分布式光伏與充電樁諧波交互影響研究

摘 要：在新型配電網(wǎng)背景下，針對(duì)分布式光伏與電動(dòng)車充電樁的并網(wǎng)問題，對(duì)充電樁產(chǎn)生的諧波機(jī)理進(jìn)行深入剖析，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型，揭示了分布式光伏并網(wǎng)對(duì)充電樁諧波產(chǎn)生的交互影響。最后，利用PSCAD/EMTDC軟件搭建了充電樁與分布式光伏的模型，并接入IEEE 14節(jié)點(diǎn)配電網(wǎng)模型中，在不同接入節(jié)點(diǎn)、充電樁數(shù)量和分布式光伏容量的條件下，系統(tǒng)地研究充電樁并網(wǎng)與光伏并網(wǎng)在諧波交互方面的影響規(guī)律，為諧波源并網(wǎng)準(zhǔn)入政策的制定提供了參考。

關(guān)鍵詞：新型配電網(wǎng)；分布式光伏；充電樁；PSCAD建模；諧波交互影響

中圖分類號(hào)：TM615；TM910.6" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）06-0016-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.06.005

0" " 引言

屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)工作的整縣推進(jìn)與充電站的大規(guī)模發(fā)展，有利于能源結(jié)構(gòu)由以化石能源為主體向以新能源為主體的轉(zhuǎn)型升級(jí)，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”國家重大戰(zhàn)略的重要措施。

但光伏和充電樁并網(wǎng)時(shí)，無論是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器還是充電樁中的整流器都會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。已有專家學(xué)者針對(duì)單一的光伏并網(wǎng)或者充電樁并網(wǎng)帶來的諧波影響進(jìn)行理論分析和仿真，文獻(xiàn)[1]建立了6脈波、12脈波和PWM整流充電樁模型，并研究了同時(shí)投入與不同時(shí)投入、投入不同數(shù)量以及不同充電模式下的充電樁并網(wǎng)諧波輸出特性；文獻(xiàn)[2]建立了諧波諧振數(shù)學(xué)模型，定量分析了光伏接入時(shí)諧波放大系數(shù)與輸電線距離、諧波次數(shù)、諧波類型等參數(shù)的關(guān)系；文獻(xiàn)[3]分析了光伏并網(wǎng)對(duì)配電網(wǎng)電壓偏移、電壓波動(dòng)和諧波的影響，并在PSCAD/EMTDC軟件中搭建了仿真模型；文獻(xiàn)[4]搭建了光伏系統(tǒng)仿真模型，分析了變光照強(qiáng)度下的光伏發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性。上述文獻(xiàn)分別分析了光伏發(fā)電或者充電樁單個(gè)系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，但是這兩者同時(shí)并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的交互影響卻鮮有涉及。

本文開展分布式光伏背景下充電站接入對(duì)新型配電網(wǎng)的影響研究，深入研究充電樁本身諧波輸出特性與分布式光伏諧波輸出特性之間的交互作用，為解決分布式光伏與充電樁并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波交互影響的問題提供參考依據(jù)，對(duì)改善電網(wǎng)電能質(zhì)量有著重要意義。

1" " 充電樁原理及諧波產(chǎn)生機(jī)理

充電樁基本工作原理：三相交流經(jīng)過6脈波不控整流電路進(jìn)行整流，通過濾波電路進(jìn)行濾波，然后通過高頻DC/DC變換器轉(zhuǎn)變成適合電動(dòng)車的電力，并被作為直流輸入供電，以對(duì)電動(dòng)汽車的電池充電。由于充電樁在工作時(shí)輸出電壓不是恒定的，所以在模擬過程中，可以使用時(shí)變電阻來等效功率變換模塊。

忽略電網(wǎng)和變壓器的影響，充電樁的諧波主要來源于整流器。由于本次研究是以6脈波不控整流充電樁為對(duì)象，下面分析6脈波不控整流器的諧波產(chǎn)生機(jī)理。假設(shè)充電樁三相輸入電壓為：

式中：U為三相電源電壓的有效值；ω為角頻率；t為時(shí)間。

考慮到并網(wǎng)側(cè)電流具有三相對(duì)稱特性，可以任意選擇一個(gè)相位來研究電流諧波規(guī)律。以a相為例，對(duì)其電流進(jìn)行傅里葉展開分析，則a相電流為：

式中：Id為電網(wǎng)電流有效值；I1為基波電流有效值；In為第n次諧波電流有效值；k為正整數(shù)；n為諧波次數(shù)。

由式（2）可以看出，6脈波不控整流產(chǎn)生的諧波電流主要是6k±1次，并且各次諧波的有效值會(huì)隨著其次數(shù)的增加而逐漸降低。

2" " 光伏接入充電樁諧波交互影響

理論上來說，光伏系統(tǒng)作為一種非線性電源，其輸出電流含有諧波成分，當(dāng)光伏系統(tǒng)與充電樁并網(wǎng)時(shí)，光伏系統(tǒng)輸出的諧波電流會(huì)通過電網(wǎng)傳輸?shù)匠潆姌断到y(tǒng)中。隨著光伏容量的增加，諧波電流的幅值也會(huì)增加。這些諧波電流與充電樁系統(tǒng)中的線路、電氣設(shè)備以及其他電力設(shè)備發(fā)生作用，進(jìn)而在充電樁系統(tǒng)中引起諧波扭曲。由于充電樁的容量相對(duì)于光伏來說影響較小，因此，僅對(duì)光伏背景下的充電樁諧波進(jìn)行分析。

2.1" " 單光伏接入充電樁交互影響分析

單光伏背景下充電樁諧波交互影響可以建立數(shù)學(xué)模型，從而揭示光伏系統(tǒng)在諧波電流源接入后的影響機(jī)理。文獻(xiàn)[5]中光伏接入超高次諧波影響，建立的模型如圖1所示，模型中包含濾波環(huán)節(jié)的光伏系統(tǒng)等效為內(nèi)阻無窮大的諧波電流源。

為了更好地對(duì)模型進(jìn)行分析，現(xiàn)將光伏與充電樁模型進(jìn)行簡化。如圖2所示，光伏等效的無窮大諧波電源左側(cè)等效為系統(tǒng)阻抗與線路Zi等效h次阻抗的并聯(lián)，光伏等效的無窮大諧波電源右側(cè)就可等效為負(fù)荷和充電樁等效h次諧波阻抗的并聯(lián)，則Zs，h和ZL，h可表示為：

式中：Zi，h為線路Zi等效h次阻抗；Zh，h為充電樁等效h次諧波阻抗；ZLi，h為負(fù)荷等效h次諧波阻抗。

光伏與充電樁模型中等效h次諧波阻抗ZLi，h？垌Zi，h，且Zh，h？垌Zi，h，可得ZL，h？垌Zs，h，故光伏產(chǎn)生的各次諧波電流大部分流向系統(tǒng)，而僅有一部分作用于負(fù)荷和充電樁，因此，即使很高容量的充電樁并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的諧波電流很大，也僅有一部分會(huì)影響其他充電樁。

2.2" " 多光伏（大容量光伏）接入充電樁交互影響分析

本節(jié)在多光伏背景下探究分布式光伏對(duì)充電樁的交互影響規(guī)律。如圖3所示，在單光伏和充電樁等效并網(wǎng)模型中增加光伏的數(shù)量，得到多光伏和充電樁等效模型。

根據(jù)疊加原理，通過計(jì)算能夠得到多光伏并網(wǎng)時(shí)負(fù)荷側(cè)即充電樁側(cè)和其他負(fù)荷側(cè)的電流，計(jì)算公式如下：

式中：Ig，h為流入負(fù)荷側(cè)的h次諧波電流；Ipvi，h為第i個(gè)光伏并網(wǎng)h次諧波電流。

由公式（4）分析可得，流入負(fù)荷側(cè)的諧波電流幾乎只與光伏并網(wǎng)時(shí)諧波電流幅值及相位相關(guān)，換一種說法就是負(fù)荷側(cè)電流矢量相加，而疊加結(jié)果受相位影響。因此，可以推斷出分布式光伏并網(wǎng)使充電樁并網(wǎng)側(cè)各次諧波電流出現(xiàn)可能相互助增也可能相互助減的現(xiàn)象。

3" " 算例分析

本文以IEEE 14節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，其分為兩塊區(qū)域：10 kV和0.4 kV。IEEE 14節(jié)點(diǎn)配網(wǎng)模型如圖4所示。鑒于選用的分布式光伏容量和充電樁功率較小，兩者的并網(wǎng)點(diǎn)均選用0.4 kV的節(jié)點(diǎn)。

3.1" " 光伏并網(wǎng)對(duì)充電樁的影響

3.1.1" " 不同光伏并網(wǎng)點(diǎn)

表1為五種情況（光伏接入BUS14、BUS13、BUS12、BUS6和未接入）下各次諧波電流大小和占比，可以看出，當(dāng)充電樁與分布式光伏的接入點(diǎn)相同（BUS14）時(shí)，其2次、3次諧波電流甚至超過了基波電流，這是由于0.5 MW的分布式光伏并網(wǎng)側(cè)電流很大甚至達(dá)到千安級(jí)，對(duì)充電樁的影響更大，正如2.1節(jié)理論分析中所言，分布式光伏單一作用于充電樁也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

由于光伏并網(wǎng)時(shí)各次諧波電流隨著次數(shù)降低占比也逐漸減少，光伏并網(wǎng)對(duì)充電樁并網(wǎng)電流影響較大的集中在基波、2次、3次、5次和7次諧波上。從表1數(shù)據(jù)明顯反映出來，除了接入同一點(diǎn)（BUS14）因?yàn)楣?jié)點(diǎn)負(fù)荷被光伏占用導(dǎo)致充電樁并網(wǎng)電流太小，其余情況下光伏接入點(diǎn)越遠(yuǎn)，2次和3次諧波越小，但5次、7次和13次諧波不斷增大。由此可以推斷光伏對(duì)充電樁并網(wǎng)的2次和3次諧波起增強(qiáng)的作用，對(duì)充電樁本身的主要諧波有削弱作用，并且隨著距離的增加，這種作用逐漸減小。隨著分布式光伏并網(wǎng)點(diǎn)與充電樁并網(wǎng)點(diǎn)距離的增大，充電樁并網(wǎng)電流的畸變也越來越小。

3.1.2" " 不同容量光伏

由表1、2和3中不同接入點(diǎn)不同容量充電樁并網(wǎng)電流可知，隨著分布式光伏并網(wǎng)的容量的增加，充電樁并網(wǎng)基波、2次、3次諧波不斷增加，但不隨著分布式光伏容量增加的倍數(shù)而成比例地增加；充電樁單獨(dú)并網(wǎng)時(shí)的主要諧波5次、7次和13次諧波減少。此外，隨著距離的增加，分布式光伏容量對(duì)充電樁并網(wǎng)時(shí)的電流影響減小，這與理論分析和3.1.1中分布式光伏不同接入點(diǎn)充電樁并網(wǎng)側(cè)電流規(guī)律是相吻合的。

3.2" " 充電樁對(duì)光伏并網(wǎng)的影響

3.2.1" " 不同充電樁并網(wǎng)點(diǎn)

表4為四種情況（充電樁接入BUS14、BUS13、BUS12和未接入）下分布式光伏各次諧波電流大小和占比，可以觀察到，當(dāng)充電樁與分布式光伏的接入點(diǎn)相同（BUS14）時(shí)，分布式光伏并網(wǎng)電流受充電樁影響最大，其基波電流、2次、3次及其他各次電流與無充電樁并網(wǎng)時(shí)相比較都有一定量的減少，且隨著充電樁并網(wǎng)位置逐漸遠(yuǎn)離分布式光伏，影響的作用減小。此外，隨著充電樁并網(wǎng)位置與分布式光伏并網(wǎng)位置相距越來越遠(yuǎn)，分布式光伏并網(wǎng)側(cè)電流的畸變率越來越小，電流逐漸接近于無充電樁并入電力系統(tǒng)時(shí)的狀態(tài)。

3.2.2" " 不同數(shù)量充電樁

由表4、5和6中不同接入點(diǎn)、不同數(shù)量充電樁并網(wǎng)電流情況可知，當(dāng)充電樁和分布式光伏位于同一點(diǎn)BUS14時(shí)，分布式光伏并網(wǎng)側(cè)基波電流隨著充電樁數(shù)目增加而減小，由此可以推斷出隨著充電樁的數(shù)目的增加，分布式光伏的基波電流是逐漸下降的。此外，根據(jù)表中數(shù)據(jù)分析可得，分布式光伏并網(wǎng)側(cè)各次諧波電流和并網(wǎng)側(cè)電流畸變率隨著充電樁數(shù)目增加而增大。

4" " 結(jié)束語

本文通過在PSCAD中搭建分布式光伏和充電樁并網(wǎng)模型，研究分布式光伏和充電樁并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的交互影響。研究主要涉及兩個(gè)方面，一個(gè)是充電樁接入電網(wǎng)中單一節(jié)點(diǎn)，改變分布式光伏并網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)和容量，探究分布式光伏對(duì)充電樁的影響；另一個(gè)是分布式光伏并入電網(wǎng)中一個(gè)節(jié)點(diǎn)，改變充電樁并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和數(shù)量，探究充電樁對(duì)分布式光伏的影響。研究成果可為基于分布式光伏的新型電網(wǎng)背景下充電樁并網(wǎng)諧波治理提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)于諧波源并網(wǎng)準(zhǔn)入政策的制定提供參考。

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收稿日期：2023-11-07

作者簡介：董淑海（1994—），男，江蘇連云港人，助理工程師，研究方向：新型電力系統(tǒng)運(yùn)行。

基金項(xiàng)目：國網(wǎng)江蘇省電力有限公司連云港供電公司科技項(xiàng)目（SGJSLY00GDJS2311151）