配电网分布式谐波治理的优化控制策略

柳拥军

（青岛四方阿尔斯通铁路运输设备有限公司，山东 青岛 266111）

在现代电网的发展过程中，基于常规配电送电业务的传统电网模式面临着诸多挑战，分布式发电、分布式储能等新形式不断涌现，这些大规模、间歇性且非线性负荷的分布式资源接入电网使得电网系统受到谐波的污染，甚至导致电网系统失去稳定[1]。本文在介绍配电网分布式谐波电压检测型有源电力滤波器（Voltage Detection Active Power Filter，VDAPF）治理模式的基础上，尝试运用数值仿真手段建立配电网分布式谐波模型，研究多功能逆变器在配电网分布式谐波治理中的应用效果，为实际工程分布式谐波治理提供参考[2]。

配电网分布式谐波VDAPF治理模式包含4个环节[3]，分别为逆变器设置、谐波电压检测、指令电流计算和电流跟踪控制，具体的结构原理见图1。

图1 配电网分布式谐波VDAPF治理模式

图中C为直流电源的电容器；
Cf为滤波电流的电容器；
Udc为直流电源的电压；
uG为谐波输入电压；
uh为谐波输出电压；
为谐波输出指令电压；
iG为谐波输入电流；
为谐波输出指令电流；
Lf为输出电感。从图中可以看出，配电网分布式谐波VDAPF治理模式的基本核心是在电网和大地之间设置了一个控制增益k，它的本质是电导，使得电网系统中的谐波输出电压uh转换为谐波输出指令电流i*h，为谐波提供了一个虚拟电导。

在配电网分布式谐波VDAPF治理模式中，逆变器设置环节是最为重要的环节，为此本研究采用多功能逆变器进行谐波治理。多功能逆变器的主要控制节点分为3个部分，分别为分布式资源的输入控制、目标谐波补偿电流生成控制和逆变器并网控制[4]。

在目标谐波补偿电流生成控制中，电网系统中的电压值和电流值均向逆变器中进行传输，被逆变器采集后，可以向上层控制单元输入电网的基波电压、谐波电流、逆变器容量等信息，采用全局最优算法可以求得电网各个电路中的目标谐波补偿电流，上层控制单元按照谐波补偿目标通过逆变器对电网中的非线性负荷进行补偿。在实际的谐波治理控制中，由于逆变器容量的计算和确定十分繁琐，大大增加了系统的处理成本，不利于现场技术人员进行操作，因此在实际应用中通常将逆变器容量参数替换为谐波电流的幅值。

上层控制单元可以根据多功能逆变器当前的功率值求得谐波最大电流补偿幅值，计算公式为

式中：Imax为多功能逆变器最大额定电流容许值，A；
为逆变器有功电流的幅值，A。

根据电网系统中不同频次的谐波补偿电流幅值，可计算出谐波补偿系数最大值，计算公式为

将式（2）带入谐波目标治理函数，得到的计算公式为

式中：F(xi)为谐波目标治理函数；
FTHD(xi)为总谐波电压畸变率；
λ为不同频次谐波的惩罚函数权重系数；
为谐波电压畸变率惩罚函数，其中为畸变率限值。

可求得目标谐波补偿电流，计算公式为

式中：xi为目标谐波补偿系数最优解；
ih为电网系统中的谐波电流。

为验证多功能逆变器在配电网分布式谐波治理中的控制有效性，基于MATLAB/Simulink软件平台建立配电网数值仿真计算模型，见图2。

图2 基于MATLAB/Simulink软件平台的配电网数值仿真计算模型

图2中Zdis1、Zdis2、Zdis3为阻抗，系统阻抗为（0.9+j×6.2）Ω；
DG为分布式能源；
三角形符号为非线性负荷。模型中配电网的额定电压为10 kV，针对配电网典型的非线性负荷谐波特性，输入3类谐波，分别为3×50 Hz的3次谐波、5×50 Hz的5次谐波和7×50 Hz的7次谐波。在配电网分布式谐波治理方案中，采用3种控制策略进行对比，方案一为不治理，方案二为设置普通逆变器，方案三为设置多功能逆变器。

基于MATLAB/Simulink软件平台的不同方案谐波治理的电压畸变率计算结果见图3。

图3 基于MATLAB/Simulink软件平台的不同方案谐波治理的电压畸变率曲线

可以看出，在没有采取任何分布式谐波治理措施时，配电网中的电压畸变率出现不同程度的波动，电压畸变率平均值约8.901%，大于配电网电压畸变率5%的限制要求；
采用普通逆变器处理后，配电网中的电压畸变率出现不同程度的波动，但区域节点的谐波电压畸变率得到较为良好的改善，电压畸变率平均值约4.486%，但仍存在部分电压畸变率大于配电网电压畸变率5%的限制要求；
采用多功能逆变器处理后，配电网中的电压畸变率出现不同程度的波动，但区域节点的谐波电压畸变率得到全面改善，电压畸变率平均值约1.906%，远小于电压畸变率5%的要求，表明采用多功能逆变器可以对配电网内外分布式谐波进行有效控制。

1）多功能逆变器的主要控制节点分为3个部分，分别为分布式资源的输入控制、目标谐波补偿电流生成控制和逆变器并网控制。目标优化时，通过将容量限制问题转换为最大输出电流问题，可以对逆变器电压稳定运行起到同等效果的保护作用，而且多功能逆变器最大输出电流更加易于计算和操作，达到了控制策略的快速有效实现。

2）基于MATLAB/Simulink软件平台对3种谐波治理方案进行对比，结果表明在没有采取任何分布式谐波治理措施时，配电网中的电压畸变率平均值约8.901%；
采用普通逆变器处理后，区域节点的谐波电压畸变率得到较为良好的改善，平均值约4.486%；
采用多功能逆变器处理后，区域节点的谐波电压畸变率得到全面改善，平均值约1.906%。