分布式能源配電網的諧波特性及治理研究

韶關市擎能設計有限公司 李婉霞

引言

電能從生產、傳變、傳輸到消耗四個過程均可能導致諧波的產生，諧波的存在會增加電能從產生到消費整個過程的附加損耗，導致設備過熱，降低設備效率和設備使用壽命。同時，它還將影響到保護設備動作的正確性，測控裝置及測量儀表指示和計量準確性，干擾通信系統的正常運行。

為了提高供電電能質量，減少諧波污染，人們在早期使用結構簡單、低成本的無源電力濾波器抑制諧波，但其存在的嚴重缺陷已被證實，如過濾功能受電網阻抗和頻率的影響嚴重，且與電網阻抗極易產生串/并聯諧波。

1 主動諧波管理技術

常見的光伏、風電、分布式儲能等DER都是利用三相換流器實現并網的，且它們使用的三相換流器結構和控制策略相同，常采用通過閉環控制并網的有功和無功功率的控制策略(PQ控制策略)，文中仿真基于此控制策略完成。

由于光伏和風電自身間歇、波動的特性，并網時其換流器并非工作在額定功率下，而分布式儲能要實現“削峰填谷”作用，其換流器也常工作在非額定功率下。所以，本節同時研究光伏、風電、分布式儲能等DER給ADN帶來的諧波方面的影響。主動諧波治理是從諧波源自身出發，在源頭上抑制、消除諧波，其主要的辦法如下。

1.1 運用脈沖的寬度進行調理

選用脈沖的寬度進行調理可以使整流器上的諧波削弱，將波形轉化成正弦波，在整流的過程中，其電路的模型如圖1所示，在運用脈沖的寬度進行整流時，其整流的負載不高，并且網測功率的因數是比較高的。

圖1 脈沖寬度整流的電路模型

1.2 提高變流裝置的相數和脈沖數

對變流裝置進行改造，使之形成規定的移向角，運用換流變壓器，能夠降低諧波，一般可以運用十二脈波進行電路的整流，其電路如圖2所示。

圖2 十二脈波整流電路

1.3 采用高功率因數的變流器

將變頻器設置成矩陣式的，也可以運用不同方向的變流器，這樣能夠使變流器產生的諧波向四周分散，矩陣變流器的結構如圖3所示。

該濾波器能在電網運行中吸收諧波，實現了自由功率補償機制，濾波裝置由諧波電容器和電抗器組成，并與諧波源并聯。一般來說，由周邊產生的諧波會有公用電網，可以連接到濾波器，它能及時地吸收電網運行時的諧波，但也可以實現免費的電力補償，設備的維護并不復雜。

圖3 矩陣變換器的結構圖

2 諧波檢測方法

諧波檢測辦法的實時性和精度影響有源電力濾波器的諧波管理效果，多見的諧波檢查辦法主要如下。

傳統的傅立葉FFT算法。選用快速傅立葉改換，從改換后的電流信號中除掉基波重量，再對余下重量進行反改換，即可得到諧波電流的時域信號。

改善的傅立葉級數法。其理論依據是經過傅立葉改換核算電流基波重量，從負載電流中減去基波重量。具體做法是：修正了傅立葉級數方程，得到了一個帶有滑動窗口的回歸方程，選擇了兩個不同的循環序列來存儲每個采樣子周期計算的正余弦系數，數據值實時被更新，從而正余弦的總和也得到了更新。

定期檢查方法。在此方法中，實際電路中的相負載等效于每個相的等效電導，電路中的功率以等效電導消耗，沒有其他能量損失。基于等效電導率，可以計算出當前的重量。

瞬時無功功率法。本文將相位電壓和電流轉換為兩相正交系統，計算瞬時有功功率和無功功率。低通濾波后得到直流分量，得到兩相波的電流。通過從基波中減去電流，減去基本波數，得到諧波電流。

3 諧波控制策略及其控制方法

隨著工業生產過程越來越復雜，工業負載引起的不再是單一的諧波問題，需要在抑制諧波的時候補償大量無功功率、抑制電壓閃變。同時，電力電子技術的發展也促進了諧波治理新技術的涌現。

傳統配電網通過增加電網容量裕度和調整電網結構以保證電網安全、穩定運行，高滲透率分布式能源(distributed energy resource，DER)并網容易引起電網電壓越限、雙向潮流問題。若通過調整電網結構頻繁投切分布式電源解決，成本太高；且電力負荷增長率低，增加電網容量裕度顯然不科學。

在此背景下，國內外學者提出借用信息與通信技術和控制理論實現電網的主動控制，以解決高滲透率DER接入的問題，并于2008年在國際大電網會議(CIGRE)上提出了主動配電網(ADN)的概念，指出ADN可以通過靈活的網絡結構來管理潮流。DER基本構成是:分布式電源(DG，包括光電PV、風電WPG等)、分布式儲能、可控負荷(電動汽車EV、響應負荷RL)。

3.1 工業整流負載規劃與抵償一體化技術

3.1.1 高壓側整流體系抵償技術

在進行工業整流負載規劃時，一方面盡量下降負載諧波含量和提升功率因數，另一方面思考諧波與無功綜合抵償。此種技術的特色是有載調壓使整流裝置觸發角處于較小狀態，提升功率因數，構成12脈波下降諧波。

3.1.2 低壓側整流體系抵償技術

對于電解電鍍用的大功率高頻開關電源，前級整流構造通常選用不可控整流或晶閘管相控整流方法，導致大量諧波，嚴重污染電網。傳統解決計劃是在公共母線側裝置有源濾波器組，一般來說，器件的諧波含量為5、7、11、13次，以濾除諧波，補償無功功率。被動功率濾波方法體積大、成本高、缺陷多、濾波能力有限，但簡單可靠。今天的解決方案是使用高頻PWM整流器，而不是無法控制的整流器。電解電鍍為直流電源供電，有效地降低了電網側電流的諧波含量，提高了功率因數。

4 諧波治理技術的發展趨勢

工業供電質量要求越來越高，許多分布式發電接入電網、智能電網的建造和開展等因素賦予了諧波管理技術新的開展方向和內容，主要體現在以下兩個方面。

諧波治理將在諧波源處進行。諧波主動管理技術將會得到不斷的重視，許多工業負載在進行計劃時將采納適宜的低諧波技術計劃，以降低諧波帶來的負面影響，以及管理諧波帶來的額定成本。

中高壓諧波按捺技術的前進及使用。現在在國內低壓配網(380V)側的諧波按捺技術已進入工業實用化進程，有關技術逐步成熟。但在6kV、10kV等中高壓配網諧波管理技術的使用研究還須進一步完善，特別是輸電系統的諧波抑制技術。

5 結論

電網運行的過程中，會產生大量的諧波，導致電力系統的效率下降，并會導致設備故障。因此，在電網運行管理中，通過對諧波檢測和控制，實現線性滯環電流控制和電流控制方法，如諧波檢測的過程中，可以使用傅里葉級數法和瞬時反應法，使諧波的檢測更準確。