分布式光伏和電動汽車接入對配電網諧波影響的分析

黃 力，喻恒凝，張思東，陳后全，唐 超，黃云輝（武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430070）

1 研究背景及意義

近兩年來，湖北光伏發電迅猛發展，光伏并網容量保持高速增長。截至到2018年，湖北省光伏發電并網容量達到3.57×106kW，突破3×106kW，同比增長151%，全年光伏發電量4.681×109kW·h，同比增長85.28%。根據湖北省新能源汽車產業“十三五”發展規劃，到2020年全省新能源汽車產能達到50萬輛/年，需要建設充電樁19萬臺[1-4]。然而，由于分布式光伏電源和電動汽車越來越多地接入配電網，會給配電網帶來大量諧波，對配電網的供電可靠性和安全運行產生嚴重的負面影響。所以，研究分布式光伏和電動汽車同時接入對配電網諧波的影響，具有一定的理論價值和實際意義。

目前，不少文獻對分布式光伏和電動汽車接入配電網的諧波影響進行了分析。文獻[5]說明了配電網中的諧波主要來源于電力電子裝置和非線性負荷，其中分布式光伏中含有大量的電力電子裝置。文獻[6]考慮了充電站接入對配電網的影響，分析了不同次數的諧波電流對充電機的疊加影響，但是未考慮對諧波總畸變率的影響。文獻[7]搭建了不同類型的電動汽車充電機仿真模型，得到了諧波分布狀況，但是未考慮分布式光伏與電動汽車同時接入對配電網諧波的影響。文獻[8]選取了分布式光伏不同并網位置、不同并網容量和電動汽車不同接入方式3類場景，重點研究了分布式光伏和電動汽車同時接入配電網中的諧波特性。目前，國內外的主要研究大多集中在單獨的分布式光伏或單獨的電動汽車接入對配電網諧波的影響，而對于分布式光伏電源和電動汽車同時接入配電網的諧波分析不夠深入。

本文重點研究分布式光伏和電動汽車同時接入對配電網諧波的影響，具體研究不同的并網位置、不同的并網容量和不同時段下分布式光伏電源和電動汽車接入配電網的諧波特性，建立分布式光伏和電動汽車的諧波分析模型，并接入IEEE33節點標準測試系統中，通過快速傅里葉變換得到各個節點的電流諧波畸變率分布狀況，分析諧波特性。

2 分布式光伏和電動汽車接入配電網的諧波分析原理

2.1 分布式光伏接入的諧波分析

分布式光伏發電通過逆變器并網，發電功率受光照影響大，由此會向配電網注入大量的諧波電流，引起各個節點的電壓畸變。分布式光伏接入配電網中的諧波網絡模型如圖1所示。

其中，有：

設諧波電流Igh相角為θgh，以母線電壓為參考向量，則可得：

圖1 接入分布式光伏的諧波模型

式中，θh為光伏接入點處第h次諧波電流相角；δg為分布式光伏接入點的電壓相角。

由圖1可得，分布式光伏未接入線路時，接入點第h次諧波電壓幅值為：

在接入分布式電源后，第h次諧波電壓幅值為：

由式（4）和式（5），可得分布式光伏接入線路后在距離B母線a處的第h次諧波電壓變化量ΔUh(h≥2)為：

由式（6）可知，ΔUh＞0，當光伏電源接入配電網后，諧波電壓增大，且增加量與Pg和a成正比關系；當光伏電源接入配電網線路末端時，ΔUh最大。

2.2 電動汽車充電機諧波機理分析

當系統三相平衡時，三相電流波形相同，相位依次相差120°。設PWM整流電路的電源為三相對稱電源：

式中，E為三相電源電壓有效值，而三相電流也具有同樣的波形，所以把單相電流ia進行傅里葉級數分解：

各次諧波電流為：

可知，ia中只有含有6k±1次諧波，不產生偶次諧波?？梢?，三相電壓型PWM整流式充電機的交流側的諧波具有如下特性：（1）負載阻抗越大，電流越小，諧波畸變率越大；（2）電流總諧波畸變率與功率因素成反比。

3 分布式光伏與電動汽車接入配網的諧波特性分析

3.1 算例模型

當前，我國的城鄉配電網主要為輻射式網絡。為了研究分布式光伏與電動汽車的諧波特性，本文采用輻射式配電網IEEE33節點標準配電系統模型，如圖2所示。其中，節點1為電源點，其他32個節點均為負荷節點。本文只選擇一條主饋線，即主要研究節點1～節點18。

圖2 IEEE33節點標準配電系統模型

3.2 不同接入位置下的諧波分析

將分布式光伏和電動汽車集中接于上述模型線路鄰近始端、中端和末端的節點2、節點9和節點16，測量3種場景下的電網各節點的諧波畸變率，結果如圖3所示。由圖3可知，當分布式光伏和電動汽車同時接入配電網末端節點時，線路各個節點的電流畸變率都較高，部分節點的電流諧波畸變率處于較高水平，甚至超過了相關國家標準；當并網點在線路的首端時，線路的各個節點的電流諧波畸變率雖然都處在較低水平，但并網點的諧波畸變率達到5.47%，超過國標的限值。

圖3 電動汽車和分布式光伏集中接入不同位置下的諧波分析

將電動汽車接在線路的末端節點16，選取上述饋線模型中鄰近始端、中端和末端的節點2、節點9和節點16作為分布式光伏的接入位置，測量3種場景下的網各個節點的諧波畸變率，結果如圖4所示。由圖4可知，分布式光伏接于首端時，線路電流諧波畸變率較??；在中端接入時，光伏接入點之前的節點電流諧波畸變率逐步上升，在光伏接入點達到最大，最大諧波畸變率大于其他兩種方案，其他節點電流諧波畸變率變化不大；在末端接入時，線路的節點電流諧波畸變率整體水平較高。所以，要降低節點電流諧波畸變率，應靠近系統前端接入分布式光伏電源，而不能接于線路的中端和末端。

若將分布式光伏接在電網末端，將電動汽車接入鄰近始端、中端和末端的節點2、節點9和節點16，測量3種場景下的電網各個節點的電流諧波畸變率，結果如圖5所示。由圖5可知，線路首端接入電動汽車時，只有線路節點1和節點2的電流諧波畸變率比其他兩種情況下高；當中端和末端接入電動汽車時，線路中端和末端的節點電流諧波畸變率遠大于首端接入時的情況。所以，要降低節點電流諧波畸變率，應將電動汽車接入線路前端和中端。

圖4 分布式光伏接入不同位置下的諧波電流畸變率

圖5 電動汽車接入不同位置下的諧波電流畸變率

3.3 不同接入容量下的諧波分析

不同容量的分布式光伏和電動汽車會對線路節點的諧波畸變率造成不同影響。將電動汽車接在電網線路的末端節點16，將分布式光伏接入節點9。固定電動汽車的負荷占比為20%，改變分布式光伏滲透率，分析當分布式光伏容量變化時對各個節點的電流諧波畸變率的影響，結果如圖6所示?？梢姡植际焦夥鼭B透率的增加會提高輸出的諧波電流，因為分布式光伏的出力增大會增加并網點的諧波電流，故電流諧波畸變率增大。當分布式光伏滲透率達到30%時，部分節點的電流諧波畸變率超過相關國家標準的限值。

圖6 不同光伏滲透率下的節點諧波電流畸變率

將光伏滲透率固定在20%，改變電動汽車的負荷占比，分析當分布式光伏容量變化對各個節點的電流諧波畸變率的影響，節點諧波電流畸變率如圖7所示?？芍?，電動汽車充電機工作時，電動汽車在線路中的負荷占比越大，節點電流總諧波畸變率越小。

圖7 不同電動汽車負荷占比下的諧波電流畸變率

3.4 考慮時序特性的分布式光伏和電動汽車接入的諧波分析

選取湖北省某地區分布式光伏和電動汽車時序特性曲線，如圖8所示，分析時序特性下光伏和電動汽車接入時線路各個節點的諧波總含量，以電流諧波畸變率表示，如圖9所示?？梢钥闯?，夜晚時僅有電動汽車進行充電，配電網各個節點電流諧波畸變率都較小，不用進行諧波治理；白天6:00到晚上19:00，分布式光伏和電動汽車同時出力會造成配電網有些節點的諧波畸變率很大，甚至超過了相關的國標限值，說明分布式光伏是引起線路節點電流諧波畸變率的主要原因；12:00時，分布式光伏出力達到最大，但是節點7的電流諧波畸變率不是最大，說明電動汽車的接入會降低節點電流諧波畸變率。

圖8 分布式光伏和電動汽車的典型日負荷曲線

圖9 不同時段下的節點電流諧波畸變率

4 結 論

本文建立分布式光伏和電動汽車的諧波分析模型，通過分析分布式光伏和電動汽車在不同情況下接入配電網的諧波畸變，提出了光伏和電動汽車接入的應對策略，得到以下主要結論：

（1）當分布式光伏和電動汽車同時集中接入一點時以及分散接入配電網時，均不適宜接在線路的首端和末端，可以適當考慮接在線路的中前端；

（2）電網線路節點的電流諧波畸變率隨分布式光伏滲透率增大而增大，當分布式光伏滲透率超過30%時，節點的電流諧波畸變率會超過國標限值；

（3）在白天有分布式光伏出力的情況下，線路的電流諧波畸變率遠大于夜晚無光伏出力，其中12:00到16:00期間節點電流諧波畸變率在一天中最大。