發(fā)布時(shí)間：2016-06-24 22:08

1  緒論 

1.1  課題的研究背景及意義 
在當(dāng)今世界，電能在人們的生活中有著舉足輕重的地位，它不僅影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，更是推進(jìn)科技進(jìn)步、促進(jìn)社會(huì)發(fā)展的必要條件。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用電能的設(shè)備越來越多，電能將逐步地替代石油、煤炭等一次能源，形成全球能源向電能轉(zhuǎn)型的新格局。另外，人們?nèi)粘Ｉ钪袑﹄娔芤蕾囆砸苍絹碓綇?qiáng)，使得世界范圍內(nèi)對電力的需求在不斷增加，為增大電網(wǎng)容量滿足電力需求，電網(wǎng)規(guī)模也在不斷擴(kuò)大。然而大規(guī)模的電力系統(tǒng)也存在著成本高，，運(yùn)行、檢修、維護(hù)難度增大，難以適應(yīng)用戶多樣化的供電需求等弊端[1]。近年來世界各地陸續(xù)發(fā)生了多起大規(guī)模停電事故，如 2003 年的美加大停電，2006 年的歐洲電網(wǎng)事故，2012 年的印度停電事故等[2-5]，更加凸顯了大電網(wǎng)難以適應(yīng)用戶越來越高的安全和可靠性要求，而且事故容易通過互聯(lián)的電網(wǎng)，引起連鎖反應(yīng)導(dǎo)致大面積的停電[6]，給國家以及社會(huì)造成重大的難以估計(jì)的損失。 另一方面，進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，世界范圍內(nèi)能源供應(yīng)持續(xù)緊張，能源安全問題也逐漸受到政府以及學(xué)術(shù)界的高度關(guān)注[7]，而且以燃燒煤、石油等化石原料的火力發(fā)電所帶來的環(huán)境問題也愈加嚴(yán)重，例如：全球的氣候變暖以及我國最近幾年出現(xiàn)的霧霾天氣，如今電力行業(yè)已經(jīng)成為重污染行業(yè)之首[8]。開發(fā)利用清潔能源和可再生能源（太陽能、風(fēng)能、生物能等）是解決目前問題的最有效的手段，利用清潔能源發(fā)電的發(fā)展?jié)摿薮螅鋵⒊蔀槭澜绲闹饕茉�，因此也成為了目前電力發(fā)展與研究的重要方向。隨著近些年的技術(shù)突破，分布式發(fā)電（distributed generation，DG）技術(shù)日趨成熟，然而分布式發(fā)電仍有著自身的不足之處，如 DG 發(fā)電單元中光照與風(fēng)速均不可控，且單機(jī)并入電網(wǎng)成本較高，另外對 DG 單元的控制更為復(fù)雜等。為更好的發(fā)揮 DG 節(jié)能、環(huán)保、可再生的優(yōu)點(diǎn)避免 DG 單元的負(fù)面影響，以及提高大電網(wǎng)的供電可靠性與自愈能力，最好的辦法是將分布式電源和與之對應(yīng)的負(fù)荷看成一個(gè)小的發(fā)電系統(tǒng)即是——微電網(wǎng)[9]。 微電網(wǎng)的概念最早是由美國在 2002 年的電力技術(shù)可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）上正式提出的  [10,11]，在其發(fā)展過程中各國也結(jié)合本國國情加入了各自的特點(diǎn)來豐富微電網(wǎng)的概念[12]，微電網(wǎng)是具有發(fā)電、送電、用電一體化的小型系統(tǒng)，它與傳統(tǒng)電網(wǎng)的不同是電源為分布式發(fā)電，且有儲(chǔ)能系統(tǒng)起后備以及調(diào)節(jié)的作用[13-17]。國外對微電網(wǎng)的研究相對國內(nèi)要早一些，技術(shù)水平也相對成熟，國內(nèi)對微電網(wǎng)也僅存在于示范工程，并沒有實(shí)際投入使用，然而要投入使用并與大電網(wǎng)相連，其微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量是否達(dá)到國家要求標(biāo)準(zhǔn)是一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)。 
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1.2  國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
微電網(wǎng)是相對于大電網(wǎng)來說的，但微電網(wǎng)并不等同于早期低電壓等級的大電網(wǎng)，微電網(wǎng)有其鮮明的特點(diǎn)，微電網(wǎng)是以分布式發(fā)電作為電源；并具有儲(chǔ)能系統(tǒng)作為調(diào)節(jié)；有兩種運(yùn)行模式：①與配電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，②孤島運(yùn)行。因此對微電網(wǎng)的電能質(zhì)量問題的研究也可以等效為對其兩種運(yùn)行模式分別分析[19,20]，即并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)由于配電網(wǎng)的運(yùn)行變化對微電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響；以及孤島運(yùn)行時(shí)由于微電源以及電力電子設(shè)備等對微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量的影響。在微電網(wǎng)由孤島運(yùn)行模式切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，由于并網(wǎng)運(yùn)行前微電網(wǎng)與大電網(wǎng)電壓幅值不同，因此需要通過儲(chǔ)能裝置調(diào)節(jié)穩(wěn)定微電網(wǎng)電壓，但是這個(gè)過程往往使微網(wǎng)電壓波動(dòng)超過 5%，從而影響微網(wǎng)電能質(zhì)量[21]，另一方面并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)配電網(wǎng)中的三相不平衡以及諧波都會(huì)從公共連接點(diǎn) PCC（Point of Common Coupling）滲透到微電網(wǎng)中從而影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量。在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行模式下，由于微電網(wǎng)自身容量相對較小，不能像大電網(wǎng)一樣看成是一個(gè)電壓與頻率保持不變的無窮大電源，因此其抗干擾能力也十分薄弱，更容易受到非線性負(fù)載以及電壓突變等外界因素的影響，從而影響微電網(wǎng)電壓、頻率、波形的穩(wěn)定性。 另一方面，由于分布式電源中的光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電受自然條件的影響較大，是不可控的[22,23]，具有隨機(jī)性、波動(dòng)性、間歇性等特點(diǎn)，也是影響微電網(wǎng)電能質(zhì)量的重要因素。因此對微電源的結(jié)構(gòu)以及發(fā)電原理分析也成為了微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題分析的研究熱點(diǎn)和重要方向[24-26]。電力電子技術(shù)的應(yīng)用使微電網(wǎng)的運(yùn)行十分靈活，而這也是微電網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因之一，逆變器作為微電網(wǎng)中的核心部件，也是目前的研究重點(diǎn)[27,28]。 
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2  微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)及其電能質(zhì)量問題分析 

微電網(wǎng)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展受到了世界各國的高度重視，微電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中的地位也顯得越來越重要。微電網(wǎng)的電能質(zhì)量是否達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)直接關(guān)系微電網(wǎng)能否投入使用。微電網(wǎng)有著發(fā)電多樣性、結(jié)構(gòu)特殊性等特點(diǎn)，使得微電網(wǎng)電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比也有著較多的不同之處。微電網(wǎng)存在兩種不同的運(yùn)行模式，因此其電能質(zhì)量問題既受微網(wǎng)內(nèi)部微電源、變流器、非線性負(fù)荷的影響，也會(huì)受到配電網(wǎng)負(fù)荷變化、運(yùn)行故障等其它因素的影響[38]。為保證微電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、有效地運(yùn)行，因此需要對微電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生原因進(jìn)行細(xì)致分析。本章將根據(jù)微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)，以及其自身特點(diǎn)來分析微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題，以便更好更有針對性地改善微電網(wǎng)供電質(zhì)量。 

2.1  微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu) 
微電網(wǎng)是由微電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷、監(jiān)控以及保護(hù)裝置組成的一個(gè)小的發(fā)電系統(tǒng)。目前國內(nèi)外微電網(wǎng)的發(fā)展已經(jīng)有了一定成果，微電網(wǎng)的基本結(jié)構(gòu)也趨于成熟，由于每個(gè)示范工程的不同，微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)也有一些細(xì)微的不同。本文所研究的是一種低壓微電網(wǎng)，具體結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示。根據(jù)圖 2.1，可以看出整個(gè)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)為放射式接線，由一條母線以及 A、B、C 三條饋線組成，并通過公共連接點(diǎn) PCC（Point of Common Coupling）與大電網(wǎng)相連，通過控制 PCC 處的微網(wǎng)絡(luò)主分離器的投切操作來實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)與孤島運(yùn)行模式平滑切換。當(dāng)微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)時(shí)，微電網(wǎng)電能通過 PCC 流入到主網(wǎng)當(dāng)中，因此 PCC 處流過的電能質(zhì)量必須達(dá)到國家要求指標(biāo)。     微電網(wǎng)負(fù)荷分為三種，即敏感負(fù)荷、可調(diào)節(jié)負(fù)荷、可中斷負(fù)荷，它們分別連接在饋線 A、C、B 上。這種分類方式與傳統(tǒng)電網(wǎng)中的一級負(fù)荷、二級負(fù)荷、三級負(fù)荷的分類方式相同。饋線 A 上所連接的為敏感負(fù)荷和熱負(fù)荷，采用光伏電池以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)為負(fù)荷提供電能，由于敏感負(fù)荷在電壓發(fā)生變化或者突然變動(dòng)將導(dǎo)致微電網(wǎng)中的負(fù)荷和設(shè)備不能工作或工作能力下降，因此微電網(wǎng)中應(yīng)首先滿足此類負(fù)荷需求。饋線 B 上未接有微電源，其連接的可中斷負(fù)荷直接由配電網(wǎng)送電，當(dāng)電網(wǎng)處于高峰狀態(tài)或緊急狀態(tài)時(shí)可以通過切斷此類負(fù)荷來緩解電網(wǎng)壓力維持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。饋線 C 上連接可調(diào)節(jié)負(fù)荷，通過燃?xì)廨啓C(jī)與燃料電池共同供電，必要時(shí)可對本類負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié)以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)功率平衡的需求。 在微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中還應(yīng)配置能量管理器、潮流控制器以及保護(hù)協(xié)調(diào)器。能量管理器為用于管理整個(gè)微電網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)字計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。潮流控制器則是根據(jù)微電網(wǎng)的潮流分布對微電源進(jìn)行就地調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的功率平衡。保護(hù)協(xié)調(diào)器即為整個(gè)微電網(wǎng)提供繼電保護(hù)，為微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有其自身的特點(diǎn)，其電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生也有別于傳統(tǒng)大電網(wǎng)，下面將具體分析微電網(wǎng)產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的具體因素。 
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2.2  微電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題及國家要求標(biāo)準(zhǔn)
頻率是衡量電力系統(tǒng)電能質(zhì)量好壞的一個(gè)重要指標(biāo)，必須實(shí)時(shí)檢測，以達(dá)到能夠及時(shí)反饋進(jìn)行控制的目的。只有控制其在允許范圍內(nèi)波動(dòng)才能保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行，否則將會(huì)對系統(tǒng)以及用電負(fù)荷帶來嚴(yán)重的危害。 正常運(yùn)行應(yīng)保持頻率為 50Hz 不變，但由于微電網(wǎng)中微電源功率輸出的不穩(wěn)定性以及負(fù)荷的不可預(yù)測性變化, 在微電網(wǎng)內(nèi)很容易產(chǎn)生頻率波動(dòng)，而且由于頻率調(diào)節(jié)指令與負(fù)荷波動(dòng)總存在時(shí)間延遲，因此頻率的波動(dòng)屬于連續(xù)變化的。頻率波動(dòng)問題在微電網(wǎng)由并網(wǎng)運(yùn)行切換回孤島運(yùn)行時(shí)表現(xiàn)的更為明顯，因?yàn)樵诓⑷肱潆娋W(wǎng)運(yùn)行時(shí)可將配電網(wǎng)看成一個(gè)電壓頻率恒定不變的無窮大電源，以此作為微電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的有力支撐。在孤島運(yùn)行模式下，要將頻率穩(wěn)定在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，則需要對微電源采取有效控制策略，同時(shí)還要應(yīng)用微網(wǎng)內(nèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)[42]。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電力系統(tǒng)的額定頻率為 50Hz，正常運(yùn)行下其值的波動(dòng)幅度不能超過±0.2Hz～±0.5Hz，但為了確保微電網(wǎng)能夠安全穩(wěn)定地運(yùn)行，要求負(fù)荷及功率波動(dòng)引起的頻率偏差不能超過±0.2Hz[43]。 
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3  微電網(wǎng)諧波識別方法的研究 ...... 18 
3.1  諧波檢測技術(shù)的發(fā)展及方法分析 .... 18 
3.1.1  基于傅立葉變換諧波檢測方法分析 ...... 18 
3.1.2  基于小波變換諧波檢測方法分析 .......... 19 
3.1.3  基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測分析 ...... 21 
3.2  基于瞬時(shí)無功功率理論的兩種諧波檢測方法分析 ........ 22 
3.3  瞬時(shí)無功功率理論 ip-iq諧波檢測法的仿真模型建立 .... 22
3.4  本章小結(jié) .... 28 
4  微電網(wǎng)中諧波抑制方法的研究 .......... 29 
4.1 LCL 型濾波器的分析 ........ 29 
4.1.1 LCL 型微電網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 ...... 29
4.1.2 LCL 濾波器的設(shè)計(jì) .......... 32 
4.2  有源電力濾波器進(jìn)行諧波抑制的方法研究 .... 33
4.3  有源電力濾波器優(yōu)化改進(jìn)方法研究 ........ 37 
4.4  本章小結(jié) .... 39 
5  系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析 .......... 40 
5.1  微電網(wǎng)諧波抑制方案 ........ 40 
5.2  微電網(wǎng)諧波主動(dòng)抑制的仿真建模 .... 40 
5.3  微電網(wǎng)諧波被動(dòng)抑制的仿真建模 .... 43
5.4  本章小結(jié) .... 46 

5  系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

通過以上幾章對微電網(wǎng)電能質(zhì)量的分析，以及對微電網(wǎng)諧波抑制方法的研究，本章將通過應(yīng)用 Matlab/Simulink 中的 PowerSystems 模塊搭建微電網(wǎng)諧波抑制的仿真模型，通過仿真驗(yàn)證采用 LCL 型并網(wǎng)逆變器與 APF 相結(jié)合的策略對微電網(wǎng)諧波抑制的效果與可行性。  

5.1  微電網(wǎng)諧波抑制方案 

根據(jù)前幾章節(jié)的分析，微電網(wǎng)中諧波主要由并網(wǎng)變流器件以及所接入的非線性負(fù)載產(chǎn)生，本文采用如圖 5.1 所示的諧波抑制方案。在此微電網(wǎng)中包含有非線性負(fù)載以及線性三相對稱負(fù)載。通過 LCL 輸出濾波器來減少微電源及逆變器產(chǎn)生的諧波分量，通過APF 主要抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。從而達(dá)到主動(dòng)與被動(dòng)上共同治理微電網(wǎng)諧波。 本文采用以光伏電池為微電源的微電網(wǎng)，以 700V 直流電壓模擬光伏電池，其逆變器參數(shù) Ron=0.001，Rs=105，根據(jù)前幾章理論計(jì)算選取 LCL 濾波器參數(shù)分別為 L1=0.6×10-3H；L2=0.02×10-3H；C=1.2×10-3F。LCL 型并網(wǎng)濾波器諧波抑制仿真模型如圖 5.2所示，其中，光伏發(fā)電所接負(fù)載為線性三相對稱負(fù)載，頻率為 50Hz，消耗有功功率為250kW。  

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結(jié)論 

未來發(fā)展中，清潔能源必然會(huì)取代化石能源成為電能生產(chǎn)的主要能源，具備個(gè)性化多樣化的供電方式也將是電網(wǎng)發(fā)展的必由之路，因此微電網(wǎng)將會(huì)在科技進(jìn)步的推動(dòng)下成為一種極為重要的發(fā)電方式。因此，分析微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題以及對其中諧波的治理對微電網(wǎng)的發(fā)展有著重要意義。本文對該課題的研究工作以及相關(guān)結(jié)論如下： 
（1）本文通過對微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及建立并網(wǎng)運(yùn)行等效電路來深入分析微電網(wǎng)中的電能質(zhì)量問題，可知微電網(wǎng)中的微電源、負(fù)載以及運(yùn)行模式是電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的關(guān)鍵。并詳細(xì)說明了微電網(wǎng)中頻率波動(dòng)、電壓波動(dòng)、三相不平衡以及諧波等電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因，通過分析可得：微電網(wǎng)諧波主要由微電源接口變流器以及非線性負(fù)載兩方面產(chǎn)生。 
（2）對微電網(wǎng)系統(tǒng)中的幾種諧波檢測方法的分析比較，可知瞬時(shí)無功功率 ip-iq諧波檢測方法更適合應(yīng)用于微電網(wǎng)諧波檢測中，并應(yīng)用 Simulink 平臺建立了 ip-iq諧波檢測法的仿真模擬，證明其對微電網(wǎng)中的諧波分量有更好的檢測效果。 
（3）針對微電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生的特點(diǎn)，采用了 LCL 型并網(wǎng)逆變器與 APF 共同作用的諧波抑制方案，分別對微電源輸出諧波、非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行抑制。并對并聯(lián)型 APF 進(jìn)行了優(yōu)化分析，優(yōu)化后可以有效減少有源濾波器的容量，從而減少諧波抑制裝置的費(fèi)用。 
（4）利用 Simulink 平臺，搭建了 LCL 型并網(wǎng)逆變器與 APF 共同作用的諧波抑制模型，通過對采用抑制方案得到電流波形以及 FFT 分析證明了所采用方案對微電網(wǎng)諧波抑制的有效性，能夠使輸出波形滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：61087