低壓并網型微電網電能質量擾動實驗方法設計

黃朵 林建軍 曾尚德

摘 要：微網并離網情況下，可能會因非線性負載、諧波、負荷波動和系統(tǒng)故障等擾動使得電能質量受到影響。為了對微電網電能質量擾動因素進行深入分析和探究，本文設計了一系列微電網電能質量擾動實驗方法，并進行了實驗舉例分析。

關鍵詞：微電網;電能質量;實驗方法;擾動實驗

中圖分類號：TM732 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）34-0116-03

Design of Low Voltage Grid-connected Micro-grid Power

Quality Disturbance Experiment Method

HUANG Duo LIN Jianjun ZENG Shangde

（FuJian Electric Power Technical College，Quanzhou Fujian 362000）

Abstract： Power quality may be affected by nonlinear load， harmonic wave， load fluctuation and system failure. In order to deeply analyze and explore the disturbance factors of micro grid power quality， this paper designed a series of experimental methods of micro grid power quality disturbance， and gave some examples.

Keywords： micro-grid;power quality;experiment method;disturbance experiment

1 微電網電能質量擾動實驗的意義

微電網是局部微型電網包含了一個電網應該有的基本要素，如電源、負荷、網絡及控制保護等。正因為微電網的“微小”，所以，其電能質量較容易受到來自內部或是外部的擾動影響。當前，雖然有較多學者針對微電網電能質量問題進行了論述和研究，但針對微電網電能質量擾動實驗方法的研究較少。由于對微電網電能質量產生干擾的內外部因素較多，難以一個一個地分析和討論，因此，筆者需要通過擾動實驗對微電網電能質量擾動的特征進行深入分析，以確定何種擾動是微電網電能質量問題的主因，以為微電網電能質量問題研究提供重要依據。由此可見，設計一系列電能質量擾動實驗方法具有重要意義，通過實驗可實現(xiàn)擾動數據的收集和分析，并進一步將其作為微電網電能質量控制和監(jiān)測的依據。

2 實驗平臺

為了實現(xiàn)微電網電能質量擾動實驗方法設計，本文構建了一個約40kW的低壓并網型微電網實驗平臺。實驗平臺的主要設備包括小型光伏和風電的微電網系統(tǒng)1套（含雙向儲能逆變器、交流并網柜、微電網緊急負荷控制裝置和儲能設備）、電能質量監(jiān)測裝置2臺和可調節(jié)模擬負載柜1臺。實驗平臺接線按常規(guī)低壓并網型微電網常模型進行接線[1]。在實驗平臺中，光伏發(fā)電峰值功率約為32kW，風力發(fā)電峰值功率約為5kW，儲能系統(tǒng)容量約為50Ah，模擬負載最大容量為50kVA。模擬負載可以實現(xiàn)諧波注入、功率因素調整及突然投切負荷的控制功能。

3 實驗方法設計

3.1 微電網并網狀態(tài)擾動實驗方法

在實驗平臺微電網并網狀態(tài)下，微電網自動控制系統(tǒng)會自動檢測微電網儲能裝置的儲能情況，若儲能未滿，則會自動調節(jié)PCS裝置向蓄電池充電。而發(fā)電單元的出力除向儲能裝置充電外，剩余部分全部饋送給所并的大電網。因此，為了確保微電網并網狀態(tài)正常，需要確保各電流變換單元工作正常。在本實驗設計中，假設初始狀態(tài)為微電網儲能裝置儲能已滿，分布式發(fā)電單元（微電源）出力正常及風光電逆變器、雙向儲能逆變器等電子轉換器件工作正常。

并網擾動實驗方法設計步驟如下。

第一步，調節(jié)模擬負載功率大小，使其與微電源容量相匹配，并將調節(jié)好的模擬負載通過交流并網柜接入低壓并網型微電網實驗平臺。

第二步，在微電網并網公共連接點及交流母線上分別接入電能質量在線監(jiān)測儀。

第三步，調節(jié)模擬負載和發(fā)電單元出力等各項參數，分別模擬偶次諧波、奇次諧波、電壓驟降、電壓驟升和三相平衡等擾動因素。

第四步，每個擾動注入10min后，由電能質量監(jiān)測儀采集操作切換過程中電能質量數據，并由微電網監(jiān)控系統(tǒng)采集各元件的功率、電壓和電流數據。

需要注意的是，在實驗中需要將上述實驗每個擾動因素數據重復采集4遍，收集多個實驗數據，以確保實驗數據的準確性[2]。

微電網并網擾動實驗根據擾動因素特征可以分為諧波擾動和電壓擾動。

3.2 微電網離網狀態(tài)擾動實驗方法

微電網在離網狀態(tài)下，大電網對其功率支持消失，這時微電網系統(tǒng)的功率平衡主要是通過微電網發(fā)電單元和儲能裝置來維持的。在發(fā)電單元出力和儲能系統(tǒng)儲能情況會直接影響微電網電能質量的狀態(tài)下，考慮到微電網系統(tǒng)的整體正常運行，本次實驗方法設計假設發(fā)電單元出力正常，分別對微電網儲能未滿和微電網儲能已滿兩種情況進行擾動實驗。

離網擾動實驗方法設計步驟如下。

第一步，調節(jié)模擬負載功率大小，使其與微電源容量相匹配，并將調節(jié)好的模擬負載通過交流并網柜接入低壓并網型微電網實驗平臺。

第二步，將微電網儲能系統(tǒng)電池充滿或是微電網儲能系統(tǒng)電池放電至60%。

第三步，在微電網并網公共連接點及交流母線上分別接入電能質量在線監(jiān)測儀。

第四步，調節(jié)模擬負載的各項參數（電抗、電阻和電容等），分別模擬偶次諧波、奇次諧波、電壓驟降、電壓驟升和三相平衡等擾動因素。

第四步，每個擾動注入10min后，由電能質量監(jiān)測儀采集操作切換過程中電能質量數據，并由微電網監(jiān)控系統(tǒng)采集各元件的功率、電壓和電流數據。

3.3 微電網操作切換擾動實驗方法

微電網是一個局部微型自平衡電網，與大電網相比更容易受到并網、離網、負荷投切、電源投切等操作的影響，尤其在離網狀態(tài)下，操作切換過程帶來的PQ變化直接影響微電網的電能質量。由于微電網并網下受到大電網支持，操作切換下總體波動不大。為此，本文主要針對微電網離網狀態(tài)下的操作切換擾動實驗方法進行設計。假設微電網初始狀態(tài)為離網，發(fā)電單元出力正常、各逆變器正常和儲能系統(tǒng)儲能已滿。

操作切換擾動實驗方法設計步驟如下。

第一步，調節(jié)模擬負載功率大小，使其與微電源容量相匹配，并將調節(jié)好的模擬負載通過交流并網柜接入低壓并網型微電網實驗平臺。

第二步，操作并離網控制開關，使微電網系統(tǒng)與大電網脫離。

第三步，通過監(jiān)控系統(tǒng)操作發(fā)電單元投入（退出）或是將模擬負載功率調節(jié)至一個較大值突然接入（退出）離網狀態(tài)下的微電網。

第四步，由電能質量監(jiān)測儀采集操作切換過程中電能質量數據，并由微電網監(jiān)控系統(tǒng)采集各元件的功率、電壓和電流數據[3]。

4 微電網擾動實驗舉例

4.1 試驗過程及試驗數據

依照上述實驗平臺搭建方法，搭建微電網擾動實驗平臺，模擬負載為三相負荷;同時，通過交流并網柜接入其他實際負載，其中A相接入的負載為電腦、服務器和UPS等電子產品負載，B相負載為空調負載，C相主要接入的是照明和空調負載。A相接入的除模擬負載外的實際負載功率約為6kW，B相接入的除模擬負載外的實際負載功率約為6.3kW，C相接入的除模擬負載外的實際負載功率約為10kW。

實驗時，將模擬負載柜通過微電網交流并網柜接入微電網交流母線，調節(jié)模擬負載柜參數注入諧波，以微電網交流母線為主要監(jiān)測點。由監(jiān)控系統(tǒng)采集到的交流母線和逆變器數據分別為交流母線三相電流，分別為A相18.15A、B相30.364A和C相17.355A，并網PCS電流為A相10.9A、B相9.8A和C相11.23A[4]。

然后，根據上述監(jiān)控系統(tǒng)采集到的電流大小，通過模擬負載柜注入一定比例的諧波電流。本次實驗注入的諧波電流大小分別為3次諧波4A和5次諧波2A。通過電能質量監(jiān)測儀獲取電流電壓波形數據，如圖1和圖2所示。

為了更好地分析實驗數據，對實驗擾動注入后采集到的電能質量數據進行分類統(tǒng)計，分類后主要數據包括擾動實驗電流參數和擾動實驗電壓參數。

①擾動實驗電流數據：三相電流不平衡度為178.689%，三相電流總諧波畸變率A相為111.67%，其余兩相正常;三相奇次諧波電流A相為4.164A，B相為1.648A，C相為2.375A;三相偶次諧波電流A相為0.247A，B相為0.157A，C相為0.33A。

②擾動實驗電壓數據：三相電壓總有效值A相為0.234kV，B相為0.238kV，C相為0.236kV;三相電壓平衡度為0.168%（合格）;三相零序電壓為0.004kV;電壓總諧波畸變率A相為1.486%，B相為1.725%，C相為2.413%，三相均合格;3次諧波電壓含有率A相為6.082%，B相為4.686%，C相為5.47%，三相均不合格;5次諧波電壓含有率A相為5.45%，B相為4.23%，C相為4.33%[5，6]。

4.2 結論

通過上述實驗舉例，對比實驗相關數據與正常狀態(tài)數據可發(fā)現(xiàn)，微電網并網狀態(tài)下諧波注入之后，所采集到的實驗數據能反映當前實驗中所設置的擾動參數，通過對擾動參數的特征進行分析，可以得到這一擾動對電能質量的影響情況。在本次實驗舉例中，諧波注入交流并網母線后，可發(fā)現(xiàn)微電網系統(tǒng)中出現(xiàn)了電流總諧波畸變率、電壓3次諧波和5次諧波含有率略不合格的情況，且對波形進行分析可知，電流波形出現(xiàn)明顯畸變，電壓波形出現(xiàn)局部細小鋸齒狀，波形與電流電壓報表數據吻合。由此可得出，在并網狀態(tài)下，若大電網沒有諧波污染，但微電網內部出線諧波干擾將會對微電網系統(tǒng)電能質量造成較大影響，在分析微電網電能質量問題時，需要對來自微電網內部的諧波進行重點研究分析。同時，本文所設計的系列實驗方法也可以用于驗證一些微電網電能質量控制和監(jiān)測方法是否正確可行。

參考文獻：

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[5]郭芳，鄧長虹，廖毅.微電網中的電能質量問題及其改善措施[C]//直流輸電與電力電子專委會學術年會.2012.

[6]闞博文，劉廣一，KHODAYAR Mahdi等.基于圖機器學習的分布式光伏發(fā)電預測[J].供用電，2019，11：20-27.