实现有源配电网超高次谐波的准确分析

摘  要：

如今配电网的电力电子化趋势日益明显，因此超高次谐波对配电网各种元件的影响引起了人们的重视，而超高次谐波产生的根源在于谐波源中的电力电子器件采用了脉宽调制技术。鉴于此，从拓扑结构、调制方式、控制策略出发，建立了能反映实际工作负荷超高次谐波特性的谐波源模型，并以此为基础建立了超高次谐波有源配电网仿真模型。

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 引言

随着配电网的电力电子化程度越来越高，超高次谐波的发射特性以及传递特性逐渐引起了人们的关注。因为超高次谐波产生的根源，在于谐波源中电力电子装置采用了脉宽调制技术。脉宽调制信号的产生涉及电力电子装置控制系统[2-3]，所以超高次谐波源的时域模型搭建需要关注其内部电力电子装置的控制系统和脉宽信号生成电路。

实际电网中，超高次谐波发生源众多，每种超高次谐波源都可能有自己独特的控制方式，例如电动汽车充电机等超高次谐波源的控制方式和脉宽调制信号产生方式都不同[4]。对于同一种典型超高次谐波源，也存在不同的控制方式和脉宽调制方式，例如一部分光伏逆变器采用电压外环、电流内环的双闭环控制，一部分光伏逆变器则采用功率外环、电流内环的控制方式[5]。而对于脉宽调制信号生成电路，则主要有正弦脉宽调制（SPWM）和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。

因此，要实现有源配电网超高次谐波的准确分析，首先就需要建立能反映实际工作负荷超高次谐波特性的各种典型谐波源模型。

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时域仿真建模方法

1.1  建立单个模型

以CRH1型动车为例，确定其超高次谐波源发生装置拓扑图后，建立仿真电路主电路，如图1所示。

控制系统的建立需要用到多种模块，其中重要模块的原理和功能如下：

单相锁相环：利用信号过零检测原理，实时测量输入信号的频率和角度，实现另一信号频率和角度的实时调制。一般在电力系统中，锁相环输入为电压，而另一信号为电流，利用锁相环，可以动态调整电流频率和相角，实现电流对电压的实时跟踪。

延时模块：控制系统的输入来自于对主电路的测量值，实际系统中信号的测量传输再到控制系统的处理是需要一定时间的，而仿真电路中不存在该问题，所以在控制电路中加入一个延时模块来模拟实现系统的延时特性。

建立的控制系统仿真图如图2所示。

CRH1型动车都采用正弦脉宽调制（PWM），单相脉宽调制电路结构较为简单，仿真模型如图3所示。
 

其中Triangle模块是载波发生器，可以设置不同频率，而载波的频率则会决定动车变流器产生的超高次谐波频率。

建立单个电动汽车充电机时域仿真模型的方法与动车模型的建立较为相似，需要依次建立主电路、控制电路、脉宽调制电路和完整电路分析模型。在模型搭建并完成测试后，将其进行封装，作为模块备用。

1.2  建立组合模型

对于动车来说，将单个模型组合起来，需要完成各系统间的衔接，并在仿真系统相应节点增加测量装置和显示模块。

而对于电动汽车，单个的电动汽车充电机组不会直接接入电网，需要按照常规电动汽车充电站的充电机配置台数以及连接方式建立电动汽车充电站时域仿真模型，不同区域的电动汽车充电站能提供的最大功率不同，站内装置的连接方式也有区别，但工作原理都较为一致，一般可选用功率适中且实际较为常用的电动汽车充电站来进行建模研究。电动汽车充电站内装置连接示意图如图4所示。
 

图4中每个充电桩包含两台充电机，单台变压器容量为0.5 MVA。

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仿真分析方法

2.1  拓扑简化法

时域仿真时，随着网络的增大，程序运行时间将大量增加，因此建模时应合理简化装置拓扑。超高次谐波源建模采用简化分析法，将超高次谐波源装置内与谐波特性无关的元件作等效处理。例如，CRH1型动车逆变电路与整流电路间有直流稳压电路，所以逆变电路不影响网侧谐波含量，将其等效为一个电阻性负载。简化前后的动车变流器如图5所示。
 

2.2  元件等效法

进行时域建模时，仿真软件可能不存在所需模块，这时需要进行模型开发。例如，电动汽车功率变换电路和电动汽车蓄电池用非线性时变电阻Rc来等效，但仿真软件无时变电阻模块，此时可根据实际电阻曲线（图6）建立等效时变电阻模型（图7）。
 

2.3  蒙特卡洛法

对于电动汽车充电站，其内部的电动汽车充电桩工作状态不确定，受多种因素影响。为了更准确地对电动汽车充电站的谐波发射特性进行研究，需模拟站内电动汽车充电桩的启停状态。通过对电动汽车充电站各时段内充电桩工作状态的统计，可以得到各时段内电动汽车充电桩工作台数的概率密度函数，因此可以利用蒙特卡洛法仿真模拟各电动汽车充电桩的开关状态。例如，将Matlab中生成蒙特卡洛信号的m文件作为仿真模型准备程序，生成的开关信号将直接作用在开关控制器上，控制开关状态。图8是开关元件，图9为利用蒙特卡洛法生成的开关信号。
 

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仿真模型搭建

CRH1型动车完整模型搭建如图10所示。

注：整流器开关频率f=450 Hz，直流电压Ud=1 650 V，直流支撑电容Cd=14 mF，变压器一次侧电压U1N=27.5 kV，二次侧电压U2N=900 V，牵引负荷P=5 500 kW，滤波电感L2=0.359 mH，滤波电容C2=7.06 mF，网侧电感L1=2 mH。

电动汽车充电机完整模型搭建如图11所示。
 

图中开关频率f=5 050 Hz，网侧电感L=5 mH，直流电容C=3 mF，额定功率P=10 kW。

按照IEEE拓扑图搭建超高次谐波有源配电网仿真模型，结果如图12所示。
 

注：1代表小型发电机，发电机所发功率注入35 kV电网；2代表超高次谐波源，其中光伏发电站与网络中的发电机共同为配电网供电；3代表配电网中一般性负荷，按照IEEE 14节点参数进行各负荷节点的功率配置；4为超高次谐波变压器，整个配电网线路中共计有3台变比为35/10.5 kV的变压器；5表示该处的线路的分布式参数模型。

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结语

本文提出了一种能够反映实际工作负荷超高次谐波特性的各种典型谐波源的时域模型建模方法，建立了考虑拓扑结构、调制方式、控制策略的超高次谐波源模型，并利用蒙特卡洛法模拟电力电子化配电网中超高次谐波源的运行工况和配电网运行方式，建立了超高次谐波有源配电网的仿真模型。

审核编辑：刘清