《基于分布式电源的主动配电网定制电力技术研究》
项目总结报告
一、项目概况
1、项目来源
江苏省科技厅
2、项目名称
基于分布式电源的主动配电网定制电力技术研究
3、项目编号
BY2015070-13
4、立项时间
2015年7月
5、项目经费
50万元
6、承担单位
东南大学
7、承担人
顾伟
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8、合作企业
江苏润和软件股份有限公司
9、经费使用情况
（1）项目经费来源预算 单位：万元
合计 1、省拨款 2、部门、地方配套 3、承担单位自筹 4、其他来源 合计 50 30 0 20 0 2015年 40 30 0 10 0 2016年 10 0 0 10 0 2017年 0 0 0 0 0 备注 （2）项目经费支出预算 单位：万元
一、直接费用 1、设备费 （1）购置设备费 （2）试制设备费 （3）设备改造与租赁费 2、材料费 3、测试化验与加工费 4、燃料与动力费 5、差旅费 6、会议费 7、国际合作与交流费 8、出版/文献/信息传播/知识产权事务费 9、劳务费 10、专家咨询费 11、其他支出 二、间接费用 其中：绩效支出 合计 预算数 其中：省拨款 42 0 0 0 0 8 2 0 8 3 3 5 10 3 0 8 2 50 25 0 0 0 0 5 1 0 3 2 2 2 9 1 0 5 1.25 30 构建实验测试系统消耗的材料 软件测试费 项目调研 项目进行过程中组织小 型研讨会2次 研究生出国参加国际学生会议费用 论文版面费、专利申请费 参与项目研究工作的研究生津贴 现有仪器设备、房屋等资源占用费 项目绩效 备注 - 2 -
10、主要研究内容
项目从分布式电源接入对配电网电能质量的影响机理入手，分析了含分布式电源与储能的配电网运行特性、分布式电源稳态运行对配电网电能质量影响以及分布式电源暂态运行对配电网电能质量扰动的机理，提出了主动配电网定制电力技术，给出了各种定制电力设备的用途和工作特性。在此基础上，研究定制设备间相互作用的机理，提出了一种优化配置策略，进而对主动配电网电能质量复合控制及协调控制策略进行研究。
（1）含分布式电源与储能的配电网模型
分析了光伏发电系统、风力发电系统以及储能系统的系统构成及运行特性，并对光伏电池、光伏逆变器、风力发电机和储能系统分别进行建模，给出了光伏发电系统、风力发电系统以及储能系统的概率模型。同时，建立了非线性负荷的模型，便于对非线性负荷特性展开分析。
（2）分布式电源稳态运行对配电网电能质量影响
首先定量分析了逆变器的输出特性，得出载波与调制波各自产生的谐波分量，并对非线性负荷进行建模，在此基础上，分析分布式电源与非线性负荷谐波电流交互影响；接着对分布式电源接入后系统的谐波谐振状态进行分析，获知系统内易受激励产生谐振的母线位置、谐振状态的影响范围、谐振的传播途径等信息；之后考虑系统三相不对称运行和系统不确定性，分析分布式电源扰动对配网电压质量的影响；最后分析了分布式电源之间产生环流的机理以及应对方法。
（3）分布式电源暂态运行对配电网电能质量扰动分析
对非正常工况下分布式电源的位置、容量对配电网电压质量的影响进行研究，对负荷冲击以及三相短路状态下系统电压波动问题的传播特性进行分析和总结。之后分析了分布式电源在并离网两种运行模式切换的情况下下对配电网电能质量的影响。
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（4）含高密度分布式电源的区域配电网电能质量评估方法
对含高密度分布式电源接入的电能质量区域配电网电能质量评估方法进行研究，参与评估的电能质量指标主要包含光伏接入后对配电网有较大影响的稳态电能质量指标，包括谐波、电压波动、电压偏差、三相电压不平衡以及频率偏差。本节将首先对单指标电能质量指标评估方法进行研究，在此基础上，分析参与评估指标的赋权方法与关联度分析方法从而对电能质量进行综合评估。
（5）DFACTS技术研究
给出了DFACTS技术的定义及其对电能质量的治理措施，具体介绍了有源滤波器、动态电压恢复器和DSTATCOM的工作原理，并给出了各自的用途的工作特性，对研究DFACTS设备之间的交互影响以及优化配置奠定了基础。
（6）DFACTS装置优化配置技术
提出一种复杂网络将牵制控制思想应用在DFACTS装置优化配置技术的方法，介绍了网络的图表示和图论的三个基本统计概念，进而引出牵制控制理论，介绍其基本思想，之后结合电气距离的计算原理和计算方法，提出将基于网络凝聚度的方法应用在判断电网重要节点中，选出DFACTS装置的最佳节点，完成对配电网电能质量的集中控制。
（7）主动配电网电能质量协调控制技术
提出一种分布式电源的协调控制策略，仿照分布式电源有功功率和无功功率的下垂控制方式，提出谐波下垂的方法，使谐波功率在多台DG之间合理分配，达到充分利用DG剩余容量的目的。首先介绍了谐波下垂方法的原理，接着阐述了本文采用的复合控制策略，最后采用PSCAD/EMTDC仿真，对其功能进行验证。
（8）主动配电网电能质量复合控制技术
有源电力滤波器（APF）、动态电压恢复（DVR）、静止无功发生器（SVG）、固态切
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换开关等DFACTS装置与分布式电源（DG）都以电力电子技术和通信技术为基础。为此，本报告采用基于九开关管的分布式电源电能质量复合控制方法，对其拓扑和应用进行介绍，并进行装置的建模与仿真，并通过九开关管变流器实验平台硬件电路设计与软件程序设计进行验证。此外，提出一种具备电能质量复合控制功能的虚拟同步发电机控制策略，实现三相四桥臂并网逆变器输出基波有功和无功功率人为精确控制。首先介绍了虚拟同步发电机的控制策略，接着进行硬件在环验证，之后介绍其系统结构，并设计了基于DSP的虚拟同步发电机硬件测试平台。
二、项目实施情况
序号 1 2 3 4 时间段 2015年11月 2015年12月 2016年1月-3月 2016年4月-6月 内 容 国内外研究现状调研，确定技术路线 分布式电源与典型储能系统建模与仿真分析 分布式电源接入配电网谐波电流、谐波谐振机理分析 分布式电源接入配电网电压波动、DG并联环流机理分析 短路故障及DG并离网对配电网电能质量扰动分析 5 2016年7月-9月 分布式电源接入后的有源配电网电压暂降建模研究 冲击负荷对配电网电能质量扰动分析 6 2016年10月-12月 分布式电源接入后的有源配电网电压暂降定位方法研究 分布式电源运行模式变化对配电网电能质量影响分析 7 2017年1月-3月 含高密度分布式电源配电网电能质量评估方法研究，现场实测数据分析 8 2017年4月-6月 研究报告修改完善，资料归档整理 - 5 -
三、项目技术情况
1、研究方法
（1）针对非线性负荷条件下逆变器输出特性分析采用时域法研究DG与非线性负荷相互作用耗时较高，无法清晰标定各次谐波的形成和传播机理的问题，本项目采用频域法，在定量分析调制波含谐波分量时逆变器的输出特性和基于调制理论的非线性负荷建模上，分析分布式电源与非线性负荷谐波电流交互影响。
（2）概率潮流和不对称潮流计算分析DG接入对配网电压波动的影响时，需要考虑DG输出功率具有波动性和间歇性的特点，以及配电网三相负荷或DG配置不均衡时引起的三相不平衡问题。为此，本项目对概率潮流和不对称潮流的算法进行研究。
（3）暂态过程对配电网电能质量扰动分析在分析短路故障、分布式电源并离网以及冲击负荷接入等暂态过程中，电能质量扰动的产生机理和传播特性时需要采用合适的方法对系统进行建模。本项目采用并联电流源等效法以及动态相量法，建立系统的暂态等值模型，对暂态过程中，分布式电源的位置、容量对配电网电压质量的影响进行研究。
（4）为了对电网中电能质量指标建立起一个有效、客观、全面的评估体系，首先对单指标电能质量指标评估方法进行研究，并针对现有的电能质量模糊评估方法不能反映数据本身特点，且在处理数据上较为复杂的问题，本报告采用基于灰色理论的电能质量综合评估来对监测数据进行评估。在此基础上，分析参与评估指标的赋权方法与关联度分析方法，从而对电能质量进行综合评估。
（5）对于配电网中电能质量问题改善策略的研究主要集中在采用单个DFACTS装置来改善配电网局部电能质量问题上，未能考虑配电网中多台及多种DFACTS装置全系统协调配合运行以取得较好控制效果的问题，也未涉及优化配置多台及多种DFACTS装置以改善
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电能质量、降低系统投资成本的研究。本项目将牵制控制理论应用在电能质量管理中，提出一种基于凝聚度的判断节点的重要程度的方法，选出DFACTS装置的最佳安装点，实现DFACTS装置的优化配置。
（6）主动配电网含有大量非线性负荷，本地DG必须采用适当的控制策略，以消除本地非线性负荷所产生的谐波电流对配电网的影响。但是各台DG的额定容量以及剩余容量有所差异，目前传统下垂控制只能实现有功功率在多台DG之间的分配，为了充分利用其剩余容量，需要在各DG间无交互通信的以保持系统稳定。本项目使用谐波下垂理论，实现对多台DG的协调控制。对逆变型分布式电源进行复合控制并合理分配谐波功率。
（7）为了提高现有电能质量补偿装置的应用范围，降低装置成本，实现小型化、低损耗、高可靠性的目标，本项目研究了基于九开关管的分布式电源复合控制技术。首先介绍了九开关管变流器的拓扑结构、开关信号调制方法和输出电流控制算法，接着在Matlab/Simulink仿真软件中，分别对九开关管变流器的两个输出端口进行建模与仿真，根据九开关管变流器的自身特点，分别设计制造了九开关管变流器实验平台的采样电路、驱动电路以及主控电路，最后通过使用DSP与FPGA双处理器的方式，增强了主控电路的处理能力与速度，实现对九开关管变流器主电路的控制。
（8）目前虚拟同步机大多仅通过控制有功、无功功率的动态输出向电网提供惯性与阻尼支撑，参与电网调压调频，功能较为固定，没能充分发挥电力电子设备控制灵活的特点。为此，本项目提出一种具备电能质量复合控制功能的虚拟同步发电机控制策略，采用虚拟阻抗控制，实现三相四桥臂并网逆变器输出基波有功和无功功率人为精确控制，使虚拟同步机具备谐波、不平衡电流、无功补偿功能，不仅扩展虚拟同步机的功能与应用场景，同时减少配电网中电能质量治理设备投资。
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2、技术路线
分布式电源接入配电网电能质量分析模型建立模型建立DGDG稳态运行稳态运行双重傅里叶双重傅里叶变换变换模态分析法模态分析法不对称潮流不对称潮流概率潮流概率潮流环环 流流DGDG并离网并离网短路故障短路故障DGDG暂态运行暂态运行电能质量评估方法电能质量评估方法光伏发电光伏发电风力发电风力发电储能储能非线性负荷非线性负荷谐波电流谐波电流谐波谐振谐波谐振电压质量电压质量冲击负荷冲击负荷并联电流源并联电流源等效法等效法单指标单指标灰色系统灰色系统理论理论组合赋权法组合赋权法动态相量法动态相量法综合指标综合指标主动配电网电能质量复合控制技术DFACTSDFACTS技术措施技术措施DFACTSDFACTS装置优化配置技术装置优化配置技术复杂网络理论复杂网络理论牵制控制牵制控制电能质量协调控制及复合控制电能质量协调控制及复合控制有源滤波器有源滤波器电能质量电能质量协调控制协调控制谐波下垂法谐波下垂法九开关管九开关管变流器变流器虚拟同步虚拟同步发电机发电机动态电压恢复器动态电压恢复器基于凝聚度的节点重要程度基于凝聚度的节点重要程度判断方法判断方法电能质量电能质量复合控制复合控制DSTATCOMDSTATCOMAPFAPF最优点选取最优点选取
图1 项目整体技术路线图
3、项目成果
（1）理论研究成果
本项目针对主动配电网电能质量复合控制技术展开研究，在大量理论分析与建模仿真基础上，取得的主要结论如下：
（1）从光伏、风力、储能等多种分布式电源模型着手，分析验证了分布式电源对配电网电能质量单独作用产生的影响。未发生过调制时，低频段分量仅与调制波相对应。发生过调制时，逆变器将输出新的基带低次谐波，且调制度M越大，所产生的低次谐波分量也
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就越大。
（2）分析验证了典型非线性负荷对配电网电能质量单独作用产生的影响。非线性负荷对电流影响只与非线性负荷的特性有关，而与线路阻抗无关，非线性负荷对电网电压的影响与非线性负荷的特性和线路阻抗均有关。
（3）在定量分析调制波含谐波分量时逆变器的输出特性和基于调制理论的非线性负荷建模上，分析分布式电源与非线性负荷谐波电流交互影响。对于电压源型DG，随电气距离增大，DG端电压的基波分量不变，但谐波分量减小；负载端电压的基波分量略有减小，但谐波分量增大。对于电流源型DG，随电气距离增大，DG端电压与负载端电压谐波均增大；随DG距离增大，负载端电压谐波保持不变；随负载距离增大，DG端谐波不变，负载端谐波增加。
（4）建立了多点/多元分布式电源与非线性负荷协调工作模型，考虑大量非线性负荷接入含分布式电源的配电网，运用模态分析法有效分析谐波谐振，获取了多点/多元分布式电源与非线性负荷交互改变电能质量机理。对于较低频率的谐振模态，位于线路末端DG的参与因子最大；对于较高频的谐振模态，使用较高谐振频率LC滤波器的DG参与因子最大。 （5）考虑分布式电源出力的随机性和波动性以及节点负荷功率的不确定性，利用概率不对称潮流算法，揭示了分布式电源和负荷的功率波动与配电网电压波动和不平衡之间的关系，接入DG后，各节点电压幅值均有不同程度的抬升，若节点越靠近DG的接入位置，则电压抬升的越明显
（6）对包括故障、负荷冲击和并离网的非正常工况下，分布式电源的位置、容量对系统电压的影响的传播规律进行了分析和总结。短路情况下，系统各节点电压都有一定程度的降落，线路首端电压下降最少，其次是线路中端电压，线路末端电压下降最为严重；冲击负荷接入情况下，当其靠近故障点时，DG位置对各节点电压波动值影响均不大；接在中
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端时，对本节点和下游节点的影响较大，对上游影响较小。接在末端时，对末端节点影响较大，从末端到首端影响逐次降低；DG对电网电压有稳定作用，较大容量的DG对末端节点电压的稳定作用明显，且当DG和冲击负荷同接在线路末端时的稳定作用最好。 （7）在研究DFACTS设备间相互作用机理以及对配电网的影响的基础上，提出一种复杂网络将牵制控制思想应用在电网电能质量治理的方法。比较了选取网络中不同节点安装电能质量治理装置时整个网络的电压畸变情况，结果表明，通过对此方法计算得到的最为重要的若干个节点进行电能质量质量确实能使整个网络的电压波形达到最佳的状态。 （8）对分布式电源复合控制中的谐波分配效果进行了仿真验证。实验结果表明，当采用相同的下垂参数时，谐波功率可以在两台分布式电源之间实现均分，对并网点的电流和电压波形均有较理想的治理效果；当采用成比例的下垂参数时，谐波功率可以按照额定谐波功率在两台分布式电源之间成比例进行分配，对谐波的治理效果也比较好。
（9）介绍了九开关管变流器实验平台的系统结构，并在此基础上开展硬件电路设计和软件测试程序设计，硬件电路系统主要由采样电路、主控板电路、驱动板电路等构成，软件测试程序设计部分主要就主处理器DSP与协处理器FPGA之间的任务分配和各自实现流程展开介绍。实验波形显示，在调制信号中加入适当的直流偏置可使上下两个端口正常输出而不相互干扰，同时验证了准PR控制对指定频率的交流信号跟踪效果良好，逆变器和APF端口都完成了预期的功能，实现了对电能质量的复合控制。
（10）利用RTLAB对虚拟同步机进行了硬件在环测试，验证了VSG能够有效补偿负载电流中的谐波、无功以及不平衡电流成分，并设计了基于DSP的VSG硬件测试平台，实现了基于虚拟同步机的分布式电源电能质量复合控制。
（2）装备研发成果
1、装置名称：主动配电网电能质量复合控制装置
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2、装置照片：
3、装置概况：
额定输入线电压 额定容量 电网频率 整机效率 电网结构 电流互感器 冷却方式 噪音 安装尺寸 380V(-40%-+20%) 50A 50×(1±2%)Hz ≥97% 三相三线、三相四线 150/5 强制风冷 ≤65dB(A)（1米以外） 60×800×2200(mm) 4、装置测试情况：
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 测试项目 谐波补偿 无功补偿 不平衡补偿 滤波范围 滤波次数选择 滤波程度 滤波能力 快速响应时间 要求 支持 支持 支持 2-50次 2-50次任意次数可选 2-50次任意次数可调 THDi（电流畸变率）＜5% ＜50μs 结论 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 合格 备注 - 11 -
9 10 全响应时间 目标功率因数 ＜10ms 从-1-1可调 合格 合格 ＜5ms 4、创新点
（1）使用频域传递函数，建立分布式电源的诺顿等效模型，并使用模态分析法，研究多分布式电源交互影响下配网谐波谐振的传播机理。
（2）基于动态相量模型，分析负荷冲击、故障、并离网切换等暂态过程中，配电网暂态电能质量扰动产生机理和传播途径。
（3）采用主观改进AHP法和客观熵值法相结合的组合赋权法确定电能质量各单项指标的权重，既能反映专家的意见，又能反映电能质量的实际情况。
（4）提出将复杂网络牵制控制的思想应用在DFACTS装置优化配置的问题上，采用一种基于凝聚度的方法判断电网中节点的重要程度，通过对重要节点进行优先治理使网络电能质量总体水平达到最佳。
（5）针对谐波功率在多台分布式电源之间进行合理分配的问题，研究了一种对谐波功率进行下垂控制的方法，实现电能质量的协调控制。
（6）实现了一种基于新型装置——九开关管变流器的电能质量复合控制方案，提高了现有电能质量补偿装置的应用范围，降低装置成本，实现小型化、低损耗、高可靠性的目标，可较好适应电能质量装置的发展趋势。
（7）实现一种适应于非理想电网条件的具备电能质量复合控制功能的虚拟同步发电机控制策略，在模拟同步发电机输出特性的同时，具备在非理想电网条件下（三相电压不平衡）谐波电流、不平衡电流与无功补偿的功能。
四、合同任务指标完成情况
本项目从2015年7月开始启动，从分布式电源接入对配电网电能质量的影响机理入手，
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分析了含分布式电源与储能的配电网运行特性、分布式电源稳态运行以及暂态运行对配电网电能质量扰动的机理，并提出电能质量指标的综合评估方法；提出了主动配电网定制电力技术，给出了各种定制电力设备的用途和工作特性。在此基础上，研究定制设备间相互作用的机理，提出了一种优化配置策略，进而完成对主动配电网电能质量的协调控制，最后实现了分布式电源的复合控制方法，对其硬件电路设计与软件程序设计进行验证。
项目形成《基于分布式电源的主动配电网定制电力技术研究》专题报告1份，共申请发明专利6项，发表论文6篇，研制分布式电源并网与电能质量复合电能质量复合装置样机1台。
本项目达到了本任务的主要研究内容、技术经济指标和最终成果形式要求。
五、项目绩效分析
项目从分布式电源接入对配电网电能质量的影响机理入手，分析了含分布式电源与储能的配电网运行特性、分布式电源稳态运行对配电网电能质量影响以及分布式电源暂态运行对配电网电能质量扰动的机理，提出了主动配电网定制电力技术，给出了各种定制电力设备的用途和工作特性。在此基础上，研究定制设备间相互作用的机理，提出了一种优化配置策略，进而提出了一种主动配电网电能质量复合控制及协调控制策略。理论研究紧密围绕产业发展需求，装备及系统的开发符合企业的需要，对企业的转型升级提供了技术保障。
六、存在问题、有关建议及下一步研究设想
（1）本项目关于分布式电源接入对配电网电能质量影响机理的研究侧重于对研究方法的原理进行阐述，所搭建的验证系统结构较为简单、节点数较少，仍需要对 研究方法进行系统验证。
（2）本项目关于 DFACTS 装置的优化配置的方案仅在有源滤波器进行谐波治理的情景
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下进行了仿真验证，还可对其他 DFACTS 装置的相互作用机理以及优化配置方案进行研究。
（3）本项目对九开关管变流器同一桥臂三路开关信号的逻辑关系研究有待深入，对直流侧电压的利用率的优化可进一步研究；九开关管变流器功能设置灵活多变，具有很强的开发潜力与应该前景，本项目对其功能的设定仅为并网发电和谐波治理，显得较为单一，可以利用端口实现更多功能适应更多不同的情况。
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项目总结报告
