分布式电源并网的仿真研究

刘 林，罗 剑，舒 斌

(1.四川省建筑设计院，四川 成都 610017;2.华电电力科学研究院，浙江 杭州 310030)

0 引言

目前，分布式发电(distributed generation，简称DG)已成为一种重要的电力电源形式。所谓的分布式发电，是指与配电系统(6 kV 或10 kV)并联运行或采用独立小电网的运行方式，通常指光伏发电、风能发电、燃料电池发电，燃气轮机、微型燃气轮机等以天然气或氢气为燃料的新型发电技术［1］。分布式电源具有电压等级要求低、电源容量小，运行方式灵活等特点。可以满足大电网运行和电力用户的要求，在一定程度上弥补现有电网的不足。

另外，分布式电源(DG)并网使得配电系统从单电源辐射状网络变为一个多电源网络。各支路的潮流不再是简单的由变电站母线向负荷流动，系统的控制将变得更加复杂。配电网的安全和稳定，规划和运行将大大改变［2－3］。配电网络中短路电流的大小、流向分布以及重合闸的动作行为都会受到DG的影响。

在分布式发电系统中，逆变器作为发电系统与电网的接口设备，它的主电路结构和控制技术决定着整个系统的性能［4］。它可将分布式电源发出的直流电逆变成与电网电压同频同相的交流电，最终实现将逆变出的交流电能供给本地负载或者以单位功率因数馈入到电网中。

1 分布式电源并网发电的标准

由于分布式电源的并网在一定程度上影响了电网及调节能力，因此国际上对分布式并网系统指定了一系列的技术标准。其中，IEEE1 547－2003 是第一个规范分布式电源系统的标准，其限定的是容量不超过10 MW，工作频率为60 Hz 的分布式发电系统。对于中国使用的50 Hz 系统来说，同样具有参考意义。表1 所示的是在标准下的并网系统频率异常响应时间，表2 所示的是并网电流的谐波标准。

表1 并网系统频率异常响应时间

表2 并网电流谐波指标

2 逆变器控制方式的选择

所建立的等效单相分布式电源并网系统是将直流电转化为和电网电压同频、同相的交流电的系统，从而既向负载供电，又可以向电网发电。分布式电源输入直流侧使用等效直流源，输入到交流电网中需要运用逆变器将直流电转变为交流电［5－6］。逆变器按照控制方式可以分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电流控制和电流源电压控制4种方式。

一般来说，以电流源输入的逆变器，为了提供稳定的直流电流输入，都需要在直流侧串联很大的电感。但由于串入的电感会导致系统动态响应差，因此大部分的并网逆变器都采用电压源输入的方式。单相电压型逆变器的工作原理如图1 所示。

图1 单相电压型逆变器的工作原理图

图1 中，Ud为直流电压;un为逆变后的电压;LE为滤波电感，用来滤除交流侧的电流谐波，保证电网的品质;un为电网的电压。

逆变器使用桥式电路作为功率电路，将直流输入变为交流输出。并且由于电感的滤波作用，使得输出的电流波形平滑。桥式逆变电路的驱动信号采用单极性正弦脉宽调制方式(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)推动，可以获得低谐波和高品质的电流输出波形。建立的单向电压型逆变器仿真模型如图2 所示，由于采用的是理想电压源，因此不需要并联电容C。

图2 单向电压型逆变器仿真模型

3 电流跟踪方式

这里采用的是电流源输出的控制方式，电流源输出的控制方式主要包括滞环比较方式、定时控制的电流瞬时值比较控制方式、以及跟踪实时电流的三角波比较方式。

由于滞环比较方式具有实时控制、电流相应快、电路设计简单等优点，目前得到了广泛的应用。因此选用滞环比较器的滞环比较方式作为输出电流的控制方式，利用仿真软件PSCAD/EMTDC 建立滞环比较器的仿真模型，如图3 所示。

图3 滞环比较器的仿真模型

4 锁相模块

在分布式并网系统中，为了保证输出正弦波电流和电网电压具有相同的角频率和相位，需要装设一个锁相环节(PLL)。简单地说，PLL 是一个闭环反馈控制系统，它能使输出相位和参考相位之间的相差减小到最小。系统锁相环的控制图如图4 所示。

图4 锁相环仿真模型

5 分布式电源并网仿真研究

根据单相分布式电源并网系统的原理，建立等效单相分布式电源并网系统的仿真模型，如图5 所示。

图5 等效单相分布式电源并网系统内部结构

图6 并网电流和参考电流的比较

图7 S1区域放大图

图8 并网系统的输出功率

图9 输出电气量的比较

图10 THD 分析图

滤波电感的感应量应和滞环宽度结合起来一起考虑，经过分析，本实验装置中滞环宽度取为0.000 5，输出滤波电感为0.008 H。图5 中，模型首先建立一个可以给定角频率和相位的参考电流模型，然后利用锁相环从系统电压E3处获取角频率和相位;然后将相同的角频率和相位赋给参考电流Iref，运用滞环比较器将参考电流Iref和并网电流Ia进行幅值的比较，并网电流Ia和参考电流Iref的比较波形如图6 所示。

将S1区域放大，如图7。可以看出，并网电流围绕着参考电流进行上下波动，被限制在环宽上限和环宽下限之间。

等效单相分布式电源并网系统输出功率如图8所示。

采用相同的频率特性进行比较，由图9 可以看出，并网电流可以快速稳定地跟踪上参考电流的变化，并网电流相位幅值与电网电压同频同相，满足输出功率因数的设计要求。

经分析，并网电流总谐波失真率(THD)小于5%，满足IEEE 1547－2003 中关于分布式电源并网电流电能质量的要求，仿真模型得到验证。

6 结论

利用电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC 建立了等效单相分布式电源并网系统的仿真模型，包括逆变器、滞环比较器和锁相模块，利用输出的仿真波形，结合之前的分析，验证了模型的正确性。

［1］袁超，吴刚，曾祥君，等.分布式发电系统继电保护技术［J］.电力系统保护与控制，2009，37(2):99－105.

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