淺析分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)諧波影響及治理

王鏡植　劉姿　宋啟揚(yáng)　徐佳棟

【摘 要】并網(wǎng)逆變器諧波的治理對(duì)分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的推廣具有重大的意義。本文介紹了電力諧波的定義，危害；闡述了諧波的產(chǎn)生機(jī)理；分析了傳統(tǒng)諧波治理措施的優(yōu)缺點(diǎn)；并簡述了部分新的治理策略，具有一定的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】分布式光伏發(fā)電；諧波危害；治理策略

中圖分類號(hào)： TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）04-0131-002

A Brief Analysis of the Influence and Governance of Distributed Photovoltaic Power Grid

WANG Jing-zhi LIU Zi SONG Qi-yang XU Jia-dong

（Physical engineering college of zhengzhou university，zhengzhou henan 450000，China）

【Abstract】The governance of the grid-connected inverter is of great significance to the distribution of distributed photovoltaic power generation.This paper introduces the definition and harm of power harmonics.The generation mechanism of harmonics is described.The advantages and disadvantages of traditional harmonic control measures are analyzed.It also introduces some new management strategies，which has certain guiding significance.

【Key words】Distributed photovoltaic power generation；Harmonic damage；The governance policies

0 引言

伴隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)油氣能源的大量使用，使之面臨枯竭，開發(fā)清潔的新型能源成為世界各發(fā)達(dá)國家研究的熱點(diǎn)。太陽能清潔無污染又取之不盡用之不竭的優(yōu)點(diǎn)使之成為了新型能源中最大的亮點(diǎn)[1-3]。目前光伏發(fā)電有兩種形式：集中式光伏發(fā)電、分布式光伏發(fā)電。集中式光伏發(fā)電占地面積大、輸送困難、輸電線路損耗多，但是分布式光伏就可以很好的解決這些問題，因?yàn)榉植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)遵循就近發(fā)電、就近并網(wǎng)、就近轉(zhuǎn)換、就近使用的原則。分布式光伏系統(tǒng)包括：光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)、控制器、變壓器等。作為新興產(chǎn)業(yè)，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)還存在許多問題，其中并網(wǎng)過程中由于逆變器的非線性工作使輸出電流攜帶了大量的諧波[2-5]，嚴(yán)重影響了發(fā)電的質(zhì)量，同時(shí)污染了電網(wǎng)的電能，對(duì)各種電力設(shè)施也產(chǎn)生了不良影響，這些問題都亟待解決[6]。本文在調(diào)研了國內(nèi)外諸多專家學(xué)者在解決分布式光伏發(fā)電諧波問題上的成果后給出在實(shí)際應(yīng)用中可行的辦法，對(duì)國內(nèi)分布式光伏的推廣具有一定的指導(dǎo)意義。

1 諧波及諧波產(chǎn)生機(jī)理

電力系統(tǒng)中的諧波是指對(duì)周期性非正弦交流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開，在得到與基波頻率一致的分量外還存在著大與基波頻率的分量，這些分量統(tǒng)稱為諧波，并且將高于二倍基波頻率的諧波分量稱為高次諧波。又從廣義上講任何與工頻頻率不同的的成分均稱為諧波，于是又有了“分?jǐn)?shù)諧波”，“間諧波”，“次諧波”等的說法[4]。諧波產(chǎn)生機(jī)理是在直流變交流過程中，逆變器的電力電子開關(guān)以很高的頻率開與關(guān)，這種非線性工作模式導(dǎo)致輸出波形存在一定的畸變，并且逆變器中的半導(dǎo)體元件的導(dǎo)通和斷開需要一定的時(shí)間即死區(qū)時(shí)間，因此需要將不同橋臂的開關(guān)錯(cuò)開一定的時(shí)間，這樣將引入諧波[7-8]。

2 諧波的危害

電力諧波的危害體現(xiàn)在我們生活的方方面面，它影響電力輸送系統(tǒng)、影響電力保護(hù)裝置、影響家用電器，影響通訊設(shè)備，諧波對(duì)我們的生活造成了嚴(yán)重的影響。

2.1 對(duì)輸電線路的影響

輸電線路的電阻會(huì)受到電流頻率的影響，且與頻率成正比。輸電線路中由于大量諧波的存在加之集膚效應(yīng)的擴(kuò)張與放大，使電路耗損增加[8-10]，這是電力輸送過程中電能損耗較為嚴(yán)重的因素。當(dāng)電路中存在電容和電感，電路在某一頻率時(shí)會(huì)發(fā)生諧振，造成諧波電流放大，導(dǎo)致各種電力電子器件由于過壓和過流發(fā)熱甚至損壞，不僅如此，諧波對(duì)電力電纜的影響更加嚴(yán)重，電纜線路對(duì)地電容是架空電路對(duì)地電容的10—20倍，因此電纜中的電流更容易出現(xiàn)諧波諧振，導(dǎo)致電纜被擊穿[4 8 11-12]。

2.2 對(duì)繼電保護(hù)裝置的影響

電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置高度靈敏，其正常工作各項(xiàng)指標(biāo)量的確定是以電網(wǎng)基波的量設(shè)定的，諧波的各項(xiàng)指標(biāo)不同于基波，因此繼電保護(hù)裝置對(duì)諧波十分敏感，諧波的存在會(huì)導(dǎo)致繼電器誤動(dòng)，影響電力系統(tǒng)正常供電[9-11]。

2.3 對(duì)變壓器的影響

電壓器是由大量線圈纏繞而成的，諧波電流通過變壓器時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這會(huì)對(duì)變壓器造成嚴(yán)重的危害，導(dǎo)致變壓器的絕緣材料的壽命嚴(yán)重縮短，產(chǎn)生的大量的熱還會(huì)造成變壓器的銅損和鐵損增加[10]，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致變壓器燒毀，造成局部區(qū)域電力系統(tǒng)癱瘓。

2.4 對(duì)精密計(jì)量儀器儀表的影響

我國普通居民家用的電能計(jì)量儀表（電表）均是以工頻50HZ標(biāo)準(zhǔn)正弦波的參數(shù)設(shè)計(jì)的，而與工頻不一致的電力諧波導(dǎo)致電表的工作處于非正常狀態(tài)，對(duì)居民用電計(jì)量存在較大誤差。諧波產(chǎn)生戶會(huì)因?yàn)橛?jì)量的誤差少繳納電費(fèi)，而那些普通用戶卻要在諧波的影響下多繳納電費(fèi)[11]。

2.5 對(duì)音頻圖像處理設(shè)備的影響

電力電網(wǎng)中的諧波會(huì)產(chǎn)生電磁感應(yīng)現(xiàn)象，如果臨近通信線路，則電磁波會(huì)對(duì)通信訊號(hào)產(chǎn)生干擾影響話質(zhì)[13-14]，諧波還會(huì)導(dǎo)致計(jì)算機(jī)電視機(jī)圖像嚴(yán)重畸變，屏幕亮度跳變，電路板過熱等危害[11-12]。

3 諧波治理的方法

傳統(tǒng)的并網(wǎng)諧波治理方法主要有：串聯(lián)電抗器，有源濾波，無源濾波，增加整流設(shè)備的相數(shù)等[13 15]；本文主要介紹有源濾波和無源濾波兩種技術(shù)。

3.1 無源濾波器

針對(duì)分布式光伏并網(wǎng)逆變器產(chǎn)生的諧波，可以在逆變后的輸出電流線路中加置無源濾波裝置。目前無源濾波裝置是應(yīng)用最廣泛的濾波裝置之一，其突出的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，成本極低，是許多大型諧波產(chǎn)生戶的首選。主要的工作原理是將電抗器與電容器串聯(lián)起來組成LC串聯(lián)回路并聯(lián)在電網(wǎng)中，使諧波電流在電網(wǎng)和濾波器之間分流[16]，其行為模式為提供被動(dòng)式諧波電流旁路通道，要使濾波器起作用還需要將濾波器設(shè)定在特定的頻率上如：5次，7次，9次等的諧振點(diǎn)上。但是這種諧波抑制策略受電網(wǎng)的影響很大，因?yàn)橹挥袨V波電路的阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電網(wǎng)阻抗無源濾波器才能起作用，由于電網(wǎng)阻抗本來就很小，要想達(dá)到濾波條件就需要并聯(lián)多個(gè)無源濾波器，不僅如此無源濾波器還對(duì)電網(wǎng)背景諧波的變化非常敏感，背景諧波頻率稍微偏離濾波器設(shè)定頻率，濾波效果就會(huì)大打折扣[14，17]。

由于LC無源濾波器在電網(wǎng)中形成了串并聯(lián)回路，這有可能會(huì)造成電網(wǎng)中諧波電流放大，加重電流波形的畸變。

3.2 有源濾波器

有源濾波器是在無源濾波器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其濾波效果好，在額定的無功功率范圍內(nèi)濾波效果可以達(dá)到百分之百，并且它能對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償不受電網(wǎng)阻抗的影響。它的工作原理是由電力電子元件組成的電路產(chǎn)生一個(gè)與電網(wǎng)諧波同頻率同振幅但是相位相反的電流，使之與電網(wǎng)中的諧波電流相抵消。由于受到電力電子元器件的各項(xiàng)限制，加上復(fù)雜的工藝，成本極高[16-17]。

3.3 新型治理策略

除了傳統(tǒng)的諧波治理策略外，還有許多學(xué)者針對(duì)不同的方面做了大量的研究。文獻(xiàn)[18]針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)逆變器存在的共模漏電流嚴(yán)重，中點(diǎn)電位二次脈動(dòng)，轉(zhuǎn)換電壓二次諧波含量較多的問題設(shè)計(jì)了一種新型逆變器且在仿真試驗(yàn)中驗(yàn)證了其性能優(yōu)于傳統(tǒng)逆變器；文獻(xiàn)[19]從串阻式逆變器拓?fù)浼盎究刂萍軜?gòu)入手設(shè)計(jì)了死區(qū)效應(yīng)抑制策略和特定諧波抑制策略，兩種策略組合使其發(fā)揮各自長處。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該種策略使諧波含量大幅降低。文獻(xiàn)[20]從簡單的無源阻尼法入手，采用新的策略確保在有電網(wǎng)背景諧波的影響時(shí)逆變器能正常輸出標(biāo)準(zhǔn)波形。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于單周控制的治理策略，在功率輸出的同時(shí)對(duì)公共點(diǎn)處的電流諧波進(jìn)行補(bǔ)償，針對(duì)不同容量的微電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行情況，提出了多逆變器并聯(lián)分?jǐn)偪刂频目刂撇呗裕?duì)單周控制存在的問題進(jìn)行改變，在仿真模擬中也驗(yàn)證了其正確性。

4 結(jié)語

電網(wǎng)諧波的存在不僅導(dǎo)致了電能的浪費(fèi)還影響了電能質(zhì)量，因此研究諧波的治理對(duì)像分布式光伏這樣的微型電網(wǎng)的推廣以及改善國家能源結(jié)構(gòu)減少對(duì)傳統(tǒng)能源的依賴推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。諧波治理這一項(xiàng)關(guān)乎民生而又艱難漫長的工作值得我們持續(xù)關(guān)注。

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