分布式电源并网的谐波问题分析
2018-03-01 10:13 [电力论文] 来源于：亚洲电能质量联盟 作者：张璐 朱永强
导读：大规模分布式新能源经变流器接入电网，对电力系统谐波问题的分析研究带来了新的挑战。本文针对分布式电源并网产生的谐波问题，本文研究了其产生原因及抑制方法。首先介绍谐波的含义及其危害，然后分析了分布式电源并网产生谐波的原因，以及分布式电源并网产
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大规模分布式新能源经变流器接入电网，对电力系统谐波问题的分析研究带来了新的挑战。本文针对分布式电源并网产生的谐波问题，本文研究了其产生原因及抑制方法。首先介绍谐波的含义及其危害，然后分析了分布式电源并网产生谐波的原因，以及分布式电源并网产生的谐波与传统电网谐波的不同之处，最后重点分析谐波的抑制措施，阐述了各种措施的原理、具体实施方法及优缺点。
引言
为了实现能源的就地开发与利用，减少远距离输电损耗，一种高效、环保、灵活的新型发电技术——分布式发电（DG），成为智能电网中一项重要的组成部分。分布式发电属于接入配电网的小规模发电系统，并网后会对电网的电能质量产生潜在影响，目前对分布式电源接入产生的各种电能质量问题的总体论述较多，而对谐波问题的专题讨论不多，本文将对分布式电源接入的谐波问题进行研究，首先介绍谐波的含义及其危害、分布式电源并网产生的谐波，之后重点分析谐波的抑制措施。
1谐波的含义及危害
任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表示，如图1所示。也就是说，当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基波频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。其中，频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅里叶级数。
图1畸变波形的Fourier级数表示
在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数
式中
-ω1工频（即基波）的角频率，rad/s；
-h谐波次数；
-Uh、Ih分别为第次谐波电压和电流的均方根值，V，A；
-αh、βh分别为第次谐波电压和电流的初相角，rad；
谐波的危害主要表现在对电力的影响和对信号的干扰。其中几个比较主要的方面包括：
（1）对变压器的影响
变压器在基波频率时的损耗最小，负荷电流含有谐波时，将在三个方面引起变压器发热的增加：
a.均方根值电流
如果变压器容量正好与负荷容量相同，那么谐波电流将使得均方根值电流大于额定值。总均方根值电流的增加会引起导体损耗增加。
b.涡流损耗
涡流是由磁链引起的变压器的感应电流。感应电流流经绕组、铁芯以及变压器磁场环绕的其它导体时，会产生附加发热。这部分损耗以引起涡流的谐波电流的频率的平方增加。因此，该损耗是变压器谐波发热损耗的重要组成部分。
c.铁芯损耗
考虑谐波时，铁损的增加取决于谐波对外加电压的影响以及变压器铁芯的设计。电压畸变的增加将使得铁芯叠片中涡流电流增加，总的影响取决于铁芯叠片的厚度以及钢芯的质量。由谐波引起的这部分损耗的增加，与前两种情况下相比通常较小。
（2）对电机的影响
在电机末端的谐波电压畸变，在电机里表现为谐波磁链。谐波磁链对电机转矩没有太大影响，但是它以与转子同步频率不同的频率旋转，在转子中感应出高频电流，其影响类似于基波负序电流的影响。谐波电压畸变将引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声。
（3）谐波对电能计量的影响
谐波的影响使少计的电量远大于多计的电量，两者的差额主要表现为供电线损率有所增大。
（4）谐波对电容器的影响
在具有并联电容器补偿的系统中，系统阻抗在某一频率下可能与并补电容器发生谐振，从而引起谐波源注入系统和电容器组谐波电流的放大，对系统和电容器组产生严重影响。
（5）谐波对通讯的干扰
除了对通讯系统产生电磁干扰，使电信质量下降，还可能使某些重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作，或者危害到功率处理器自身的正常运行。
畸变周期性电压和电流可以用总均方根值、含有率、总谐波畸变率来描述。我国通过国家标准GB/T14595－93《电能质量－公用电网谐波》对电力系统各项指标进行了限定，例如，低压电网电压总谐波畸变率低于5％。
2分布式电源并网产生的谐波
分布式电源并网产生的谐波对电网谐波研究带来了更多的挑战，下面将阐述分布式电源产生谐波的机理以及其较传统电网谐波的不同及危害。
2.1正常运行时并网逆变器输出的谐波
分布式电源并网导致大量的电力电子转换器应用到系统中，例如太阳能光伏电池、燃料电池等并网时，需通过逆变器接入交流电网；微型燃气轮机的输出是高频电压，风电机组的输出电压频率与风力机的转速有关，这些分布式电源并网往往都要经过变流器。
上述变流器是通过电力电子器件的频繁开通和关断来实现电力变换功能的，其输入输出关系具有明显的非线性特征。开关器件频繁的开通和关断容易产生一系列的谐波分量，对电网造成谐波污染。其中开关频率附近的谐波分量幅度较大，是优先需要重视的谐波分量。
2.2特殊运行情况造成的谐波
除了分布式电源正常运行时逆变器必然输出的谐波以外，三相不平衡、直流偏磁等非理想情况也会造成谐波增加。
（1）三相不平衡造成的换流器非特征谐波
三相电压不平衡使换流器的触发角不对称，换流器将产生较大的非特征谐波。以单桥换流器为例，当三相电压不平衡时，换流器除向系统产生6k±1=5，7，11，13，17，19…次特征谐波电流以外，还会产生6k±3=3，9，15，21，27，33…次非特征谐波电流。三相电压不平衡度与3、9、15次非特征谐波电流的关系如图2所示。由图可见，随着三相电压不平衡度的增加，非特征谐波电流也加大。常规换流器是以抑制特征谐波进行设计制造的。非特征谐波电流的出现对换流器的谐波治理提出了更高的要求，直接导致换流器总投资的加大。
（2）直流偏磁造成的波形畸变
各种具有铁芯的电气设备（例如变压器、电抗器等），铁心的铁磁饱和特性使其阻抗在饱和区呈现非线性。当分布式电源并网换流器输出的电流中含有直流分量时，会在变压器等包含铁心的设备中造成直流偏磁现象。发生直流偏磁时，变压器绕组电流的畸变会相当严重，会产生大量的谐波。
2.3DG谐波的特点及危害
DG谐波区别于传统电网谐波之处在于：
a）DG数量多，不同谐波源产生谐波不同，使谐波本身的产生机理、传播特性更加复杂，且更易引发谐波谐振以及稳定性问题；
b）因分布式电源离负荷近，故产生谐波对附近负荷供电质量影响更明显；
c）接入配电网电压等级低，阻抗标幺值相对大，谐波电流产生的情况下，线路两端的谐波电压更明显；
d）新能源接入使用的换流器的开关频率比传统电网的谐波频率更高。
e）DG接入电网，其参数具有较强的波动性与随机性，产生的谐波使电网参数随时变化，谐波分析噪声干扰大。
以上原因就使得分布式电源的接入对电网的谐波带来了不可忽视且复杂的影响。分布式新能源并网在带来谐波问题的同时，若能合理接入，则能与电网背景谐波相互抵消、使网络参数相互匹配，降低电网的谐波水平和谐波谐振发生的几率。
3谐波的抑制措施
为了保证电力系统的电能质量，要对分布式电源的谐波发生量进行限制。抑制谐波电流主要有两种思路：一是抑制谐波源的谐波电流发生量，一是在谐波源附近将谐波电流就地吸收或抵消。
3.1减少分布式电源的谐波输出
考虑到并网运行是分布式电源建设的重要发展方向，可以对并网的分布式电源本身及其并网接口进行优化设计，使其不产生谐波或产生的谐波在相关标准可接受的范围内。这是解决分布式电源谐波问题的最重要的方法之一。
3.1.1适当提高载波频率
对于通过电力电子变流器并网的分布式电源，脉宽调制采用更高的载波频率，以减少低次谐波的发生量。因为如果提高SPWM的载波频率，则逆变器输出电压的主要谐波也会分布在较高的频率波段。而高频谐波是可以用一套高通滤波器集中滤除的。如果载波比（载波频率与调制波频率之比）的值足够大，甚至可以省去用于处理低次谐波的交流滤波器。
但是随着载波频率的提高，会增加功率元件的开关次数和开关损耗，对功率元件和控制电路的要求更高，且逆变器的整体效率降低。因此，载波频率也不是可以任意选取的，载波比的大小有一定的限制。
为协调二者的矛盾，一般认为在中小功率的逆变器中，SPWM的载波频率取3kHz左右为宜。对于三相逆变器，为了保证逆变器三相输出电压的对称性，载波比应该取3的奇次整数倍。
3.1.2注入适当的谐波
注人适当的3次谐波分量，有时可以使PWM的性能得以提高。在正弦函数中注人一定的3次谐波以后，其调制函数可表示为
式中，M为调制比；k∈[0.1]为注入的3次谐波分量的比例系数。
由式（3）调制生成的SPWM脉冲可以将逆变器输出的线电压幅值提高15%左右，并大大改善谐波电流状况。因此，要提高电压利用率，使逆变器的输出电压和谐波特性达到一定的要求，只需要为k选取一合理的值即可。
3.1.3特定谐波消除法
特定谐波消除脉宽调制（SelectiveHarmonicElimination-PWM,SHE-PWM）的基本理论是，在电压波形的特定位置设置“缺口”，通过每半个周期间中逆变器的多次换向，恰当地控制逆变器脉宽调制电压的波形，通过脉宽平均法把逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波，以消除某些特定的谐波，实现总体谐波性能的提高。
3.2减少分布式电源的谐波输出
如果分布式电源输入到电网的电流中含有较多的谐波分量，则采用电力滤波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。根据滤波原理，电力滤波器可分为无源滤波器、有源滤波器，以及两者的组合——混合滤波器。
3.2.1无源滤波器
无源滤波装置即LC滤波器。无源滤波装置在运行中多与谐波源并联，除起到滤波作用外，还可以兼顾无功补偿的需要。
无源滤波器主要有以下几种：（1）单调谐滤波器，由电容与电感串联而成，具有与某低次谐波频率一致的谐振频率，可用来消除该低次谐波；（2）双调谐滤波器，由调谐在不同谐振频率的两组电容与电感串联而成，对应于两种谐振频率，滤波器呈现低阻抗；（3）高通滤波器，用来滤除某高次谐波及该次频率以上的谐波。
无源滤波器具有技术简单、运行可靠、维护方便、成本较低等特点，因而至今仍是应用最为普遍的谐波抑制方式。其缺点主要是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致LC滤波器过载甚至烧毁。选择合适的电容器安装地点，可有效避免与电源电抗相互作用而发生并联谐振。
3.2.2有源电力滤波器
有源电力滤波器（ActivePowerFilter,APF）是一种用于动态无功补偿和谐波抑制的新型电力电子补偿器，核心部件为逆变器（与静止同步补偿器STATCOM的结构和原理类似），具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性。
有源电力滤波器的系统构成如图7-13所示。APF采用与无源滤波器完全不同的原理，它能主动向交流电网注入补偿电流。补偿电流的幅值与负载流入电网的谐波电流大小相等，相位差180°，从而抵消谐波源所产生的谐波电流，以使谐波源产生的谐波电流不会流入公共电网。
APF对谐波的频率和幅值都能进行跟踪，可以对谐波进行实时补偿，并且补偿特性不受电网阻抗的影响。APF还能有效地解决无源滤波器存在的不足，是电力系统无功补偿、谐波治理的发展方向，因而受到广泛的重视和越来越多的应用。
有源电力滤波器可以单独使用，也可以和LC滤波器混合使用。
3.3分布式电源并网逆变器兼起补偿作用
现在的分布式电源并网逆变器大都采用PWM技术，可以向电网提供正弦波形的、功率因数为1.0的绿色电能。
受到可再生能源自然条件的影响，分布式电源的输出能量不稳定，于是造成分布式电源的实际的发电功率常常小于并网逆变器的设计容量。在实际运行中，分布式电源的并网逆变器存在很大的容量冗余。
考虑到分布式电源并网逆变器与电压型APF在结构和控制方法上有很多相似之处，可以通过适当的控制策略，使分布式电源并网逆变器在向电网输送能源的同时，还实现APF的功能，即同时向电网提供所需要的谐波电流和无功功率。这样既可以充分利用逆变器的冗余容量，又可以实现谐波和无功功率的就近补偿。
当然，分布式电源配备的电力电子转换设备不可能完全代替传统电网中改善电能质量的技术设备。但是，如果让分布式电源的并网逆变器兼起补偿作用，不仅可以提高接入点的电能质量水平，而且还能降低无源滤波器和有源滤波器的安装需求，节约大量的谐波治理投资，会带来巨大的经济和社会效益。
3.4合理接地
一旦谐波源产生了谐波，除了采用滤波器进行吸收以外，发电机组和升压变压器的接地安排，也可以在限制谐波电流方面起到很大的作用。接地点的选择可以阻塞或减少注入电力系统的三次谐波。通常频次为3的整数倍的谐波可以被限制在电源处，而不至于传播到电网中。
4结语
谐波是一项重要的电能质量指标，对于谐波的计算方法已有国家标准。分布式新能源并网产生了一些不同于传统电网的谐波特性与谐波问题。本文讨论了分布式电源接入产生的谐波问题，并且系统地探讨了：减少分布式电源的谐波输出、加装电力滤波器、分布式电源并网逆变器兼起补偿作用、合理接地，四种抑制分布式电源并网产生的谐波的方法，对于解决未来大规模分布式电源并网的谐波问题分析有一定的参考指导价值。
（编辑：东北亚） |
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