實現有源配電網超高次諧波的準確分析

摘 要：

如今配電網的電力電子化趨勢日益明顯，因此超高次諧波對配電網各種元件的影響引起了人們的重視，而超高次諧波產生的根源在于諧波源中的電力電子器件采用了脈寬調制技術。鑒于此，從拓撲結構、調制方式、控制策略出發，建立了能反映實際工作負荷超高次諧波特性的諧波源模型，并以此為基礎建立了超高次諧波有源配電網仿真模型。

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引言

隨著配電網的電力電子化程度越來越高，超高次諧波的發射特性以及傳遞特性逐漸引起了人們的關注。因為超高次諧波產生的根源，在于諧波源中電力電子裝置采用了脈寬調制技術。脈寬調制信號的產生涉及電力電子裝置控制系統[2-3]，所以超高次諧波源的時域模型搭建需要關注其內部電力電子裝置的控制系統和脈寬信號生成電路。

實際電網中，超高次諧波發生源眾多，每種超高次諧波源都可能有自己獨特的控制方式，例如電動汽車充電機等超高次諧波源的控制方式和脈寬調制信號產生方式都不同[4]。對于同一種典型超高次諧波源，也存在不同的控制方式和脈寬調制方式，例如一部分光伏逆變器采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制，一部分光伏逆變器則采用功率外環、電流內環的控制方式[5]。而對于脈寬調制信號生成電路，則主要有正弦脈寬調制（SPWM）和空間矢量脈寬調制（SVPWM）。

因此，要實現有源配電網超高次諧波的準確分析，首先就需要建立能反映實際工作負荷超高次諧波特性的各種典型諧波源模型。

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時域仿真建模方法

1.1 建立單個模型

以CRH1型動車為例，確定其超高次諧波源發生裝置拓撲圖后，建立仿真電路主電路，如圖1所示。

控制系統的建立需要用到多種模塊，其中重要模塊的原理和功能如下：

單相鎖相環：利用信號過零檢測原理，實時測量輸入信號的頻率和角度，實現另一信號頻率和角度的實時調制。一般在電力系統中，鎖相環輸入為電壓，而另一信號為電流，利用鎖相環，可以動態調整電流頻率和相角，實現電流對電壓的實時跟蹤。

延時模塊：控制系統的輸入來自于對主電路的測量值，實際系統中信號的測量傳輸再到控制系統的處理是需要一定時間的，而仿真電路中不存在該問題，所以在控制電路中加入一個延時模塊來模擬實現系統的延時特性。

建立的控制系統仿真圖如圖2所示。

CRH1型動車都采用正弦脈寬調制（PWM），單相脈寬調制電路結構較為簡單，仿真模型如圖3所示。

其中Triangle模塊是載波發生器，可以設置不同頻率，而載波的頻率則會決定動車變流器產生的超高次諧波頻率。

建立單個電動汽車充電機時域仿真模型的方法與動車模型的建立較為相似，需要依次建立主電路、控制電路、脈寬調制電路和完整電路分析模型。在模型搭建并完成測試后，將其進行封裝，作為模塊備用。

1.2 建立組合模型

對于動車來說，將單個模型組合起來，需要完成各系統間的銜接，并在仿真系統相應節點增加測量裝置和顯示模塊。

而對于電動汽車，單個的電動汽車充電機組不會直接接入電網，需要按照常規電動汽車充電站的充電機配置臺數以及連接方式建立電動汽車充電站時域仿真模型，不同區域的電動汽車充電站能提供的最大功率不同，站內裝置的連接方式也有區別，但工作原理都較為一致，一般可選用功率適中且實際較為常用的電動汽車充電站來進行建模研究。電動汽車充電站內裝置連接示意圖如圖4所示。

圖4中每個充電樁包含兩臺充電機，單臺變壓器容量為0.5 MVA。

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仿真分析方法

2.1 拓撲簡化法

時域仿真時，隨著網絡的增大，程序運行時間將大量增加，因此建模時應合理簡化裝置拓撲。超高次諧波源建模采用簡化分析法，將超高次諧波源裝置內與諧波特性無關的元件作等效處理。例如，CRH1型動車逆變電路與整流電路間有直流穩壓電路，所以逆變電路不影響網側諧波含量，將其等效為一個電阻性負載。簡化前后的動車變流器如圖5所示。

2.2 元件等效法

進行時域建模時，仿真軟件可能不存在所需模塊，這時需要進行模型開發。例如，電動汽車功率變換電路和電動汽車蓄電池用非線性時變電阻Rc來等效，但仿真軟件無時變電阻模塊，此時可根據實際電阻曲線（圖6）建立等效時變電阻模型（圖7）。

2.3 蒙特卡洛法

對于電動汽車充電站，其內部的電動汽車充電樁工作狀態不確定，受多種因素影響。為了更準確地對電動汽車充電站的諧波發射特性進行研究，需模擬站內電動汽車充電樁的啟停狀態。通過對電動汽車充電站各時段內充電樁工作狀態的統計，可以得到各時段內電動汽車充電樁工作臺數的概率密度函數，因此可以利用蒙特卡洛法仿真模擬各電動汽車充電樁的開關狀態。例如，將Matlab中生成蒙特卡洛信號的m文件作為仿真模型準備程序，生成的開關信號將直接作用在開關控制器上，控制開關狀態。圖8是開關元件，圖9為利用蒙特卡洛法生成的開關信號。

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仿真模型搭建

CRH1型動車完整模型搭建如圖10所示。

注：整流器開關頻率f=450Hz，直流電壓Ud=1650V，直流支撐電容Cd=14mF，變壓器一次側電壓U1N=27.5kV，二次側電壓U2N=900V，牽引負荷P=5500kW，濾波電感L2=0.359mH，濾波電容C2=7.06mF，網側電感L1=2 mH。

電動汽車充電機完整模型搭建如圖11所示。

圖中開關頻率f=5050Hz，網側電感L=5mH，直流電容C=3mF，額定功率P=10 kW。

按照IEEE拓撲圖搭建超高次諧波有源配電網仿真模型，結果如圖12所示。

注：1代表小型發電機，發電機所發功率注入35 kV電網；2代表超高次諧波源，其中光伏發電站與網絡中的發電機共同為配電網供電；3代表配電網中一般性負荷，按照IEEE 14節點參數進行各負荷節點的功率配置；4為超高次諧波變壓器，整個配電網線路中共計有3臺變比為35/10.5 kV的變壓器；5表示該處的線路的分布式參數模型。

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結語

本文提出了一種能夠反映實際工作負荷超高次諧波特性的各種典型諧波源的時域模型建模方法，建立了考慮拓撲結構、調制方式、控制策略的超高次諧波源模型，并利用蒙特卡洛法模擬電力電子化配電網中超高次諧波源的運行工況和配電網運行方式，建立了超高次諧波有源配電網的仿真模型。

審核編輯：劉清