新能源并網(wǎng)輸電電纜諧波諧振分析及抑制方法

聶 程, 王 躍, 雷萬鈞, 陳明鋒, 王華佳

(1. 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)), 陜西省西安市 710049;2. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 山東省濟(jì)南市 250002)

新能源并網(wǎng)輸電電纜諧波諧振分析及抑制方法

聶 程1, 王 躍1, 雷萬鈞1, 陳明鋒1, 王華佳2

(1. 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西安交通大學(xué)), 陜西省西安市 710049;2. 國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 山東省濟(jì)南市 250002)

光伏發(fā)電或風(fēng)力發(fā)電的選址距配電網(wǎng)一般較遠(yuǎn),往往需要通過電纜進(jìn)行連接。由于電纜的寄生電容較大,使得配電網(wǎng)中的諧波電壓在長電纜中出現(xiàn)諧波諧振的問題。在電纜線路終端加入電阻可以有效阻尼電纜上的諧波諧振,且最優(yōu)的電阻值為電纜的特征阻抗。利用分布式能源并網(wǎng)逆變器,在輸出基波有功能量的同時(shí),通過有源諧波電阻的控制策略在連續(xù)的諧波頻率上模擬純電阻的特性,可以實(shí)現(xiàn)阻尼寬頻域諧波諧振的功能。文中首先建立了電纜線路的分布參數(shù)模型,并且分析了由于新能源并網(wǎng)接入點(diǎn)電壓諧波而引起的電纜線路諧波諧振問題。然后,基于有源諧波電阻的思想,提出一種新的諧波電流指令生成方法,可以實(shí)現(xiàn)新能源并網(wǎng)逆變器在連續(xù)的諧波頻率上呈現(xiàn)純電阻特性。最后,利用仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性及所提出諧波電流控制方式的有效性。

諧波諧振; 有源諧波電阻; 諧波電流指令;分布式能源并網(wǎng); 輸電電纜

0 引言

隨著能源枯竭及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重,國內(nèi)外開始大力開展分布式新能源發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)研究工作。自然界中風(fēng)能和太陽能的儲量非常巨大,所以風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電受到越來越多的重視[1-2]。

海上風(fēng)力發(fā)電對環(huán)境的影響較小,并且風(fēng)力較為穩(wěn)定、發(fā)電量大[3-4]。通過工頻交流方式輸電,結(jié)構(gòu)簡單,成本低[5]。太陽能儲量巨大,但是由于輻射能量密度較低,因此大規(guī)模光伏電站需要占用的土地面積很大[6-8]。從以上情況可以看出,新能源發(fā)電一般需要經(jīng)過長距離輸電接入電網(wǎng)。采用電纜可以保證輸電的可靠性[9]。但是電纜線路較大的寄生電容會引起諧波諧振問題,導(dǎo)致線路上諧波分布不均勻,引起電纜線路壽命及老化的差異,甚至?xí)＜熬€路的安全。

目前已經(jīng)有文獻(xiàn)針對輸電線路中較低頻率上的諧波諧振及抑制方法進(jìn)行了研究。阻性有源濾波器(resistive active power filter,RAPF)在若干離散頻率點(diǎn)上模擬電阻特性,能夠抑制諧波諧振。在射線型多節(jié)點(diǎn)饋電線末端接入RAPF[10],在一定的場合下有效阻尼了諧振[11]。不恰當(dāng)?shù)淖枘犭娮枞≈禃?dǎo)致諧波放大[12]。為了完善諧波抑制效果,需要合理地選擇阻尼電阻取值[13-14]、安裝位置[15]和協(xié)調(diào)控制[16-17]。但是電纜線路長度變化以及系統(tǒng)諧波成分變化會導(dǎo)致諧波諧振頻率的改變,影響RAPF的阻尼效果。

隨著電力電子變流技術(shù)的大量使用,電網(wǎng)中的諧波逐漸呈現(xiàn)出寬頻域的特征[18]。通過建立長距離傳輸系統(tǒng)中輸電線路及變壓器的詳細(xì)模型[19],指出長距離的輸電系統(tǒng)中諧波諧振發(fā)生在較高頻率上。并提出并聯(lián)混合型有源電力濾波器(HHAPF)抑制高頻諧波諧振。這種方式需要加設(shè)獨(dú)立的混合有源濾波裝置,并且需要對混合濾波器的多個參數(shù)進(jìn)行細(xì)致的設(shè)計(jì)。現(xiàn)有的研究只分析了線路首端和末端的諧振特性,對于線路中的諧波諧振問題缺乏進(jìn)一步的研究。

有源諧波電阻[20-21]在連續(xù)的諧波頻率上模擬電阻特性,有效抑制復(fù)雜的諧波諧振。但是傳統(tǒng)有源諧波電阻由于輸出濾波電感的影響,其電阻特性在頻率增加時(shí)出現(xiàn)較大的誤差,影響了諧波諧振的抑制效果。本文提出了一種新的諧波電流指令生成方法,確保了變流器在連續(xù)的寬頻域內(nèi)呈現(xiàn)純電阻的特性。首先,利用離散模型分析了電纜線路的諧波諧振情況,指出末端阻尼方式下最優(yōu)電阻的取值等于線路特征電阻值。然后,在傳統(tǒng)的有源諧波電阻電流控制環(huán)中加入微分環(huán)節(jié),以抵消輸出濾波電感對變流器阻抗特性的影響。最后,給出基于集中參數(shù)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證了理論分析的正確性及所提方法的有效性。

1 長電纜的諧波諧振問題

1.1 長電纜分布參數(shù)模型

電纜的模型一般有分布參數(shù)模型[22]和集中參數(shù)模型[23],其中分布參數(shù)模型多用于分析電纜線路中不同位置的電壓電流信息。

電纜線路的特征阻抗為:

(1)

式中:R和G分別為電纜的等效電阻和電導(dǎo)；L為每千米線路電感(取1.98 mH/km);C為每千米線路電容(取25 μF/km)。

傳播常數(shù)為:

(2)

當(dāng)電纜長度為l,在距離起點(diǎn)x處的電壓駐波U(x)如下:

(3)

式中：UPCC(h)為接入點(diǎn)諧波電壓。

取電纜長度l為9 km。為簡化分析,忽略電纜的等效電阻R和電導(dǎo)G,有

(4)

此時(shí)式(3)可以變換為:

(5)

由式(5)可知,當(dāng)分母為零時(shí)線路上的諧波電壓出現(xiàn)極大的情況;當(dāng)分子為零時(shí)線路諧波電壓為零。

1.2 電纜長度和諧波諧振的關(guān)系

不同諧波頻率所對應(yīng)的諧波波長是不同的,其表達(dá)式如下:

(6)

根據(jù)式(6)可知傳播常數(shù)和波長之間的關(guān)系如式(7)所示:

(7)

將式(7)代入式(5)可知,當(dāng)電纜長度l與諧波波長λ之間滿足l=nλ/4,且n為奇數(shù)時(shí),配電網(wǎng)中該次諧波的放大現(xiàn)象最為嚴(yán)重;當(dāng)n為偶數(shù)時(shí),配電網(wǎng)中該次諧波不發(fā)生放大現(xiàn)象。

配電網(wǎng)的諧波主要集中在低次,其主要特征諧波的波長為:λ5=17.98 km,λ7=12.84 km,λ11=8.17 km,λ13=6.91 km。定義諧波傳遞因數(shù)M,表達(dá)式如下:

(8)

由式(8)可知諧波傳遞因數(shù)表征線路上不同位置的諧波電壓放大倍數(shù)。圖1所示為不同頻率下電纜上各點(diǎn)對應(yīng)的諧波傳遞因數(shù)M的取值。

圖1 不同點(diǎn)上各次諧波的諧波傳遞因數(shù)Fig.1 Propagation factor of each harmonic at different points

從圖1可以看到,配電網(wǎng)中諧波傳遞因數(shù)隨著距離接入點(diǎn)遠(yuǎn)近的不同呈現(xiàn)正弦的變化。對于5次諧波分量,電纜線路上各點(diǎn)的諧波電壓并沒有出現(xiàn)放大,其M值始終小于1;對于7次諧波分量,電纜線路上的諧波電壓會出現(xiàn)嚴(yán)重的放大,且在距離接入點(diǎn)λ7/4和3λ7/4處,諧波電壓的放大出現(xiàn)極大值情況。對于11次和13次諧波分量,電纜線路上的諧波電壓均存在一定的放大現(xiàn)象。

1.3 電纜長度和諧波諧振的關(guān)系

現(xiàn)有研究表明在線路末端加裝電阻可以有效阻尼電纜線路中的諧波諧振問題,加入電阻后x點(diǎn)處的電壓駐波U(x)如下:

U(x)=

(9)

式中:Kv為阻尼電阻的導(dǎo)納值,該值對電纜線路中的諧波諧振抑制效果有很大的相關(guān)性。

附錄A圖A1為不同阻尼電阻阻值下對應(yīng)的電纜線路中5次和7次諧波的傳遞因數(shù)。對于5次諧波,較小的阻尼電阻會導(dǎo)致線路諧振,阻尼電阻越大，抑制效果越好;對于7次諧波,阻尼電阻越小，抑制效果越好。當(dāng)阻尼電阻阻值等于電纜的特征電阻時(shí),可以保證電纜中各次諧波電壓不被放大。因此,對于寬頻域的諧波諧振,最優(yōu)阻尼電阻值為電纜特征電阻值。

2 有源電阻控制下線路諧波諧振抑制

有源諧波電阻控制方式下,分布式發(fā)電并網(wǎng)逆變器被控制為電流源,在基波頻率上輸出功率,在諧波頻率上呈現(xiàn)電阻特性。阻尼諧波諧振的同時(shí)可以避免有功能量的損耗。

2.1 有源諧波電阻控制方法

(10)

式中:RH為等效的諧波電阻值。

變流器的電流控制采用比例控制器方式,系數(shù)為Kp。并且前饋了端口電壓用于消除交流側(cè)電壓對電流環(huán)的擾動。諧波成分關(guān)系滿足以下公式:

(11)

(12)

聯(lián)立式(10)—式(12),可得變流器交流端口諧波阻抗特性,如式(13)所示:

(13)

由式(13)可以看到,變流器的交流端口因?yàn)檩敵鰹V波電感的影響,呈現(xiàn)阻感負(fù)載的特性?？紤]到變流器輸出濾波電感取值較小,因此可近似認(rèn)為變流器交流端口在低頻段接近電阻特性。

2.2 改進(jìn)的有源諧波電阻諧波電流指令生成方法

由式(13)的變流器閉環(huán)諧波阻抗特性可以看到,變流器交流端口阻抗特性近似于電阻。但是由于輸出濾波電感的影響,當(dāng)頻率增加時(shí)阻抗特性和電阻特性差異變大。為了保證在較寬的諧波頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)純電阻的特性,本文提出一種新的變流器諧波電流指令生成方法,如式(14)所示:

(14)

改進(jìn)后諧波電流指令實(shí)際是等于在原有的基礎(chǔ)上增加了一個微分環(huán)節(jié),以此抵消輸出濾波電感的影響。微分環(huán)節(jié)的系數(shù)和輸出濾波電感值、比例控制系數(shù)和等效電阻值有關(guān)。改進(jìn)后的變流器交流端口諧波阻抗特性如式(15)所示:

(15)

式(15)表明,改進(jìn)后的變流器交流端口諧波阻抗和輸出濾波電感L1無關(guān),且呈現(xiàn)純電阻的特性,諧波電阻阻值為RH。取RH=9 Ω,L1=3.5 mH,Kp=50時(shí),變流器的等效諧波阻抗如圖2所示。在1 kHz頻率內(nèi),基于改進(jìn)后的諧波電流指令生成方法,變流器交流端口阻抗特性可以完全等效為純電阻。

除了在身體上滿足使用者的需求，設(shè)計(jì)師在心理領(lǐng)域上，也要達(dá)到全方位和多層次的滿足，比如產(chǎn)品的材料就體現(xiàn)了消費(fèi)者的心理追求。在傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師對原材料的重視程度不夠，許多設(shè)計(jì)師往往會忽視了材料的設(shè)計(jì)和選擇。工業(yè)化促進(jìn)社會進(jìn)步，使得紡織業(yè)、建造業(yè)得到了快速發(fā)展的同時(shí)，也造成嚴(yán)重污染和環(huán)境破壞?，F(xiàn)如今我們要以可持續(xù)發(fā)展為理念，注重對環(huán)境的保護(hù)，對于老人小孩而言，在衣物材料的選擇上就要以舒適、透氣為主，盡量選擇綿綢、絲綢等材料，更好地體現(xiàn)以人為本的概念。

圖2 變流器等效阻抗Fig.2 Equivalent impedance of converter

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

仿真和實(shí)驗(yàn)均是基于電纜的集中參數(shù)模型。其中仿真是基于PSIM軟件,實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行。仿真及實(shí)驗(yàn)電路見附錄A圖A2和圖A3。

3.1 仿真驗(yàn)證

仿真分析中電纜線路采用集中參數(shù)模型,包含9個節(jié)點(diǎn),每個節(jié)點(diǎn)之間的距離為1 km。電網(wǎng)電壓中含有工頻分量VS(220 V/50 Hz)和諧波分量VPCC(h),其中h表示諧波次數(shù)(h=5,7,11,13),各次諧波電壓均為2.1 V。并網(wǎng)逆變器輸出濾波電感值為3.5 mH。采樣頻率和開關(guān)頻率均為20 kHz。

無阻尼和阻尼控制下,不同諧波頻率下各電纜節(jié)點(diǎn)上的諧波傳遞因數(shù)如圖3所示,電壓波形見附錄A圖A4。

圖3 諧波傳遞因數(shù)曲線Fig.3 Propagation factor curves of harmonics

圖3(a)中,無阻尼下節(jié)點(diǎn)電壓中含有明顯的諧波。因?yàn)殡娎|長度是7次諧波的約3/4,所以電纜中7次諧波諧振問題最嚴(yán)重。電纜中7次諧波電壓的傳遞因數(shù)呈現(xiàn)正弦的分布規(guī)律,極大值點(diǎn)發(fā)生在距離接入點(diǎn)1/4波長(節(jié)點(diǎn)3)和3/4波長(節(jié)點(diǎn)9)處,極小值點(diǎn)發(fā)生在距離接入點(diǎn)1/2波長(節(jié)點(diǎn)6)處。圖3(b)中,加入阻尼控制后,電纜線路上的諧波電壓放大得到了很好的抑制。

改進(jìn)電流指令生成方法可以抑制變流器輸出濾波電感對阻抗特性的影響。傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法對應(yīng)的諧波傳遞因數(shù)對比曲線如圖4所示。

圖4 不同控制方法下諧波傳遞因數(shù)對比Fig.4 Propagation factor comparision of harmonics between different control methods

兩種控制方法仿真數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見附錄A表A1。根據(jù)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出,改進(jìn)方法控制下,線路各節(jié)點(diǎn)諧波傳遞因數(shù)最大值更小,并且改進(jìn)方法的節(jié)點(diǎn)諧波傳遞因數(shù)的平均值和均方差均小于傳統(tǒng)方法。

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

阻尼控制下,傳統(tǒng)方法和改進(jìn)方法下各諧波成分的快速傅里葉變換數(shù)據(jù)如表1所示。

無阻尼情況下節(jié)點(diǎn)1,2,3電壓的總諧波畸變率(THD)分別為6.5%,11.1%,14.3%。加入阻尼控制后各節(jié)點(diǎn)電壓的諧波含量明顯下降。其中傳統(tǒng)阻尼控制下的節(jié)點(diǎn)1,2,3電壓THD分別為2.5%,2.4%,2.2%;改進(jìn)控制方法下節(jié)點(diǎn)1,2,3電壓THD分別為2.3%,2.1%,2.0%。根據(jù)表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到,本文提出的改進(jìn)方法所對應(yīng)的各節(jié)點(diǎn)電壓THD均小于傳統(tǒng)方法。且由此可見,阻尼控制能夠有效抑制系統(tǒng)諧波諧振,且改進(jìn)后的控制方法具有更好的諧振抑制效果。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Experimental results

4 結(jié)語

分布式能源并網(wǎng)通過長距離電纜連接配電網(wǎng)時(shí),配電網(wǎng)中的電壓諧波會導(dǎo)致電纜中復(fù)雜的諧波諧振問題。在電纜線路的終端設(shè)置阻尼電阻抑制諧波諧振時(shí),當(dāng)諧波諧振頻率分布在較寬的范圍內(nèi)時(shí),最優(yōu)的阻值等于電纜的特征電阻值。本文提出的改進(jìn)諧波電流指令生成控制方法,可以確保分布式能源并網(wǎng)逆變器交流側(cè)在連續(xù)的諧波頻率上呈現(xiàn)純電阻的阻抗特性,從而保證對寬頻域上諧波諧振的抑制效果。

本文所提出的控制方法,在確定變流器輸出濾波電感參數(shù)的情況下可以增強(qiáng)有源電阻控制效果。但是當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)一定差異的時(shí)候,如何實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確控制還需要進(jìn)一步的研究。不同容量的有源阻抗并聯(lián)控制策略也是未來進(jìn)一步研究的方向。

附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。

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Harmonic Resonance Analysis and Suppression Method for Transmission Cables Between Renewable Energy Sources and Power Grid

NIECheng1,WANGYue1,LEIWanjun1,CHENMingfeng1,WANGHuajia2

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, China;2. Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Company, Jinan 250002, China)

As the siting of photovoltaic or wind power is generally far from the traditional power distribution network, long transmission cables are often needed to transport electric energy. But the cable parasitic capacitance is big, the harmonic voltage in the power distribution network is apt to propagate along the transmission cable. Incorporating a resistor in the cable line terminal can effectively damp harmonic resonance, and the most optimal resistance value is equal to the characteristic impedance of the cable. Except for the fundamental power output, the grid-connected inverter of distributed generator can also be controlled as the pure resistor in continuous harmonic frequency to damp the harmonic resonance in a wide frequency domain. This paper develops the distribution parameter model of transmission cable, and analyzes the cable harmonic resonance caused by the voltage harmonics at the access point of renewable energy. Based on the active harmonic resistor, a new generation method of harmonic current reference is proposed. With the new strategy, the grid-connected inverter can serve as a pure resistor in a continuous harmonic frequency. Finally, the correctness of the theoretical analysis and the effectiveness of the proposed harmonic current control method are verified by simulation and experiment.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51207126) and Program for New Century Excellent Talents in Universities (No. NCET-12-0450).

harmonic resonance; active harmonic resistor; harmonic current reference; distributed energy grid-connection; transmission cable

2016-12-09;

2017-03-31。

上網(wǎng)日期: 2017-06-12。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51207126); 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(NCET-12-0450)。

聶 程(1985—),男,博士研究生,主要研究方向:電能質(zhì)量控制、新能源及微網(wǎng)、變流器并聯(lián)技術(shù)、無線充電技術(shù)和雙向全橋直流變換器。E-mail：nie-cheng@163.com

王 躍(1971—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向:電能質(zhì)量控制、新能源及微網(wǎng)、變流器并聯(lián)技術(shù)、無線充電技術(shù)、雙向全橋直流變換器、鏈?zhǔn)届o止無功補(bǔ)償器和柔性直流輸電技術(shù)。E-mail: davidwangyue@mail.xjtu.edu.cn

雷萬鈞(1978—),男,通信作者,博士,講師,主要研究方向:電能質(zhì)量控制、新能源及微網(wǎng)。E-mail: leiwanjun@xjtu.edu.cn

(編輯 蔡靜雯)