中國儲能網訊：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余位政府機構、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。
東南大學電氣工程學院副院長吳在軍在“微電網+售電專場”，發(fā)表了題為“微電網的電能質量問題”的精彩演講。
演講內容如下：
吳在軍：很高興有機會來跟各位分享我們在微電網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于微電網關鍵技術研究進展，我給大家報告的是我們對一個具體問題當前做的一些工作，當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工程向前更進一步。
今天我報告的題目是“微電網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語。
微電網從十年前有了概念，到當前這個不太火熱的現(xiàn)狀，我們可以看未來的電網形態(tài)是什么樣的，當前社會發(fā)展的壓力，一個是能源，一個是環(huán)境，傳統(tǒng)的電能生產方式是利用規(guī)模化生產，通過特高壓電網輸送，然后到負荷中心去分配使用，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，大家都基本上達成一個共識，未來的電網一定是集中式和分布式相結合的形態(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)的電網結合起來是有可能達到一個更高可靠性的，目前在這個時間點上來討論這個問題，大家基本上已經有了共識。
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形態(tài)發(fā)展的方向。我們國家未來的電網是以主干電網為主，輔以局域的配網，再加上就地利用的微電網的形態(tài)，把跨區(qū)域、遠距離的輸電、區(qū)域內的集中發(fā)電、分布式發(fā)電這幾種形態(tài)都和電網的形態(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，美國未來的電網形態(tài)從骨干網到區(qū)域的互聯(lián)電網，到局部的配電網，再到微網，所以未來的電網形態(tài)一定是大規(guī)模的集中式電網和分布式的微電網并存的形態(tài)。
微電網的概念我想大家都很熟悉了，我覺得有兩個關鍵詞，第一，它是一個可控的對象，把分布式電源、負荷、儲能作為一個整體，和我們的主網連起來以后形成可控的單元，既可以在并網的模式下運行，也可以在離網的模式下運行，獲得更高的可控性。
回到它的驅動力來看，無非是經濟性、可靠性和環(huán)境友好性。從可靠性來看有很重要的指標，就在于它的電源質量問題。它的孤島運行模式，在主網發(fā)生故障的情況下，有一個局部的可供能的網絡，保證一些重要用戶的用電。它的應用場景，我認為有兩大類比較典型的應用，一類是對用電質量有特殊要求的園區(qū)，可以發(fā)展并網型的微電網的應用。還有一種類型，在一些邊遠地區(qū)解決有電用的問題。在國內外有一個很重要的應用，我們前面不太了解，就是在軍方的應用，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，專門提到邊遠地區(qū)微電網的應用，無論是并網型的應用，還是離網型的應用，電能質量是一個非常重要的指標。
從微電網電能質量問題的起因來看，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、風電，這是環(huán)境條件約束的線性的電源，有風的時候可以多發(fā)，沒有風的時候就沒有辦法發(fā)了。還有一類是新的元素集成進去，最典型的是電動汽車，它的充放電的隨機性，包括用戶負荷的隨機性，這些都是電能質量問題的起因之一。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來看，包括我們儲能的PCS，包括現(xiàn)在的一些新型的負荷類型，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點主網快速的無縫切換，可能會配備一些新型的電力電子固態(tài)開關，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載，還有一些不平衡的負荷，電能質量問題的現(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量的現(xiàn)象。
它的具體的機理是什么？這是我們更關心的問題，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，他們內在的機理是什么，這是我們下面的話題想探討的內容。
因為剛才講到電能質量問題牽扯到好幾個方面，今天因為時間關系，我主要跟大家討論關于諧波的問題。這里面討論三個方面的問題，一是分布式電源，包括儲能并網的變流器，它本身所產生的諧波的特性。第二個是大量負載的使用本身也是非線性的，當變流器和非線性負載之間耦合的諧波性。第三個是關于它的諧波的諧振問題。
第一個我們看看DG并網逆變器諧波輸出特性，右邊這個圖是我們最常規(guī)采用的，在同步坐標系下解耦控制電流內環(huán)的控制器，常規(guī)我們會用到空間矢量調制和正弦脈寬調制。分布式電源并網變流器的非線性，它會導致一個混沌的現(xiàn)象，造成了分杈，DG并網變流器的非線性，導致產生頻譜范圍很寬的諧波電流。
調制策略導致的GD并網變流器的非線性，我們做了一個雙重傅里葉變換，它對應的是四項，第一項是直流偏置，第二部分是基和基帶諧波，對應調制波附近的低次諧波分量。第三部分是為載波諧波，對應的是載波整體倍的高頻諧波分量，第四是邊帶諧波，對應調制波與載波混合作用的結果。GD并網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。
再看在不同的調制的前提下，如果是沒有發(fā)生過調制的時候，低頻段的分量和它的調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)生過調制以后，在逆變器的收縮端，它就會產生新的基帶第一次的諧波，并且這個諧波和我們的調制度是相關的，調制度越高，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制策略下，SPWM是不太容易發(fā)生低頻分杈的，但是SVPWM調制相對容易發(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，當一旦發(fā)生高頻分杈以后，本來我們說的高次諧波和開關頻率相關，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頻率的特性上，它已經向兩側轉移，這對出口濾波器的設計業(yè)帶來很大的挑戰(zhàn)，通常我們以開關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制策略離散化過程當中所帶來的另外一個非線性問題。
第二個問題，當我們有那么多非線性負載，最典型的一類是整流型負載接入以后，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載的開關函數(shù)模型，我們以不可控整流橋的模型來看，還是利用調制的概念，建立它的開關函數(shù)模型，并且用時域的方法獲得它的開關的角度，最后可以得出關于三相不控整流基于開關嫻熟模型的隱式函數(shù)模型，用來求我們這個非線性負載的模型，當然這個求解是比較復雜的過程，我們找到一個比較合適的方法，是JFNK改進的算法，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，在離網的模式下運行，當這個非線性負載和GD并網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的電壓的基波分量保持不變，諧波分量減小。對負載這一邊，我們看到諧波分量是有變大的。如果讓DG變網逆變器工作模式下，我們看到的現(xiàn)象和電壓源又不一樣，隨著網側電氣距離增大，逆變器側和負載側電壓諧波增大，隨著GD側電氣距離增大，負載側電壓沒有太大變化。當負載側電器性質距離變大以后，逆變器側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，我們也做了相關的工作，對于高頻的可以考慮增加聯(lián)絡線阻尼的方法，在低頻的可以考慮末端并聯(lián)有源阻尼的方法進行抑制。這是我們看到的一些最基本的機理和現(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量控制裝置或者調節(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開關板的電能質量控制裝置，它是接在我們主網和微網的PC點上，我們在PE點還有一個變壓器，我就接在PE點的前端，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的諧波問題進行補償，也可以對低壓側的諧波問題進行補償，并且從右邊的拓撲結構來看，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。
對于九關管，我們背靠背的這種結構，它省了三只管子，但是它的調控的控制變得復雜得多，要包括這9個開關的控制和持續(xù)關系。我們提出一個基于靈牌指令的不連續(xù)調制算法，我們做了一些仿真的分析，高壓側10千伏、低壓側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的試驗，我們可以看到無論是高壓側還是低壓側，THD值都有非常大的改觀，上端口是在高壓側，下端是400伏這一側，是1.5%的THD。這是關于集中式方案。
分布式方案方面，我們的多功能變流器已經有些應用，但是在微網當中也有一些需要改進的地方，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，無法響應電網頻率、電壓的變化，虛擬同步機是一個很好的解決方案，現(xiàn)在已經有些應用，我們考慮無論是儲能虛擬同步機，還是和風電配合的分布式虛擬同步機，我都把電能質量控制的部分加進去，現(xiàn)在做到的是VSG、諧波補償、無功補償和不平衡電流補償復合到一起，給出這么一個拓撲結構。
這是模擬了我們的同步機的特性，包括虛擬的阻抗、阻尼，包括電能質量的檢測以及復合控制。
我們做了實驗室樣機，在不同的工況下測試它的無功補償特性、諧波特性、不平衡電流補償特性，我們可以看到都能非常好的響應電能質量的需求，包括響應電能頻率的變化，以及響應電壓的變化，它都可以按照我們所期望的目標來工作。分布式方案用虛擬同步機來做看起來是更有價值的。
最后有一個簡單的結語，其實也就是剛才我們想的方案，電能質量問題在微網當中還是很突出的，為了更好地將電網和微網本身的噪聲隔離，我們建議如果有可能的話，在微網和主網之間有一個電能質量調節(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管的方式。另外一種就是希望通過逆變器來做它的電能質量的控制。
謝謝各位！
（本文根據現(xiàn)場錄音整理，未經本人審核）
