中國儲能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國國際儲能大會”在深圳隆重召開， 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機(jī)構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會。
東南大學(xué)電氣工程學(xué)院副院長吳在軍在“微電網(wǎng)+售電專場”，發(fā)表了題為“微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題”的精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
吳在軍：很高興有機(jī)會來跟各位分享我們在微電網(wǎng)方面的一些研究工作。其實一會兒吳主任會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，我給大家報告的是我們對一個具體問題當(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)界的朋友共同推動微電網(wǎng)工程向前更進(jìn)一步。
今天我報告的題目是“微電網(wǎng)諧波特性分析與控制”。我主要從四個方面給大家報告我們做的工作，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，第四是一個簡單的結(jié)語。
微電網(wǎng)從十年前有了概念，到當(dāng)前這個不太火熱的現(xiàn)狀，我們可以看未來的電網(wǎng)形態(tài)是什么樣的，當(dāng)前社會發(fā)展的壓力，一個是能源，一個是環(huán)境，傳統(tǒng)的電能生產(chǎn)方式是利用規(guī)?；a(chǎn)，通過特高壓電網(wǎng)輸送，然后到負(fù)荷中心去分配使用，這是傳統(tǒng)的方式。自然會有一個相對的概念，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)。從可靠性來看是集中式的更合適，還是分散的更合適，哪個更強(qiáng)大、哪個更脆弱一些？前些年大家一直有一些爭論，現(xiàn)在來看，大家都基本上達(dá)成一個共識，未來的電網(wǎng)一定是集中式和分布式相結(jié)合的形態(tài)，無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看，分布式發(fā)電和傳統(tǒng)的電網(wǎng)結(jié)合起來是有可能達(dá)到一個更高可靠性的，目前在這個時間點(diǎn)上來討論這個問題，大家基本上已經(jīng)有了共識。
無論是我們國家還是美國，其實我們可以看到非常明確的一個對未來電網(wǎng)形態(tài)發(fā)展的方向。我們國家未來的電網(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。再回過頭來看美國的情形，美國在GRID2030里面寫得也很明確，美國未來的電網(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，我覺得有兩個關(guān)鍵詞，第一，它是一個可控的對象，把分布式電源、負(fù)荷、儲能作為一個整體，和我們的主網(wǎng)連起來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)動力來看，無非是經(jīng)濟(jì)性、可靠性和環(huán)境友好性。從可靠性來看有很重要的指標(biāo)，就在于它的電源質(zhì)量問題。它的孤島運(yùn)行模式，在主網(wǎng)發(fā)生故障的情況下，有一個局部的可供能的網(wǎng)絡(luò)，保證一些重要用戶的用電。它的應(yīng)用場景，我認(rèn)為有兩大類比較典型的應(yīng)用，一類是對用電質(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。還有一種類型，在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)解決有電用的問題。在國內(nèi)外有一個很重要的應(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)布了一批項目的指南，專門提到邊遠(yuǎn)地區(qū)微電網(wǎng)的應(yīng)用，無論是并網(wǎng)型的應(yīng)用，還是離網(wǎng)型的應(yīng)用，電能質(zhì)量是一個非常重要的指標(biāo)。
從微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的起因來看，我覺得有兩個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性的電源，包括光伏、風(fēng)電，這是環(huán)境條件約束的線性的電源，有風(fēng)的時候可以多發(fā)，沒有風(fēng)的時候就沒有辦法發(fā)了。還有一類是新的元素集成進(jìn)去，最典型的是電動汽車，它的充放電的隨機(jī)性，包括用戶負(fù)荷的隨機(jī)性，這些都是電能質(zhì)量問題的起因之一。第二個因素是大量的電力電子裝備的使用，無論是從分布式電源并網(wǎng)來看，包括我們儲能的PCS，包括現(xiàn)在的一些新型的負(fù)荷類型，包括電動汽車、充電樁等等，包括我們?yōu)榱私鉀Q電能質(zhì)量問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)快速的無縫切換，可能會配備一些新型的電力電子固態(tài)開關(guān)，這些大量的裝備的非線性和非線性耦合之后，對我們的電能質(zhì)量帶來極大的挑戰(zhàn)。
從它的表現(xiàn)形式來看，剛才我們談到它的間隙電源、電力電子變流器，包括還有一些非線性的負(fù)載，還有一些不平衡的負(fù)荷，電能質(zhì)量問題的現(xiàn)象，我們常規(guī)能看到，一個是諧波電流，另外一類就是諧波諧振，也包括一些無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，它有一定的波動性，他們內(nèi)在的機(jī)理是什么，這是我們下面的話題想探討的內(nèi)容。
因為剛才講到電能質(zhì)量問題牽扯到好幾個方面，今天因為時間關(guān)系，我主要跟大家討論關(guān)于諧波的問題。這里面討論三個方面的問題，一是分布式電源，包括儲能并網(wǎng)的變流器，它本身所產(chǎn)生的諧波的特性。第二個是大量負(fù)載的使用本身也是非線性的，當(dāng)變流器和非線性負(fù)載之間耦合的諧波性。第三個是關(guān)于它的諧波的諧振問題。
第一個我們看看DG并網(wǎng)逆變器諧波輸出特性，右邊這個圖是我們最常規(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)變流器的非線性，它會導(dǎo)致一個混沌的現(xiàn)象，造成了分杈，DG并網(wǎng)變流器的非線性，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)變流器的非線性，我們做了一個雙重傅里葉變換，它對應(yīng)的是四項，第一項是直流偏置，第二部分是基和基帶諧波，對應(yīng)調(diào)制波附近的低次諧波分量。第三部分是為載波諧波，對應(yīng)的是載波整體倍的高頻諧波分量，第四是邊帶諧波，對應(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關(guān)頻率附近的高頻段分量，對低頻分量我們的手段是相對比較有限的。
再看在不同的調(diào)制的前提下，如果是沒有發(fā)生過調(diào)制的時候，低頻段的分量和它的調(diào)制波信號是成線性管理的，從這個圖也可以看出來，左邊這張圖是未發(fā)生過調(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)生過調(diào)制以后，在逆變器的收縮端，它就會產(chǎn)生新的基帶第一次的諧波，并且這個諧波和我們的調(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看，我們再觀察它的非線性，還是以這個模型來看，我們建立它的離散的時間模型，通過它來描述這個對象，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有分杈。
從這里可以看得出來，它有非常明顯的分杈的過程，在右邊這個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)制相對容易發(fā)生低頻分杈，并且這個分杈的過程按我們這個算力來看，有5赫茲低頻振蕩的過程。
再看另外一個現(xiàn)象，我們看它的特征相對我們的系數(shù)的情況，我們觀察到它出現(xiàn)一個非常典型的高頻分杈的過程，并且我們會發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的現(xiàn)象，當(dāng)一旦發(fā)生高頻分杈以后，本來我們說的高次諧波和開關(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關(guān)頻率的特性上，它已經(jīng)向兩側(cè)轉(zhuǎn)移，這對出口濾波器的設(shè)計業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)，通常我們以開關(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在本身的調(diào)制策略離散化過程當(dāng)中所帶來的另外一個非線性問題。
第二個問題，當(dāng)我們有那么多非線性負(fù)載，最典型的一類是整流型負(fù)載接入以后，我還是要建立三相三線制逆變器模型。高頻段我們可以把濾波的方式去掉，對低頻段建模，下面我們緊接著建立非線性負(fù)載的開關(guān)函數(shù)模型，我們以不可控整流橋的模型來看，還是利用調(diào)制的概念，建立它的開關(guān)函數(shù)模型，并且用時域的方法獲得它的開關(guān)的角度，最后可以得出關(guān)于三相不控整流基于開關(guān)嫻熟模型的隱式函數(shù)模型，用來求我們這個非線性負(fù)載的模型，當(dāng)然這個求解是比較復(fù)雜的過程，我們找到一個比較合適的方法，是JFNK改進(jìn)的算法，這個我就不多說了。
在它們交互耦合的時候，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)這個非線性負(fù)載和GD并網(wǎng)逆變器的電氣距離增大的時候，我們會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。
第三個問題，和大家探討關(guān)于它的諧振的問題。常規(guī)的方法其實是用頻域掃描法來看，但是它很難給出一個全局的判斷，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，這是我們希望通過這個研究能得出的結(jié)論，所以我們后來采用了模態(tài)分析法來做，找它的參與因子，看看它的諧振域在什么地方。
以一個比較簡單的算力來看，我們就看最后的結(jié)果，GD是三個不同的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)來看，其實我們可以看到誰的參與因子最大，誰的參與因子最小。最后我們看到一個基本結(jié)論是，對于較低頻率的諧振模態(tài)，在線路末端的DG的參與因子最大，反過來說它最容易受到激勵，產(chǎn)生諧振。對于較高頻率的諧振模態(tài)來看，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規(guī)律性的東西。
我們也會考慮它的諧振的抑制，我們也做了相關(guān)的工作，對于高頻的可以考慮增加聯(lián)絡(luò)線阻尼的方法，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一下我們怎么對這些諧波電流進(jìn)行控制。
我們剛才看到的現(xiàn)象包括諧波電流、諧振、無功等等。我們的基本思路是分兩個方面來看，一個方面是集中式的，無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)是大家相對能接受的概念，所以我們基本上從這兩個角度來考慮它的解決方案，一個是集中式的方案，一個是分布式方案。
集中式方案，我們做了一個新型的裝置，就是9開關(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，我們在PE點(diǎn)還有一個變壓器，我就接在PE點(diǎn)的前端，這樣做的好處在于什么呢？我利用這個裝置既可以對高壓側(cè)的諧波問題進(jìn)行補(bǔ)償，也可以對低壓側(cè)的諧波問題進(jìn)行補(bǔ)償，并且從右邊的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，它既有有源的方式，還有無源的方式，在這種方式下就不用考慮我們的諧波通過變壓器的流動，我們做了這么一個新型的裝置，既可以對諧波，也可以對無功，還可以對三相不平衡的矯正。
對于九關(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個開關(guān)的控制和持續(xù)關(guān)系。我們提出一個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，可以看到前后對它的THD值都有比較明顯的改變，后來我們又做了一些樣機(jī)的試驗，我們可以看到無論是高壓側(cè)還是低壓側(cè)，THD值都有非常大的改觀，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，比如說它沒有慣性，沒有阻尼，并且基波的控制是一個PQ控制，無法響應(yīng)電網(wǎng)頻率、電壓的變化，虛擬同步機(jī)是一個很好的解決方案，現(xiàn)在已經(jīng)有些應(yīng)用，我們考慮無論是儲能虛擬同步機(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)量的檢測以及復(fù)合控制。
我們做了實驗室樣機(jī)，在不同的工況下測試它的無功補(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)來工作。分布式方案用虛擬同步機(jī)來做看起來是更有價值的。
最后有一個簡單的結(jié)語，其實也就是剛才我們想的方案，電能質(zhì)量問題在微網(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，在微網(wǎng)和主網(wǎng)之間有一個電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置，無論你是用什么方式來做的，不一定是我們提到的九開關(guān)管的方式。另外一種就是希望通過逆變器來做它的電能質(zhì)量的控制。
謝謝各位！
（本文根據(jù)現(xiàn)場錄音整理，未經(jīng)本人審核）
