模型本文建立了光伏并网系统的谐波源模型和接入光伏电源的配电网等效模型, 将光伏电源等效为谐波电流注入源, 通过理论推导得出光伏电源不同接入位置和有功出力与电网谐波电压的关系式对含光伏电源的配电网进行理论和仿真分析, 得出各节点各次谐波电压畸变率和相互影响规律, 验证了本文分析方法的正确性 1 光伏并网系统谐波源建模光伏发电系统主要的谐波来源是电力电子逆变器, 其输出的谐波含量取决于自身特性和工作条件, 因此可以将其看成内阻很大的电流源光伏并网逆变器的谐波特性可以用式 (1) 来表示式中,I h s I h s = f(u 1 S,U 2 S,,U h S) (1) 为谐波源注入电网的 h 次谐波电流,U h S 为谐波源节点的 h 次谐波电压收稿日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( ) 作者简介 : 石磊磊 (1985 ), 男, 河北邯郸人, 博士研究生, 工程师, 主要研究方向为分布式光伏并网及其电能质量问题 ; 通信作者 : 贾清泉 (1970 ), 男, 吉林白山人, 博士, 教授, 博士生导师, 主要研究方向为电能质量新能源电力系统, jiaqingquan@ sina.com

2 444 燕山大学学报 2015 本文采用电流注入法, 即假定由某些谐波电流源注入节点的各次谐波电流幅值和相角, 都仅仅与流过该电流源的基波电流的幅值和相角成线性关系由此可以得出谐波电流源接入配电网的谐波分布规律光伏电源并入配电网如图 1 所示假设电网中三相负荷平衡, 忽略线路集肤效应和分布电容光伏电源在距离 B 母线 a 处接入, 设 L 为 B 母线到负荷的距离,U 0 为 B 母线端电压,U g 为光伏电源接入点的电压,U 为输电线路末端电压 h 次谐波电压幅值为 = (r+jhx)a I h = I h r 2 +h 2 x 2 a, (4) 接入光伏电源后, 第 h 次 (h 2) 谐波电压幅值为 U h = (I gh +I h) (r+jhx)a =(I gh +I h ) r 2 +h 2 x 2 a, (5) 光伏电源接入后谐波电压的变化量 Δ 为 Δ = U h - = r2 +h 2 x 2 I gh a, (6) 将式 (6) 代入式 (3) 可得 Δ = r 2 +h 2 x 2 k gh Pg U g cosφ g a, (7) 由式 (7) 可知, 谐波电压变化量受光伏电源容量与接入位置的影响在光伏接入位置不变情况下, 如果光伏电源接入容量 P g 增大, 由式 (7) 可知, 谐波电压增大, 且增加量 Δ 与 P g 成正比关系 2.2 光伏电源接入位置对谐波电压的影响 Fig.1 图 1 接入光伏电源的配电网模型 The distribution network with photovoltaic connected 光伏电源并网的谐波网络模型如图 2 所示输电线路第 h 次谐波的单位长度阻抗为 r+jhx, 光伏电源和负荷谐波源向电网注入的谐波用电流源 I gh 和 I h 表示, 其幅值与基波电流幅值呈线性关系, 线性系数分别为 k gh 和 k h, 如式 (2) (3) 所示 : Pg I gh = k gh I g = k gh, (2) U g cosφ g PL I h = k h I 1 = k h, (3) U cosφ L 式中,P g 和 cosφ g 分别为光伏电源输出的有功功率和功率因数,P L 和 cosφ L 分别为负荷的有功功率和功率因数 Fig.2 图 2 接入光伏电源配电网谐波模型 Harmonic model of the distribution network with photovoltaic connected 2 光伏电源接入配电网谐波畸变率分析 2.1 光伏电源接入容量对线路谐波电压的影响图 1 中, 光伏电源未接入时, 距离 B 母线 a 处 1) 光伏电源接入点上游线路的谐波电压光伏电源接入点上游线路距离 B 母线 L( L< a) 处的 h 次谐波电压为 = (I gh +I h ) r 2 +h 2 x 2 L (8) 在光伏电源接入容量 P g 和负荷 P L 不变情况下, 由式 (2) 和式 (3) 可知, 谐波电流 I gh 和 I h 也不变根据式 (8), 随着 L 增大, 光伏电源接入点上游线路谐波电压也随之增大 2) 光伏电源接入点下游线路的谐波电压光伏电源接入点下游线路距离 B 母线 a 处的 h 次谐波电压为 = (ai gh +LI h ) r 2 +h 2 x 2 (9) 由式 (9) 可知, 对于光伏电源接入点下游线路, 随着 L 增大, 谐波电压也随之增大当多个光伏电源共同接入配电网时, 谐波电压的变化量为光伏电源单独接入时产生谐波电压的叠加, 第 k 个节点处 h 次谐波电压为 k = N i = 1 r 2 +h 2 x 2 L k r 2 +h 2 x 2 L k I ghi = N i = 1 k gh Pgi U gi cosφ gi, (10) 式中,a i 为第 i 个光伏电源接入点与 B 母线之间的距离,N 为配电网接入光伏电源的数量 2.3 配电网接入光伏电源后电压谐波畸变率的计算方法本文中光伏电源接入配电网后各节点电压谐

第 5 期石磊磊等基于电流注入法的光伏电源并网谐波电压畸变分析 445 波畸变率的计算方法如下 : 1) 将某时刻配电网各节点光伏电源接入容量 ( 未接入光伏的节点, 其光伏电源容量为 0) 功率因数线路节点间长度单位长度电阻单位长度电抗等参数代入式 (10) 求出节点 k 的谐波电压 2) 根据式 (11) 计算各节点电压谐波畸变率 : 在图 3 中 4 10 节点处依次加入有功功率为

3 图 3 含光伏电源的配电网结构图 Structure of distribution network with photovoltaic power connected 3 算例分析算例选取某实际配电网的一条出线, 沿馈线将每一个集中负荷视为一个节点, 电网母线端编号为 1, 依次编号, 构成一条 10 节点的网络, 如图 3 所示根据 2.

3 第 5 期石磊磊等基于电流注入法的光伏电源并网谐波电压畸变分析 445 波畸变率的计算方法如下 : 1) 将某时刻配电网各节点光伏电源接入容量 ( 未接入光伏的节点, 其光伏电源容量为 0) 功率因数线路节点间长度单位长度电阻单位长度电抗等参数代入式 (10) 求出节点 k 的谐波电压 2) 根据式 (11) 计算各节点电压谐波畸变率 : 在图 3 中 4 10 节点处依次加入有功功率为 30 kw 的单一光伏电源, 仿真得到馈线各节点的谐波电压畸变率 THD V 曲线如图 5 所示式中, THD V = ( ) 2 U 1 100%, (11) h = 2 为第 h 次谐波电压,U 1 为基波电压 3) 根据步骤 (2) 的结果, 判断分布式光伏电源接入后电网各节点的谐波畸变率是否满足国家标准的要求, 进行汇总可得电压谐波畸变率越限的节点 Fig.3 图 3 含光伏电源的配电网结构图 Structure of distribution network with photovoltaic power connected 3 算例分析算例选取某实际配电网的一条出线, 沿馈线将每一个集中负荷视为一个节点, 电网母线端编号为 1, 依次编号, 构成一条 10 节点的网络, 如图 3 所示根据 2.3 节所述方法计算各节点电压畸变率的理论值, 并将其与 MATLAB / Simulink 仿真得到的结果进行比较 3.1 光伏电源接入不同节点时谐波电压畸变率分析 1) 接入光伏电源前后各节点谐波电压畸变图 4 加入光伏电源前后谐波电压畸变率 Fig.4 Harmonic voltage distortion rate before and after the connection of photovoltaic power 率对比在图 3 中的节点 2 加入容量为 30 kw 的光伏电源, 计算光伏电源接入前后, 各节点的电压畸变率如图 4 所示从图中可知, 电压畸变率变化量 ΔTHD V 随着光伏电源接入配电网距离的增加而增大光伏电源接入前的谐波电压畸变率远小于光伏电源接入后的谐波电压畸变率, 说明光伏电源接入配电网后, 极大地增加了谐波电压畸变率, 成为配电网中重要的谐波污染源图 4 中各节点谐波电压畸变率理论计算值与仿真值之间最大相对误差约为 4.2%, 主要原因是本文方法忽略了电网谐波与光伏电源注入谐波之间的相互作用, 因此造成理论值与仿真值之间的误差, 但可以满足光伏电源接入配电网电压谐波畸变率评估计算的需要 2) 单个光伏电源接入不同节点时谐波电压畸变率图 5 单个光伏电源接入不同节点时谐波电压畸变率 Fig.5 The THD V of single photovoltaic power connected with different nodes 如图 5 所示, 相同容量光伏电源接入电网的不同位置, 各节点的谐波电压畸变率差别较大光伏电源接入点上游各节点, 谐波电压畸变率较小 ; 光伏电源接入点下游各节点, 谐波电压畸变率较大, 其中某些节点的谐波电压畸变率可能会超过电能质量公用电网谐波 ( GB / T ) 规定的限值图 5 中各节点谐波电压畸变率理论值与仿真值最大相对误差约为 4.6% 3) 多个光伏电源接入时谐波电压畸变率在图 3 中节点 4 和 10 同时接入两个有功出力均为 30 kw 的光伏电源, 与单独接入时得到各次谐波的电压畸变率进行对比图 6 和图 7 分别为节点 2 各次谐波畸变率的理论值和仿真值, 图 8 和图 9 分别为节点 4 各次谐波畸变率的理论值和

４４６２０１５燕山大学学报仿真值由于实际光伏电源输出的偶次谐波和１９３２光伏电源输出不同有功时谐波电压畸变率次以上的奇次谐波含量很少因此这些谐波忽略分析不计配电网接入负荷总量为８０ｋｗ在节点３处分

入负荷总量谐波电压畸变率图６节点４各次谐波ＴＨＤＶ理论值Ｆｉｇ６ＴＨＤＶｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆｎｏｄｅ４图７节点４各次谐波ＴＨＤＶ仿真值Ｆｉｇ７

光伏电源输出不同有功时谐波电压畸变率ＴＨＤＶｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔ结论本文运用电流注入法建立了光伏电源接入配电网的谐波电压畸变率分析方法得出光伏电源

谐波电压畸变率变化情况进行了理论分析和仿真理论计算和仿真结果之间误差较小验证了所提出方法的有效性本文的主要结论如下１有功出力相同的光伏电源接入配电网的位置越接近配电网末端接入点下游馈线各节点的

光伏电源并网后产生的谐波在传播过程中以５次９次和１１次谐波为主当两个光伏电源同时接入配电网时二者产生的各次谐波会互相作用５次９次和１１次等低次谐波变化较明显通过对比可以发现

4 ４４６２０１５燕山大学学报仿真值由于实际光伏电源输出的偶次谐波和１９３２光伏电源输出不同有功时谐波电压畸变率次以上的奇次谐波含量很少因此这些谐波忽略分析不计配电网接入负荷总量为８０ｋｗ在节点３处分别接入有功功率为５０ｋｗ和９０ｋｗ的光伏电源仿真得到谐波电压畸变率ＴＨＤＶ曲线如图１０所示从图中可以看出当光伏电源接入电网的位置不变时光伏电源输出有功功率为９０ｋｗ时超过了配电网接入负荷总量谐波电压畸变率图６节点４各次谐波ＴＨＤＶ理论值Ｆｉｇ６ＴＨＤＶｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆｎｏｄｅ４图７节点４各次谐波ＴＨＤＶ仿真值Ｆｉｇ７ＴＨＤＶ较高有些节点节点３１０会超出国家标准规定的限值通过比较可知理论计算值与仿真值最大相对误差约为４８图１０ＴＨＤＶｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖａｌｕｅｏｆｎｏｄｅ４Ｆｉｇ１０４光伏电源输出不同有功时谐波电压畸变率ＴＨＤＶｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔ结论本文运用电流注入法建立了光伏电源接入配电网的谐波电压畸变率分析方法得出光伏电源接入位置和有功出力对电网谐波电压影响关系的图８Ｆｉｇ８节点１０各次谐波ＴＨＤＶ理论值ＴＨＤＶｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖａｌｕｅｏｆｎｏｄｅ１０计算式对某配电网接入光伏电源前后配电网中谐波电压畸变率变化情况进行了理论分析和仿真理论计算和仿真结果之间误差较小验证了所提出方法的有效性本文的主要结论如下１有功出力相同的光伏电源接入配电网的位置越接近配电网末端接入点下游馈线各节点的电压畸变越严重反之越接近配电网首端造成的谐波影响越小因此光伏电源不适合接入配图９Ｆｉｇ９节点１０各次谐波ＴＨＤＶ仿真值ＴＨＤＶｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｖａｌｕｅｏｆｎｏｄｅ１０光伏电源并网后产生的谐波在传播过程中以５次９次和１１次谐波为主当两个光伏电源同时接入配电网时二者产生的各次谐波会互相作用５次９次和１１次等低次谐波变化较明显通过对比可以发现各次谐波电压畸变率理论计算值与仿真值最大相对误差约为４５电网馈线末端２光伏电源接入配电网位置固定时馈线各负荷节点上的谐波电压畸变率由光伏电源的有功出力决定有功出力越大馈线各负荷节点电压谐波畸变率就越大畸变率增加量与光伏电源的有功出力成正比当光伏电源有功出力超过负荷时会超过国家标准允许的限值

5 第 5 期石磊磊等基于电流注入法的光伏电源并网谐波电压畸变分析 447 参考文献 1 宣文华牛益国谢小英等. 基于频域分析和低通滤波的光伏并网逆变器谐振抑制研究 J. 燕山大学学报丁明王伟胜王秀丽等. 大规模光伏发电对电力系统影响综述 J. 中国电机工程学报赵争鸣雷一贺凡波等. 大容量并网光伏电站技术综述 J. 电力系统自动化 Ladjavardi M Masoum M A S Islam S. Impact of a SG nonliner model on the harmonic distortion of a distribution generation system C / / 2008 Australasian Universities Power Engineering Conference Sydney Australia 钟清高新华余南华等. 谐波约束下的主动配电网分布式电源准入容量与接入方式 J. 电力系统自动化 Fortes M Z Ferreira V H Machado I S et al. Harmonic analysis of distributed generation in smart city Búzios project C / / 2015 IEEE Workshop on Power Electronics and Power Quality Applica tions PEPQA Bogotá Colombia 谢秉鑫王宗范士林. 分布式电源对于配电网谐波特性的影响 J. 电力系统保护与控制许得志汪飞毛华龙等. 多并网逆变器与电网的谐波交互建模与分析 J. 中国电机工程学报谢宁罗安陈燕生等. 大型光伏电站动态建模及谐波特性分析 J. 中国电机工程学报胡伟孙建军马谦等. 多个并网逆变器间的交互影响分析 J. 电网技术 Harmonic distortion analysis of grid connected photovoltaic source based on current injection method SHI Lei lei 1,2, HAN Tian hua 1, TANG Chao 1, WEI Dan 1, ZHAO Fan fan 2, JIA Qing quan 2 (1.Xingtai Power Supply Company,State Grid Hebei Electric Power Company,Xingtai,Hebei ,China; 2.School of Electrical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei ,China) Abstract:The voltage distortion influence mechanism of photovoltaic grid connected system is studied in this paper. The harmonic voltage distortion analysis method is presented based on the current injection method.the harmonic source model of the photovoltaic grid connected system which is equivalent to the harmonic current injection source is established.the relation formula of the photo voltaic harmonic injection sources and voltage distortion rate of each node of the distribution network is obtained. The relationship between the interconnected location of photovoltaic source and the active power output to the harmonic voltage of the power network is also obtained.the harmonic distribution characteristics and interaction relationship are studied when multiple photovoltaic sources are connected to distribution network,and the harmonic distribution law is also obtained.the correctness of the method presented in this paper is verified by comparing theoretical analysis with simulation results. Key words:photovoltaic generation;power quality;harmonic distortion;current injection method

第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1 ) + ; & ).& &+ 1 & / ) 5 93 & 9 67893: + 99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!"#$%&'!"#$%&' '& ( ')&+,& '(-./01 &

第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1 ) + ; & ).& &+ 1 & / ) 5 93 & 9 *67893: + 99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!#$%&'!#$%&' '& ( ')*&+,& '(-./01 & 第 5 卷第 9 期 3 9 年月电力电容器与无功补偿 &+ 1)+ ; &).& &+ 1&/) 593 & 9 *67893:+99: 单相谐波补偿电流对直流侧电压和电流纹波的影响分析!#$%&'!#$%&''&(')*&+,& '(-./01&+ -2 3456-78&9:;'& &'