配電網分布式諧波治理的優化控制策略

柳擁軍

（青島四方阿爾斯通鐵路運輸設備有限公司，山東 青島 266111）

在現代電網的發展過程中，基于常規配電送電業務的傳統電網模式面臨著諸多挑戰，分布式發電、分布式儲能等新形式不斷涌現，這些大規模、間歇性且非線性負荷的分布式資源接入電網使得電網系統受到諧波的污染，甚至導致電網系統失去穩定[1]。本文在介紹配電網分布式諧波電壓檢測型有源電力濾波器（Voltage Detection Active Power Filter，VDAPF）治理模式的基礎上，嘗試運用數值仿真手段建立配電網分布式諧波模型，研究多功能逆變器在配電網分布式諧波治理中的應用效果，為實際工程分布式諧波治理提供參考[2]。

1 配電網分布式諧波VDAPF治理模式概述

配電網分布式諧波VDAPF治理模式包含4個環節[3]，分別為逆變器設置、諧波電壓檢測、指令電流計算和電流跟蹤控制，具體的結構原理見圖1。

圖1 配電網分布式諧波VDAPF治理模式

圖中C為直流電源的電容器；Cf為濾波電流的電容器；Udc為直流電源的電壓；uG為諧波輸入電壓；uh為諧波輸出電壓；為諧波輸出指令電壓；iG為諧波輸入電流；為諧波輸出指令電流；Lf為輸出電感。從圖中可以看出，配電網分布式諧波VDAPF治理模式的基本核心是在電網和大地之間設置了一個控制增益k，它的本質是電導，使得電網系統中的諧波輸出電壓uh轉換為諧波輸出指令電流i*h，為諧波提供了一個虛擬電導。

2 多功能逆變器在配電網分布式諧波治理中的應用

在配電網分布式諧波VDAPF治理模式中，逆變器設置環節是最為重要的環節，為此本研究采用多功能逆變器進行諧波治理。多功能逆變器的主要控制節點分為3個部分，分別為分布式資源的輸入控制、目標諧波補償電流生成控制和逆變器并網控制[4]。

在目標諧波補償電流生成控制中，電網系統中的電壓值和電流值均向逆變器中進行傳輸，被逆變器采集后，可以向上層控制單元輸入電網的基波電壓、諧波電流、逆變器容量等信息，采用全局最優算法可以求得電網各個電路中的目標諧波補償電流，上層控制單元按照諧波補償目標通過逆變器對電網中的非線性負荷進行補償。在實際的諧波治理控制中，由于逆變器容量的計算和確定十分繁瑣，大大增加了系統的處理成本，不利于現場技術人員進行操作，因此在實際應用中通常將逆變器容量參數替換為諧波電流的幅值。

上層控制單元可以根據多功能逆變器當前的功率值求得諧波最大電流補償幅值，計算公式為

式中：Imax為多功能逆變器最大額定電流容許值，A；為逆變器有功電流的幅值，A。

根據電網系統中不同頻次的諧波補償電流幅值，可計算出諧波補償系數最大值，計算公式為

將式（2）帶入諧波目標治理函數，得到的計算公式為

式中：F(xi)為諧波目標治理函數；FTHD(xi)為總諧波電壓畸變率；λ為不同頻次諧波的懲罰函數權重系數；為諧波電壓畸變率懲罰函數，其中為畸變率限值。

可求得目標諧波補償電流，計算公式為

式中：xi為目標諧波補償系數最優解；ih為電網系統中的諧波電流。

3 基于仿真分析的配電網分布式諧波治理策略優化

為驗證多功能逆變器在配電網分布式諧波治理中的控制有效性，基于MATLAB/Simulink軟件平臺建立配電網數值仿真計算模型，見圖2。

圖2 基于MATLAB/Simulink軟件平臺的配電網數值仿真計算模型

圖2中Zdis1、Zdis2、Zdis3為阻抗，系統阻抗為（0.9+j×6.2）Ω；DG為分布式能源；三角形符號為非線性負荷。模型中配電網的額定電壓為10 kV，針對配電網典型的非線性負荷諧波特性，輸入3類諧波，分別為3×50 Hz的3次諧波、5×50 Hz的5次諧波和7×50 Hz的7次諧波。在配電網分布式諧波治理方案中，采用3種控制策略進行對比，方案一為不治理，方案二為設置普通逆變器，方案三為設置多功能逆變器。

基于MATLAB/Simulink軟件平臺的不同方案諧波治理的電壓畸變率計算結果見圖3。

圖3 基于MATLAB/Simulink軟件平臺的不同方案諧波治理的電壓畸變率曲線

可以看出，在沒有采取任何分布式諧波治理措施時，配電網中的電壓畸變率出現不同程度的波動，電壓畸變率平均值約8.901%，大于配電網電壓畸變率5%的限制要求；采用普通逆變器處理后，配電網中的電壓畸變率出現不同程度的波動，但區域節點的諧波電壓畸變率得到較為良好的改善，電壓畸變率平均值約4.486%，但仍存在部分電壓畸變率大于配電網電壓畸變率5%的限制要求；采用多功能逆變器處理后，配電網中的電壓畸變率出現不同程度的波動，但區域節點的諧波電壓畸變率得到全面改善，電壓畸變率平均值約1.906%，遠小于電壓畸變率5%的要求，表明采用多功能逆變器可以對配電網內外分布式諧波進行有效控制。

4 結論

1）多功能逆變器的主要控制節點分為3個部分，分別為分布式資源的輸入控制、目標諧波補償電流生成控制和逆變器并網控制。目標優化時，通過將容量限制問題轉換為最大輸出電流問題，可以對逆變器電壓穩定運行起到同等效果的保護作用，而且多功能逆變器最大輸出電流更加易于計算和操作，達到了控制策略的快速有效實現。

2）基于MATLAB/Simulink軟件平臺對3種諧波治理方案進行對比，結果表明在沒有采取任何分布式諧波治理措施時，配電網中的電壓畸變率平均值約8.901%；采用普通逆變器處理后，區域節點的諧波電壓畸變率得到較為良好的改善，平均值約4.486%；采用多功能逆變器處理后，區域節點的諧波電壓畸變率得到全面改善，平均值約1.906%。