配電網(wǎng)的超高次諧波源建模研究

引言

隨著配電網(wǎng)的電力電子化程度越來越高,超高次諧波的發(fā)射特性以及傳遞特性逐漸引起了人們的關(guān)注。因?yàn)槌叽沃C波產(chǎn)生的根源,在于諧波源中電力電子裝置采用了脈寬調(diào)制技術(shù),而脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生涉及電力電子裝置控制系統(tǒng),所以超高次諧波源的時(shí)域模型搭建需要關(guān)注其內(nèi)部電力電子裝置的控制系統(tǒng)和脈寬信號生成電路。

實(shí)際電網(wǎng)中,超高次諧波發(fā)生源眾多,每種超高次諧波源都可能有自己獨(dú)特的控制方式,例如電動汽車充電機(jī)等超高次諧波源的控制方式和脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生方式都不同。對于同一種典型超高次諧波源,也存在不同的控制方式和脈寬調(diào)制方式,例如一部分光伏逆變器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制,一部分光伏逆變器則采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的控制方式。而對于脈寬調(diào)制信號生成電路,則主要有正弦脈寬調(diào)制(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)。

因此,要實(shí)現(xiàn)有源配電網(wǎng)超高次諧波的準(zhǔn)確分析,首先就需要建立能反映實(shí)際工作負(fù)荷超高次諧波特性的各種典型諧波源模型。

1時(shí)域仿真建模方法

1.1建立單個(gè)模型

以CRH1型動車為例,確定其超高次諧波源發(fā)生裝置拓?fù)鋱D后,建立仿真電路主電路,如圖1所示。

控制系統(tǒng)的建立需要用到多種模塊,其中重要模塊的原理和功能如下:

單相鎖相環(huán):利用信號過零檢測原理,實(shí)時(shí)測量輸入信號的頻率和角度,實(shí)現(xiàn)另一信號頻率和角度的實(shí)時(shí)調(diào)制。一般在電力系統(tǒng)中,鎖相環(huán)輸入為電壓,而另一信號為電流,利用鎖相環(huán),可以動態(tài)調(diào)整電流頻率和相角,實(shí)現(xiàn)電流對電壓的實(shí)時(shí)跟蹤。

延時(shí)模塊:控制系統(tǒng)的輸入來自于對主電路的測量值,實(shí)際系統(tǒng)中從信號的測量傳輸再到控制系統(tǒng)的處理是需要一定時(shí)間的,而仿真電路中不存在該問題,所以可在控制電路中加入一個(gè)延時(shí)模塊來模擬實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的延時(shí)特性。

建立的控制系統(tǒng)仿真圖如圖2所示。

CRH1型動車都采用正弦脈寬調(diào)制(PWM),單相脈寬調(diào)制電路結(jié)構(gòu)較為簡單,仿真模型如圖3所示。

Triangle模塊是載波發(fā)生器,可以設(shè)置不同頻率,而載波的頻率則會決定動車變流器產(chǎn)生的超高次諧波頻率。

建立單個(gè)電動汽車充電機(jī)時(shí)域仿真模型的方法與動車模型的建立較為相似,需要依次建立主電路、控制電路、脈寬調(diào)制電路和完整電路分析模型。在模型搭建并完成測試后,將其進(jìn)行封裝,作為模塊備用。

1.2建立組合模型

對于動車來說,將單個(gè)模型組合起來,需要完成各系統(tǒng)間的銜接,并在仿真系統(tǒng)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)增加測量裝置和顯示模塊。

而對于電動汽車來說,單個(gè)的電動汽車充電機(jī)組不會直接接入電網(wǎng),需要按照常規(guī)電動汽車充電站的充電機(jī)配置臺數(shù)以及連接方式建立電動汽車充電站時(shí)域仿真模型,不同區(qū)域的電動汽車充電站能提供的最大功率不同,站內(nèi)裝置的連接方式也有區(qū)別,但工作原理都較為一致,一般可選用功率適中且實(shí)際較為常用的電動汽車充電站來進(jìn)行建模研究。電動汽車充電站內(nèi)裝置連接示意圖如圖4所示。圖4中每個(gè)充電樁包含兩臺充電機(jī),單臺變壓器容量為0.5MVA。

2仿真分析方法

2.1拓?fù)浜喕?

時(shí)域仿真時(shí),隨著網(wǎng)絡(luò)的增大,程序運(yùn)行時(shí)間將大量增加,因此建模時(shí)應(yīng)合理簡化裝置拓?fù)洹３叽沃C波源建模采用簡化分析法,將超高次諧波源裝置內(nèi)與諧波特性無關(guān)的元件作等效處理。例如,CRH1型動車逆變電路與整流電路間有直流穩(wěn)壓電路,所以逆變電路不影響網(wǎng)側(cè)諧波含量,將其等效為一個(gè)電阻性負(fù)載。簡化前后的動車變流器如圖5所示。

2.2元件等效法

進(jìn)行時(shí)域建模時(shí),仿真軟件可能不存在所需模塊,這時(shí)需要進(jìn)行模型開發(fā)。例如,電動汽車功率變換電路和電動汽車蓄電池用非線性時(shí)變電阻Rc來等效,但仿真軟件無時(shí)變電阻模塊,此時(shí)可根據(jù)實(shí)際電阻曲線(圖6)建立等效時(shí)變電阻模型(圖7)。

2.3蒙特卡洛法

對于電動汽車充電站來說,其內(nèi)部的電動汽車充電樁工作狀態(tài)不確定,受多種因素影響。為了更準(zhǔn)確地對電動汽車充電站的諧波發(fā)射特性進(jìn)行研究,需模擬站內(nèi)電動汽車充電樁的啟停狀態(tài)。通過對電動汽車充電站各時(shí)段內(nèi)充電樁工作狀態(tài)的統(tǒng)計(jì),可以得到各時(shí)段內(nèi)電動汽車充電樁工作臺數(shù)的概率密度函數(shù),因此可以利用蒙特卡洛法仿真模擬各電動汽車充電樁的開關(guān)狀態(tài)。例如,將Mat1ab中生成蒙特卡洛信號的m文件作為仿真模型準(zhǔn)備程序,生成的開關(guān)信號將直接作用在開關(guān)控制器上,控制開關(guān)狀態(tài)。圖8是開關(guān)元件,圖9為利用蒙特卡洛法生成的開關(guān)信號。

3仿真模型搭建

CRH1型動車完整模型搭建如圖10所示。電動汽車充電機(jī)完整模型搭建如圖11所示。

按照IEEE拓?fù)鋱D搭建超高次諧波有源配電網(wǎng)仿真模型,結(jié)果如圖12所示。

4結(jié)語

本文提出了一種能夠反映實(shí)際工作負(fù)荷超高次諧波特性的各種典型諧波源的時(shí)域模型建模方法,建立了考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、調(diào)制方式、控制策略的超高次諧波源模型,并利用蒙特卡洛法模擬電力電子化配電網(wǎng)中超高次諧波源的運(yùn)行工況和配電網(wǎng)運(yùn)行方式,建立了超高次諧波有源配電網(wǎng)的仿真模型。