交直流混合微网的谐波分析

矫德强， 赵 宪

(长春工业大学 电气与电子工程学院， 吉林 长春 130012)

0 引 言

随着微电网技术的发展，交直流混合微电网引起了人们的关注[1]。微电网是由一个或多个分布式电源、能量转换环节、负载、监控环节和系统保护环节组成[2]。微电网的实施综合了交流微网和直流微网的优点，近几年，分布式能源广泛应用于微电网。现有采用柴油或煤炭运行的电力系统正面临着能源危机以及环境污染。向偏远地区供电的传输网络输送距离过长，遭受巨大的传输线损耗，由于这些问题，出现了寻找替代能源的趋势。目前，可再生能源的分布式发电(DG)已经开始主导工业部门。使用风能、太阳能或生物能源等可再生资源变得越来越流行，将其与微电网运行相结合，以便为用户提供清洁、可靠、高效、灵活的电能。

电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性元件的存在。随着电力电子技术的发展，各种电力电子器件广泛应用于工业、电力、家庭，所以谐波产生的危害也日益严重[3]。谐波会影响电力的传输质量，引起电器元件发热、过早老化、电路故障甚至烧毁等问题。所以了解电路中谐波的运行方式，解决谐波污染是交直流混合微网目前亟待解决的问题。文献[4]针对配电网谐波具有多样性、复杂性、非线性和突变性的特征，提出基于奇异值分解与快速独立分量分析的谐波互信息特征提取方法，最后通过MATLAB仿真验证。文献[5]对微网中的AC/DC转换器采用调制理论法进行了谐波分析，并通过仿真分析了电压的谐波畸变。文献[6]介绍了谐波来源、危害，然后针对系统内谐波的主要来源----光伏电站进行分析,合理地在ETAP中建立数学模型，并验证其正确性。文献[7]分析了谐波对配电线路及其电力设备的影响与危害,提出在配电网规划设计中充分考虑抑制和改造谐波,规划谐波治理方式。文献[8]应用物理分析讨论了变压器的电流谐波幅值随电压非线性变化的规律。虽然谐波危害严重，学者们也针对不同的问题进行了研究，但是针对交直流混合微网综合性谐波分析的研究却很少，文中对此进行了研究。

文中使用的典型交直流混合微电网配置如图1所示。

图1 交直流混合微网模型

在交流侧，由风力发电机和柴油发电机构成电源，连接断路器可随时切换供电源。 在直流侧使用光伏阵列和电池组作为分布式发电机供电，交直流子微网通过双向转换器连接[8]。

1 谐波的定义

电网中的电压与电流在理想情况下运行时所产生的波形为标准正弦波，但实际情况下，电网受电路中各种非线性元件的影响,其产生的波形会发生不同程度的畸变[9]。在微电网中产生的谐波与传统电网一样，是基波频率整数倍的正弦波。n次谐波电压含有率(HRUn)为第n次谐波电压有效值与基波电压有效值的比值，表达式为

(1)

n次谐波电流含有率(HRIn)为第n次谐波电流有效值与基波电流有效值的比值，表达式为

(2)

谐波电压含量Uh和谐波电流含量Ih分别为：

(3)

(4)

电压谐波的总畸变度THDu与电流谐波的总畸变度THDi分别为：

(5)

(6)

2 应用ETAP仿真

在ETAP中设计出交直流混合微电网的电路图[10]，AC总线连接到DC总线以便根据仿真分析的需要形成混合连接。风力涡轮机(WTG)和光伏系统(PV)位于交流侧，使用柴油发动机(Gen1)作为这些系统的后备防止停电。该系统连接到现有的等效电网，为新负荷提供额外的电力需求。在直流侧，以电池为电源，采用逆变器和整流器实现直流母线与交流电源的互连，提高了电池电路的输出。另外，PV系统可以连接在直流侧的电路上，但由于ETAP 12.6.0.11814版本在不能将PV与变流器和直流负载连接起来，所以将它连接在交流侧。

该电路有两条总母线，分别为AC总线(Bus2)和DC总线(DCBus2)。这两条总线均为400 V，通过互连逆变器连接。交流母线有80 kVA负载(Lump1)和80 kVA静态负载(Load1)，直流母线负载(dcload1)功率为50 kW。交流母线由风力发电(80 kW)、柴油发电(70 kW)、光伏发电(300 V，30 kW)供电。直流母线与两个电池相连，电池电量分别为495 A·h和285 A·h。等效电网的额定电压为35 kV，15 MVA，变压器的额定容量为400 MVA，变比为35/0.4 kV。基于ETAP设计的交直流混合微电网的单线图如图2所示。

图2 交直流混合微电网的单线图

将母线6下的静态负荷添加谐波源进行谐波分析，选取型号为DCS500 6P的电流源作为谐波源，其频谱及波形结构分别如图3和图4所示。

图3 DCS500 6P谐波源频谱图

图4 DCS500 6P谐波源波形图

情况1：基于所加谐波源，交流微网的Load1为非线性负载，其他负载为线性负载。母线2、3、4、5、6都为0.4 kV，连于其上的各装置参数一致,且电路中的电缆长度均设为1 km，基于负载谐波的各个母线上的电压波形仿真结果和频谱分析分别如图5和图6所示。

图5 负载谐波下各母线电压波形图

图6 负载谐波下各母线电压频谱分析图

由图5可以看出，由于非线性负载的定向连接，畸变最大为离非线性元件最近的母线6，总的电流THD为15.21%，由图6可观察到5次谐波对微电网产生的影响最大，电压频谱为1.75%。其中母线1 离谐波源最远,且产生波动较小,依然保持周期性平稳运行。

情况2：将母线1上的等效电网添加谐波源进行谐波分析，依然选取型号为DCS500 6P的电流源作为谐波源。基于所加谐波源，交流微网的变压器为非线性负载，其他元件为线性负载。母线2、3、4、5、6都为0.4 kV，连于其上的各装置参数基本一致,且电路中的电缆长度均设为1 km，基于等效电网的各个母线上的电压波形仿真结果和频谱分析分别如图7和图8所示。

图7 等效电网谐波下各母线电压波形图

图8 等效电网谐波下各母线电压频谱图

由图7可以看出，等效电网存在谐波源影响时，与谐波源最接近的母线1波动较大，总的电流THD为16.81%。由图8可观察到5次谐波对微电网产生的影响最大，母线1的电压频谱为2.3%。剩余母线均为0.4 kV，波动幅度较小且波形接近。

情况3：将负载、等效电网均加入型号为DCS500 6P的电流源作为谐波源进行谐波分析，得到各个母线上的电压波形仿真结果和频谱分析分别如图9和图10所示。

图9中，当两个谐波源全部投入电路中时，总的电流THD为3.41%，与单独投入谐波源情况相比较有所下降。图10中，各母线电压百分数随着不同的谐波次数与情况1、情况2 相比有升高也有降低，而且5次谐波的电压畸变程度也有所改善。

图9 两项谐波下各母线电压波形图

图10 两项谐波下各母线电压频谱图

综上可知，距离决定谐波源对母线的影响程度，多元谐波源的相互干扰会随周期偏差出现加减迭代，并且无论谐波源的类型或大小如何变化，母线的电压畸变都是不下降的，这说明直流母线对谐波结构有很好的阻隔作用。

3 结 语

在交直流微网中增添谐波源，应用ETAP软件分三种情况进行实验仿真，基于实验数据与仿真图形分析得到结论。当电力网络中出现谐波源时，距离谐波源越远的母线受谐波影响越小，越近的母线受谐波影响越大。微电网系统运行中存在多元谐波源时，当谐波源周期同向会引起母线谐波相叠加，谐波周期相反会引起母线谐波相抵消。基于文中实验结论可为交直流混合微电网的规划和电能质量控制提供指导。下一步可对滤波器的容量、相应参数进行计算，对比不同类型滤波器的优缺点，选择合适的滤波器使电网系统恢复基波稳态运行。