吴在军：微电网的电能质量问题

5月19日至21日，“第八届中国国际储能大会”在深圳隆重召开， 来自中国、美国、德国、英国、加拿大、西班牙、日本、韩国、澳大利亚等国和地区1500余位政府机构、科研院所、行业组织、电力公司、新能源项目单位、系统集成商等代表出席本次大会。

东南大学电气工程学院副院长吴在军在微电网+售电专场，发表了题为“微电网的电能质量问题”的精彩演讲。

演讲内容如下：

吴在军：谢谢吴主任的介绍，很高兴有机会来跟各位分享我们在微电网方面的一些研究工作。其实一会儿吴主任会给大家讲更全面的关于微电网关键技术研究进展，我给大家报告的是我们对一个具体问题当前做的一些工作，当然更多的是偏向理论上的探讨，希望能和在座的各位工业界的朋友共同推动微电网工程向前更进一步。

今天我报告的题目是“微电网谐波特性分析与控制”。我主要从四个方面给大家报告我们做的工作，第一是技术背景，第二是谐波特性分析，第三是谐波电流控制，第四是一个简单的结语。

微电网从十年前有了概念，到当前这个不太火热的现状，我们可以看未来的电网形态是什么样的，当前社会发展的压力，一个是能源，一个是环境，传统的电能生产方式是利用规模化生产，通过特高压电网输送，然后到负荷中心去分配使用，这是传统的方式。自然会有一个相对的概念，就是我们小系统怎么样，是一些独立的系统，包括分布式发电、微型电力系统。从可靠性来看是集中式的更合适，还是分散的更合适，哪个更强大、哪个更脆弱一些？前些年大家一直有一些争论，现在来看，大家都基本上达成一个共识，未来的电网一定是集中式和分布式相结合的形态，无论是从能源的多元化的使用，还是发展可再生能源、减少碳的排放，保护我们共同生活的环境，或者是提高能源的综合利用效率，以及提高供电的安全性和可靠性来看，分布式发电和传统的电网结合起来是有可能达到一个更高可靠性的，目前在这个时间点上来讨论这个问题，大家基本上已经有了共识。

无论是我们国家还是美国，其实我们可以看到非常明确的一个对未来电网形态发展的方向。我们国家未来的电网是以主干电网为主，辅以局域的配网，再加上就地利用的微电网的形态，把跨区域、远距离的输电、区域内的集中发电、分布式发电这几种形态都和电网的形态相匹配起来。再回过头来看美国的情形，美国在GRID2030里面写得也很明确，美国未来的电网形态从骨干网到区域的互联电网，到局部的配电网，再到微网，所以未来的电网形态一定是大规模的集中式电网和分布式的微电网并存的形态。

微电网的概念我想大家都很熟悉了，我觉得有两个关键词，第一，它是一个可控的对象，把分布式电源、负荷、储能作为一个整体，和我们的主网连起来以后形成可控的单元，既可以在并网的模式下运行，也可以在离网的模式下运行，获得更高的可控性。

回到它的驱动力来看，无非是经济性、可靠性和环境友好性。从可靠性来看有很重要的指标，就在于它的电源质量问题。它的孤岛运行模式，在主网发生故障的情况下，有一个局部的可供能的网络，保证一些重要用户的用电。它的应用场景，我认为有两大类比较典型的应用，一类是对用电质量有特殊要求的园区，可以发展并网型的微电网的应用。还有一种类型，在一些边远地区解决有电用的问题。在国内外有一个很重要的应用，我们前面不太了解，就是在军方的应用，它的一些基地的电源保障，包括去年军委后勤部发布了一批项目的指南，专门提到边远地区微电网的应用，无论是并网型的应用，还是离网型的应用，电能质量是一个非常重要的指标。

从微电网电能质量问题的起因来看，我觉得有两个方面是最大的影响因素，第一是微电网本身集成了大量的分布式电源，恰恰这些分布式电源是一些线性的电源，包括光伏、风电，这是环境条件约束的线性的电源，有风的时候可以多发，没有风的时候就没有办法发了。还有一类是新的元素集成进去，最典型的是电动汽车，它的充放电的随机性，包括用户负荷的随机性，这些都是电能质量问题的起因之一。第二个因素是大量的电力电子装备的使用，无论是从分布式电源并网来看，包括我们储能的PCS，包括现在的一些新型的负荷类型，包括电动汽车、充电桩等等，包括我们为了解决电能质量问题而配备的一些电力电子装置，包括APF等等。还有我们为了获得和PC点主网快速的无缝切换，可能会配备一些新型的电力电子固态开关，这些大量的装备的非线性和非线性耦合之后，对我们的电能质量带来极大的挑战。

从它的表现形式来看，刚才我们谈到它的间隙电源、电力电子变流器，包括还有一些非线性的负载，还有一些不平衡的负荷，电能质量问题的现象，我们常规能看到，一个是谐波电流，另外一类就是谐波谐振，也包括一些无功和三相不平衡等等，这是我们能看到的一些电能质量的现象。

它的具体的机理是什么？这是我们更关心的问题，我们希望知道它为什么有谐波，表面上看是大量的电力电子装置的使用，它有一定的波动性，他们内在的机理是什么，这是我们下面的话题想探讨的内容。

因为刚才讲到电能质量问题牵扯到好几个方面，今天因为时间关系，我主要跟大家讨论关于谐波的问题。这里面讨论三个方面的问题，一是分布式电源，包括储能并网的变流器，它本身所产生的谐波的特性。第二个是大量负载的使用本身也是非线性的，当变流器和非线性负载之间耦合的谐波性。第三个是关于它的谐波的谐振问题。

第一个我们看看DG并网逆变器谐波输出特性，右边这个图是我们最常规采用的，在同步坐标系下解耦控制电流内环的控制器，常规我们会用到空间矢量调制和正弦脉宽调制。分布式电源并网变流器的非线性，它会导致一个混沌的现象，造成了分杈，DG并网变流器的非线性，导致产生频谱范围很宽的谐波电流。

调制策略导致的GD并网变流器的非线性，我们做了一个双重傅里叶变换，它对应的是四项，第一项是直流偏置，第二部分是基和基带谐波，对应调制波附近的低次谐波分量。第三部分是为载波谐波，对应的是载波整体倍的高频谐波分量，第四是边带谐波，对应调制波与载波混合作用的结果。GD并网逆变器输出的谐波分量主要为基频附近的低频分量和开关频率附近的高频段分量，对低频分量我们的手段是相对比较有限的。

再看在不同的调制的前提下，如果是没有发生过调制的时候，低频段的分量和它的调制波信号是成线性管理的，从这个图也可以看出来，左边这张图是未发生过调制的，我们可以看到它的谐波的分布情况，主要是靠近基波附近。如果发生过调制以后，在逆变器的收缩端，它就会产生新的基带第一次的谐波，并且这个谐波和我们的调制度是相关的，调制度越高，它输出的谐波分量的形式越接近于方波的分量形式，也就意味着我们第一次的谐波分量会变大。这是从它的调制角度看到的一些现象。

从控制策略离散化角度来看，我们再观察它的非线性，还是以这个模型来看，我们建立它的离散的时间模型，通过它来描述这个对象，并且探讨在SVPWM和SPWM的情况下探讨它的雅可比矩阵的形式，然后探讨它的矩阵有没有分杈。

从这里可以看得出来，它有非常明显的分杈的过程，在右边这个图可以看到在不同的调制策略下，SPWM是不太容易发生低频分杈的，但是SVPWM调制相对容易发生低频分杈，并且这个分杈的过程按我们这个算力来看，有5赫兹低频振荡的过程。

再看另外一个现象，我们看它的特征相对我们的系数的情况，我们观察到它出现一个非常典型的高频分杈的过程，并且我们会发现一个非常有趣的现象，当一旦发生高频分杈以后，本来我们说的高次谐波和开关频率相关，但是现在发生高频分杈以后，THD值变得很大，但是它的特性不在我们的开关频率的特性上，它已经向两侧转移，这对出口滤波器的设计业带来很大的挑战，通常我们以开关频率作为影响因素考虑的更多，发生高频分杈的也是我们在本身的调制策略离散化过程当中所带来的另外一个非线性问题。

第二个问题，当我们有那么多非线性负载，最典型的一类是整流型负载接入以后，我还是要建立三相三线制逆变器模型。高频段我们可以把滤波的方式去掉，对低频段建模，下面我们紧接着建立非线性负载的开关函数模型，我们以不可控整流桥的模型来看，还是利用调制的概念，建立它的开关函数模型，并且用时域的方法获得它的开关的角度，最后可以得出关于三相不控整流基于开关娴熟模型的隐式函数模型，用来求我们这个非线性负载的模型，当然这个求解是比较复杂的过程，我们找到一个比较合适的方法，是JFNK改进的算法，这个我就不多说了。

在它们交互耦合的时候，如果让GD工作在低压源模式，在离网的模式下运行，当这个非线性负载和GD并网逆变器的电气距离增大的时候，我们会很明显地看到逆变器侧的电压的基波分量保持不变，谐波分量减小。对负载这一边，我们看到谐波分量是有变大的。如果让DG变网逆变器工作模式下，我们看到的现象和电压源又不一样，随着网侧电气距离增大，逆变器侧和负载侧电压谐波增大，随着GD侧电气距离增大，负载侧电压没有太大变化。当负载侧电器性质距离变大以后，逆变器侧谐波分量没有太大变化。这样大概就可以知道它们耦合的特性是什么样的现象。

第三个问题，和大家探讨关于它的谐振的问题。常规的方法其实是用频域扫描法来看，但是它很难给出一个全局的判断，我们希望能知道它的谐振源在什么地方，谐振传播的路径是什么样的，它的影响范围有多大，这是我们希望通过这个研究能得出的结论，所以我们后来采用了模态分析法来做，找它的参与因子，看看它的谐振域在什么地方。

以一个比较简单的算力来看，我们就看最后的结果，GD是三个不同的GD，LC的组合是它的出口滤波器的参数，我们做了这么一个交叉的组合，给出6种不同的情形。从它的模态的数据来看，其实我们可以看到谁的参与因子最大，谁的参与因子最小。最后我们看到一个基本结论是，对于较低频率的谐振模态，在线路末端的DG的参与因子最大，反过来说它最容易受到激励，产生谐振。对于较高频率的谐振模态来看，我们看到的是使用较高频率LC滤波器的DG参与因子最大。这样我们就大概能够知道它的一个规律性的东西。

我们也会考虑它的谐振的抑制，我们也做了相关的工作，对于高频的可以考虑增加联络线阻尼的方法，在低频的可以考虑末端并联有源阻尼的方法进行抑制。这是我们看到的一些最基本的机理和现象。

第三部分和各位汇报一下我们怎么对这些谐波电流进行控制。

我们刚才看到的现象包括谐波电流、谐振、无功等等。我们的基本思路是分两个方面来看，一个方面是集中式的，无非是采用一些新型的电能质量控制装置或者调节装置，还有一类是分布式的方式，现在大家看到的多功率变流器的概念已经是大家相对能接受的概念，所以我们基本上从这两个角度来考虑它的解决方案，一个是集中式的方案，一个是分布式方案。

集中式方案，我们做了一个新型的装置，就是9开关板的电能质量控制装置，它是接在我们主网和微网的PC点上，我们在PE点还有一个变压器，我就接在PE点的前端，这样做的好处在于什么呢？我利用这个装置既可以对高压侧的谐波问题进行补偿，也可以对低压侧的谐波问题进行补偿，并且从右边的拓扑结构来看，它既有有源的方式，还有无源的方式，在这种方式下就不用考虑我们的谐波通过变压器的流动，我们做了这么一个新型的装置，既可以对谐波，也可以对无功，还可以对三相不平衡的矫正。

对于九关管，我们背靠背的这种结构，它省了三只管子，但是它的调控的控制变得复杂得多，要包括这9个开关的控制和持续关系。我们提出一个基于灵牌指令的不连续调制算法，我们做了一些仿真的分析，高压侧10千伏、低压侧380伏，可以看到前后对它的THD值都有比较明显的改变，后来我们又做了一些样机的试验，我们可以看到无论是高压侧还是低压侧，THD值都有非常大的改观，上端口是在高压侧，下端是400伏这一侧，是1.5%的THD。这是关于集中式方案。

分布式方案方面，我们的多功能变流器已经有些应用，但是在微网当中也有一些需要改进的地方，比如说它没有惯性，没有阻尼，并且基波的控制是一个PQ控制，无法响应电网频率、电压的变化，虚拟同步机是一个很好的解决方案，现在已经有些应用，我们考虑无论是储能虚拟同步机，还是和风电配合的分布式虚拟同步机，我都把电能质量控制的部分加进去，现在做到的是VSG、谐波补偿、无功补偿和不平衡电流补偿复合到一起，给出这么一个拓扑结构。

这是模拟了我们的同步机的特性，包括虚拟的阻抗、阻尼，包括电能质量的检测以及复合控制。

我们做了实验室样机，在不同的工况下测试它的无功补偿特性、谐波特性、不平衡电流补偿特性，我们可以看到都能非常好的响应电能质量的需求，包括响应电能频率的变化，以及响应电压的变化，它都可以按照我们所期望的目标来工作。分布式方案用虚拟同步机来做看起来是更有价值的。

最后有一个简单的结语，其实也就是刚才我们想的方案，电能质量问题在微网当中还是很突出的，为了更好地将电网和微网本身的噪声隔离，我们建议如果有可能的话，在微网和主网之间有一个电能质量调节装置，无论你是用什么方式来做的，不一定是我们提到的九开关管的方式。另外一种就是希望通过逆变器来做它的电能质量的控制。