中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國(guó)國(guó)際儲(chǔ)能大會(huì)”在深圳隆重召開(kāi)， 來(lái)自中國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、加拿大、西班牙、日本、韓國(guó)、澳大利亞等國(guó)和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項(xiàng)目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會(huì)。
東南大學(xué)電氣工程學(xué)院副院長(zhǎng)吳在軍在“微電網(wǎng)+售電專(zhuān)場(chǎng)”，發(fā)表了題為“微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題”的精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
吳在軍：很高興有機(jī)會(huì)來(lái)跟各位分享我們?cè)谖㈦娋W(wǎng)方面的一些研究工作。其實(shí)一會(huì)兒吳主任會(huì)給大家講更全面的關(guān)于微電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展，我給大家報(bào)告的是我們對(duì)一個(gè)具體問(wèn)題當(dāng)前做的一些工作，當(dāng)然更多的是偏向理論上的探討，希望能和在座的各位工業(yè)界的朋友共同推動(dòng)微電網(wǎng)工程向前更進(jìn)一步。
今天我報(bào)告的題目是“微電網(wǎng)諧波特性分析與控制”。我主要從四個(gè)方面給大家報(bào)告我們做的工作，第一是技術(shù)背景，第二是諧波特性分析，第三是諧波電流控制，第四是一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)語(yǔ)。
微電網(wǎng)從十年前有了概念，到當(dāng)前這個(gè)不太火熱的現(xiàn)狀，我們可以看未來(lái)的電網(wǎng)形態(tài)是什么樣的，當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的壓力，一個(gè)是能源，一個(gè)是環(huán)境，傳統(tǒng)的電能生產(chǎn)方式是利用規(guī)模化生產(chǎn)，通過(guò)特高壓電網(wǎng)輸送，然后到負(fù)荷中心去分配使用，這是傳統(tǒng)的方式。自然會(huì)有一個(gè)相對(duì)的概念，就是我們小系統(tǒng)怎么樣，是一些獨(dú)立的系統(tǒng)，包括分布式發(fā)電、微型電力系統(tǒng)。從可靠性來(lái)看是集中式的更合適，還是分散的更合適，哪個(gè)更強(qiáng)大、哪個(gè)更脆弱一些？前些年大家一直有一些爭(zhēng)論，現(xiàn)在來(lái)看，大家都基本上達(dá)成一個(gè)共識(shí)，未來(lái)的電網(wǎng)一定是集中式和分布式相結(jié)合的形態(tài)，無(wú)論是從能源的多元化的使用，還是發(fā)展可再生能源、減少碳的排放，保護(hù)我們共同生活的環(huán)境，或者是提高能源的綜合利用效率，以及提高供電的安全性和可靠性來(lái)看，分布式發(fā)電和傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)合起來(lái)是有可能達(dá)到一個(gè)更高可靠性的，目前在這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題，大家基本上已經(jīng)有了共識(shí)。
無(wú)論是我們國(guó)家還是美國(guó)，其實(shí)我們可以看到非常明確的一個(gè)對(duì)未來(lái)電網(wǎng)形態(tài)發(fā)展的方向。我們國(guó)家未來(lái)的電網(wǎng)是以主干電網(wǎng)為主，輔以局域的配網(wǎng)，再加上就地利用的微電網(wǎng)的形態(tài)，把跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離的輸電、區(qū)域內(nèi)的集中發(fā)電、分布式發(fā)電這幾種形態(tài)都和電網(wǎng)的形態(tài)相匹配起來(lái)。再回過(guò)頭來(lái)看美國(guó)的情形，美國(guó)在GRID2030里面寫(xiě)得也很明確，美國(guó)未來(lái)的電網(wǎng)形態(tài)從骨干網(wǎng)到區(qū)域的互聯(lián)電網(wǎng)，到局部的配電網(wǎng)，再到微網(wǎng)，所以未來(lái)的電網(wǎng)形態(tài)一定是大規(guī)模的集中式電網(wǎng)和分布式的微電網(wǎng)并存的形態(tài)。
微電網(wǎng)的概念我想大家都很熟悉了，我覺(jué)得有兩個(gè)關(guān)鍵詞，第一，它是一個(gè)可控的對(duì)象，把分布式電源、負(fù)荷、儲(chǔ)能作為一個(gè)整體，和我們的主網(wǎng)連起來(lái)以后形成可控的單元，既可以在并網(wǎng)的模式下運(yùn)行，也可以在離網(wǎng)的模式下運(yùn)行，獲得更高的可控性。
回到它的驅(qū)動(dòng)力來(lái)看，無(wú)非是經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)境友好性。從可靠性來(lái)看有很重要的指標(biāo)，就在于它的電源質(zhì)量問(wèn)題。它的孤島運(yùn)行模式，在主網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，有一個(gè)局部的可供能的網(wǎng)絡(luò)，保證一些重要用戶(hù)的用電。它的應(yīng)用場(chǎng)景，我認(rèn)為有兩大類(lèi)比較典型的應(yīng)用，一類(lèi)是對(duì)用電質(zhì)量有特殊要求的園區(qū)，可以發(fā)展并網(wǎng)型的微電網(wǎng)的應(yīng)用。還有一種類(lèi)型，在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)解決有電用的問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)外有一個(gè)很重要的應(yīng)用，我們前面不太了解，就是在軍方的應(yīng)用，它的一些基地的電源保障，包括去年軍委后勤部發(fā)布了一批項(xiàng)目的指南，專(zhuān)門(mén)提到邊遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)的應(yīng)用，無(wú)論是并網(wǎng)型的應(yīng)用，還是離網(wǎng)型的應(yīng)用，電能質(zhì)量是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。
從微電網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題的起因來(lái)看，我覺(jué)得有兩個(gè)方面是最大的影響因素，第一是微電網(wǎng)本身集成了大量的分布式電源，恰恰這些分布式電源是一些線(xiàn)性的電源，包括光伏、風(fēng)電，這是環(huán)境條件約束的線(xiàn)性的電源，有風(fēng)的時(shí)候可以多發(fā)，沒(méi)有風(fēng)的時(shí)候就沒(méi)有辦法發(fā)了。還有一類(lèi)是新的元素集成進(jìn)去，最典型的是電動(dòng)汽車(chē)，它的充放電的隨機(jī)性，包括用戶(hù)負(fù)荷的隨機(jī)性，這些都是電能質(zhì)量問(wèn)題的起因之一。第二個(gè)因素是大量的電力電子裝備的使用，無(wú)論是從分布式電源并網(wǎng)來(lái)看，包括我們儲(chǔ)能的PCS，包括現(xiàn)在的一些新型的負(fù)荷類(lèi)型，包括電動(dòng)汽車(chē)、充電樁等等，包括我們?yōu)榱私鉀Q電能質(zhì)量問(wèn)題而配備的一些電力電子裝置，包括APF等等。還有我們?yōu)榱双@得和PC點(diǎn)主網(wǎng)快速的無(wú)縫切換，可能會(huì)配備一些新型的電力電子固態(tài)開(kāi)關(guān)，這些大量的裝備的非線(xiàn)性和非線(xiàn)性耦合之后，對(duì)我們的電能質(zhì)量帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)。
從它的表現(xiàn)形式來(lái)看，剛才我們談到它的間隙電源、電力電子變流器，包括還有一些非線(xiàn)性的負(fù)載，還有一些不平衡的負(fù)荷，電能質(zhì)量問(wèn)題的現(xiàn)象，我們常規(guī)能看到，一個(gè)是諧波電流，另外一類(lèi)就是諧波諧振，也包括一些無(wú)功和三相不平衡等等，這是我們能看到的一些電能質(zhì)量的現(xiàn)象。
它的具體的機(jī)理是什么？這是我們更關(guān)心的問(wèn)題，我們希望知道它為什么有諧波，表面上看是大量的電力電子裝置的使用，它有一定的波動(dòng)性，他們內(nèi)在的機(jī)理是什么，這是我們下面的話(huà)題想探討的內(nèi)容。
因?yàn)閯偛胖v到電能質(zhì)量問(wèn)題牽扯到好幾個(gè)方面，今天因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，我主要跟大家討論關(guān)于諧波的問(wèn)題。這里面討論三個(gè)方面的問(wèn)題，一是分布式電源，包括儲(chǔ)能并網(wǎng)的變流器，它本身所產(chǎn)生的諧波的特性。第二個(gè)是大量負(fù)載的使用本身也是非線(xiàn)性的，當(dāng)變流器和非線(xiàn)性負(fù)載之間耦合的諧波性。第三個(gè)是關(guān)于它的諧波的諧振問(wèn)題。
第一個(gè)我們看看DG并網(wǎng)逆變器諧波輸出特性，右邊這個(gè)圖是我們最常規(guī)采用的，在同步坐標(biāo)系下解耦控制電流內(nèi)環(huán)的控制器，常規(guī)我們會(huì)用到空間矢量調(diào)制和正弦脈寬調(diào)制。分布式電源并網(wǎng)變流器的非線(xiàn)性，它會(huì)導(dǎo)致一個(gè)混沌的現(xiàn)象，造成了分杈，DG并網(wǎng)變流器的非線(xiàn)性，導(dǎo)致產(chǎn)生頻譜范圍很寬的諧波電流。
調(diào)制策略導(dǎo)致的GD并網(wǎng)變流器的非線(xiàn)性，我們做了一個(gè)雙重傅里葉變換，它對(duì)應(yīng)的是四項(xiàng)，第一項(xiàng)是直流偏置，第二部分是基和基帶諧波，對(duì)應(yīng)調(diào)制波附近的低次諧波分量。第三部分是為載波諧波，對(duì)應(yīng)的是載波整體倍的高頻諧波分量，第四是邊帶諧波，對(duì)應(yīng)調(diào)制波與載波混合作用的結(jié)果。GD并網(wǎng)逆變器輸出的諧波分量主要為基頻附近的低頻分量和開(kāi)關(guān)頻率附近的高頻段分量，對(duì)低頻分量我們的手段是相對(duì)比較有限的。
再看在不同的調(diào)制的前提下，如果是沒(méi)有發(fā)生過(guò)調(diào)制的時(shí)候，低頻段的分量和它的調(diào)制波信號(hào)是成線(xiàn)性管理的，從這個(gè)圖也可以看出來(lái)，左邊這張圖是未發(fā)生過(guò)調(diào)制的，我們可以看到它的諧波的分布情況，主要是靠近基波附近。如果發(fā)生過(guò)調(diào)制以后，在逆變器的收縮端，它就會(huì)產(chǎn)生新的基帶第一次的諧波，并且這個(gè)諧波和我們的調(diào)制度是相關(guān)的，調(diào)制度越高，它輸出的諧波分量的形式越接近于方波的分量形式，也就意味著我們第一次的諧波分量會(huì)變大。這是從它的調(diào)制角度看到的一些現(xiàn)象。
從控制策略離散化角度來(lái)看，我們?cè)儆^(guān)察它的非線(xiàn)性，還是以這個(gè)模型來(lái)看，我們建立它的離散的時(shí)間模型，通過(guò)它來(lái)描述這個(gè)對(duì)象，并且探討在SVPWM和SPWM的情況下探討它的雅可比矩陣的形式，然后探討它的矩陣有沒(méi)有分杈。
從這里可以看得出來(lái)，它有非常明顯的分杈的過(guò)程，在右邊這個(gè)圖可以看到在不同的調(diào)制策略下，SPWM是不太容易發(fā)生低頻分杈的，但是SVPWM調(diào)制相對(duì)容易發(fā)生低頻分杈，并且這個(gè)分杈的過(guò)程按我們這個(gè)算力來(lái)看，有5赫茲低頻振蕩的過(guò)程。
再看另外一個(gè)現(xiàn)象，我們看它的特征相對(duì)我們的系數(shù)的情況，我們觀(guān)察到它出現(xiàn)一個(gè)非常典型的高頻分杈的過(guò)程，并且我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有趣的現(xiàn)象，當(dāng)一旦發(fā)生高頻分杈以后，本來(lái)我們說(shuō)的高次諧波和開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)，但是現(xiàn)在發(fā)生高頻分杈以后，THD值變得很大，但是它的特性不在我們的開(kāi)關(guān)頻率的特性上，它已經(jīng)向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，這對(duì)出口濾波器的設(shè)計(jì)業(yè)帶來(lái)很大的挑戰(zhàn)，通常我們以開(kāi)關(guān)頻率作為影響因素考慮的更多，發(fā)生高頻分杈的也是我們?cè)诒旧淼恼{(diào)制策略離散化過(guò)程當(dāng)中所帶來(lái)的另外一個(gè)非線(xiàn)性問(wèn)題。
第二個(gè)問(wèn)題，當(dāng)我們有那么多非線(xiàn)性負(fù)載，最典型的一類(lèi)是整流型負(fù)載接入以后，我還是要建立三相三線(xiàn)制逆變器模型。高頻段我們可以把濾波的方式去掉，對(duì)低頻段建模，下面我們緊接著建立非線(xiàn)性負(fù)載的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型，我們以不可控整流橋的模型來(lái)看，還是利用調(diào)制的概念，建立它的開(kāi)關(guān)函數(shù)模型，并且用時(shí)域的方法獲得它的開(kāi)關(guān)的角度，最后可以得出關(guān)于三相不控整流基于開(kāi)關(guān)嫻熟模型的隱式函數(shù)模型，用來(lái)求我們這個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載的模型，當(dāng)然這個(gè)求解是比較復(fù)雜的過(guò)程，我們找到一個(gè)比較合適的方法，是JFNK改進(jìn)的算法，這個(gè)我就不多說(shuō)了。
在它們交互耦合的時(shí)候，如果讓GD工作在低壓源模式，在離網(wǎng)的模式下運(yùn)行，當(dāng)這個(gè)非線(xiàn)性負(fù)載和GD并網(wǎng)逆變器的電氣距離增大的時(shí)候，我們會(huì)很明顯地看到逆變器側(cè)的電壓的基波分量保持不變，諧波分量減小。對(duì)負(fù)載這一邊，我們看到諧波分量是有變大的。如果讓DG變網(wǎng)逆變器工作模式下，我們看到的現(xiàn)象和電壓源又不一樣，隨著網(wǎng)側(cè)電氣距離增大，逆變器側(cè)和負(fù)載側(cè)電壓諧波增大，隨著GD側(cè)電氣距離增大，負(fù)載側(cè)電壓沒(méi)有太大變化。當(dāng)負(fù)載側(cè)電器性質(zhì)距離變大以后，逆變器側(cè)諧波分量沒(méi)有太大變化。這樣大概就可以知道它們耦合的特性是什么樣的現(xiàn)象。
第三個(gè)問(wèn)題，和大家探討關(guān)于它的諧振的問(wèn)題。常規(guī)的方法其實(shí)是用頻域掃描法來(lái)看，但是它很難給出一個(gè)全局的判斷，我們希望能知道它的諧振源在什么地方，諧振傳播的路徑是什么樣的，它的影響范圍有多大，這是我們希望通過(guò)這個(gè)研究能得出的結(jié)論，所以我們后來(lái)采用了模態(tài)分析法來(lái)做，找它的參與因子，看看它的諧振域在什么地方。
以一個(gè)比較簡(jiǎn)單的算力來(lái)看，我們就看最后的結(jié)果，GD是三個(gè)不同的GD，LC的組合是它的出口濾波器的參數(shù)，我們做了這么一個(gè)交叉的組合，給出6種不同的情形。從它的模態(tài)的數(shù)據(jù)來(lái)看，其實(shí)我們可以看到誰(shuí)的參與因子最大，誰(shuí)的參與因子最小。最后我們看到一個(gè)基本結(jié)論是，對(duì)于較低頻率的諧振模態(tài)，在線(xiàn)路末端的DG的參與因子最大，反過(guò)來(lái)說(shuō)它最容易受到激勵(lì)，產(chǎn)生諧振。對(duì)于較高頻率的諧振模態(tài)來(lái)看，我們看到的是使用較高頻率LC濾波器的DG參與因子最大。這樣我們就大概能夠知道它的一個(gè)規(guī)律性的東西。
我們也會(huì)考慮它的諧振的抑制，我們也做了相關(guān)的工作，對(duì)于高頻的可以考慮增加聯(lián)絡(luò)線(xiàn)阻尼的方法，在低頻的可以考慮末端并聯(lián)有源阻尼的方法進(jìn)行抑制。這是我們看到的一些最基本的機(jī)理和現(xiàn)象。
第三部分和各位匯報(bào)一下我們?cè)趺磳?duì)這些諧波電流進(jìn)行控制。
我們剛才看到的現(xiàn)象包括諧波電流、諧振、無(wú)功等等。我們的基本思路是分兩個(gè)方面來(lái)看，一個(gè)方面是集中式的，無(wú)非是采用一些新型的電能質(zhì)量控制裝置或者調(diào)節(jié)裝置，還有一類(lèi)是分布式的方式，現(xiàn)在大家看到的多功率變流器的概念已經(jīng)是大家相對(duì)能接受的概念，所以我們基本上從這兩個(gè)角度來(lái)考慮它的解決方案，一個(gè)是集中式的方案，一個(gè)是分布式方案。
集中式方案，我們做了一個(gè)新型的裝置，就是9開(kāi)關(guān)板的電能質(zhì)量控制裝置，它是接在我們主網(wǎng)和微網(wǎng)的PC點(diǎn)上，我們?cè)赑E點(diǎn)還有一個(gè)變壓器，我就接在PE點(diǎn)的前端，這樣做的好處在于什么呢？我利用這個(gè)裝置既可以對(duì)高壓側(cè)的諧波問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，也可以對(duì)低壓側(cè)的諧波問(wèn)題進(jìn)行補(bǔ)償，并且從右邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，它既有有源的方式，還有無(wú)源的方式，在這種方式下就不用考慮我們的諧波通過(guò)變壓器的流動(dòng)，我們做了這么一個(gè)新型的裝置，既可以對(duì)諧波，也可以對(duì)無(wú)功，還可以對(duì)三相不平衡的矯正。
對(duì)于九關(guān)管，我們背靠背的這種結(jié)構(gòu)，它省了三只管子，但是它的調(diào)控的控制變得復(fù)雜得多，要包括這9個(gè)開(kāi)關(guān)的控制和持續(xù)關(guān)系。我們提出一個(gè)基于靈牌指令的不連續(xù)調(diào)制算法，我們做了一些仿真的分析，高壓側(cè)10千伏、低壓側(cè)380伏，可以看到前后對(duì)它的THD值都有比較明顯的改變，后來(lái)我們又做了一些樣機(jī)的試驗(yàn)，我們可以看到無(wú)論是高壓側(cè)還是低壓側(cè)，THD值都有非常大的改觀(guān)，上端口是在高壓側(cè)，下端是400伏這一側(cè)，是1.5%的THD。這是關(guān)于集中式方案。
分布式方案方面，我們的多功能變流器已經(jīng)有些應(yīng)用，但是在微網(wǎng)當(dāng)中也有一些需要改進(jìn)的地方，比如說(shuō)它沒(méi)有慣性，沒(méi)有阻尼，并且基波的控制是一個(gè)PQ控制，無(wú)法響應(yīng)電網(wǎng)頻率、電壓的變化，虛擬同步機(jī)是一個(gè)很好的解決方案，現(xiàn)在已經(jīng)有些應(yīng)用，我們考慮無(wú)論是儲(chǔ)能虛擬同步機(jī)，還是和風(fēng)電配合的分布式虛擬同步機(jī)，我都把電能質(zhì)量控制的部分加進(jìn)去，現(xiàn)在做到的是VSG、諧波補(bǔ)償、無(wú)功補(bǔ)償和不平衡電流補(bǔ)償復(fù)合到一起，給出這么一個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
這是模擬了我們的同步機(jī)的特性，包括虛擬的阻抗、阻尼，包括電能質(zhì)量的檢測(cè)以及復(fù)合控制。
我們做了實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，在不同的工況下測(cè)試它的無(wú)功補(bǔ)償特性、諧波特性、不平衡電流補(bǔ)償特性，我們可以看到都能非常好的響應(yīng)電能質(zhì)量的需求，包括響應(yīng)電能頻率的變化，以及響應(yīng)電壓的變化，它都可以按照我們所期望的目標(biāo)來(lái)工作。分布式方案用虛擬同步機(jī)來(lái)做看起來(lái)是更有價(jià)值的。
最后有一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)語(yǔ)，其實(shí)也就是剛才我們想的方案，電能質(zhì)量問(wèn)題在微網(wǎng)當(dāng)中還是很突出的，為了更好地將電網(wǎng)和微網(wǎng)本身的噪聲隔離，我們建議如果有可能的話(huà)，在微網(wǎng)和主網(wǎng)之間有一個(gè)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，無(wú)論你是用什么方式來(lái)做的，不一定是我們提到的九開(kāi)關(guān)管的方式。另外一種就是希望通過(guò)逆變器來(lái)做它的電能質(zhì)量的控制。
謝謝各位！
（本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)錄音整理，未經(jīng)本人審核）
