探討新能源接入對(duì)電網(wǎng)的諧波影響

郝斐

摘要：在清潔能源穩(wěn)步發(fā)展背景下，新能源的應(yīng)用受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注，為推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，使生態(tài)環(huán)境更為健康，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活及生產(chǎn)需求，推動(dòng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，指引能源產(chǎn)業(yè)與時(shí)俱進(jìn)，新能源應(yīng)用價(jià)值可見一斑。因此本文以風(fēng)光新能源為例，對(duì)新能源接入對(duì)電網(wǎng)諧波影響及抑制措施進(jìn)行了探究，以期助推新能源行業(yè)良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：新能源;接入電網(wǎng);諧波影響

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，化石能源消耗越來越大，隨之而來的是由于化石能源燃燒排放帶來的環(huán)境污染問題，進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整已勢(shì)在必行。我國(guó)近年來通過政策和資金等多方面手段大力支持新能源的發(fā)展，各類新能源發(fā)電技術(shù)得以迅速發(fā)展和應(yīng)用。目前應(yīng)用最廣、裝機(jī)容量最大的新能源主要有風(fēng)電和光伏發(fā)電。風(fēng)電和光伏發(fā)電均屬于清潔能源，但它們?cè)诎l(fā)電過程中存在諸多問題，如能量不連續(xù)、電壓閃變、頻率波動(dòng)以及諧波污染等。基于此，為推動(dòng)電力事業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，探析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)的諧波影響及抑制措施顯得尤為重要。

1新能源發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1.1風(fēng)電的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

在我國(guó)，新疆戈壁、河西走廊、內(nèi)蒙古草原、河北北部、吉林、黑龍江、山東半島蘇湖沿海、浙江、張北、浙江、福建、廣東，這12個(gè)地區(qū)的風(fēng)力資源豐富，可以利用的風(fēng)能資源大概有3億千瓦，近岸的海域可利用的大概有7億千瓦左右。風(fēng)機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)技術(shù)不斷的得到升級(jí)，其中包括了定槳距失速調(diào)節(jié)、變速變槳距調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)形式包括：雙饋式、直驅(qū)式、混合式驅(qū)動(dòng)。

1.2光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

我國(guó)的光能比較強(qiáng)烈的地區(qū)在國(guó)家的西北和西部、西南部地區(qū)，這些地方的日照都很強(qiáng)烈，可以很好的利用光能進(jìn)行發(fā)電，可以大規(guī)模的開發(fā)太陽能。并且，在東部沿海地區(qū)，經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，高樓大廈也比較多的地區(qū)，開展了和建筑物一體化的樓頂太陽能利用，并且建設(shè)成功了光伏發(fā)電的設(shè)施。

2諧波及其危害

2.1諧波的定義

諧波是電流中所含頻率為基波整數(shù)倍的電流，從數(shù)學(xué)上說，對(duì)周期性的非正弦電流進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，所有大于基波頻率的電流即為諧波。依照傅立葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)均能展開為常數(shù)和一組共同周期的正弦與余弦函數(shù)之和。

∞

f?t??a0?ancosnωtbnsinnωt?

n?1

∞

f?t??A0An?sinnωtφ?

n?1

式中，常數(shù)項(xiàng)A0稱為f（t）的直流分量;A1sin（ωt+φ2）稱為基波;而A2sin（2ωt+φ2）、A3sin（3ωt+φ2）等依次稱為二次諧波、三次諧波等等。

在平衡的電力系統(tǒng)中，由于三相對(duì)稱，大部分偶次諧波由于被抵消而減少，主要存在的是奇次諧波。

2.2諧波危害

諧波具體危害可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：①在基波頻率低于諧波電流頻率前提下，受臨近效應(yīng)、集膚效應(yīng)影響電網(wǎng)線路輸送容量隨之減少，在諧波影響下增加渦流、磁滯損耗，使變壓器容量減少;②諧波能增加電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)電力設(shè)備損耗，削減其使用壽命，發(fā)生機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，加速設(shè)備老化，追加養(yǎng)護(hù)成本，若養(yǎng)護(hù)不及時(shí)還會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)安全故障，降低電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性;③諧波容易增加電網(wǎng)自動(dòng)化繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)次數(shù)，擴(kuò)大自動(dòng)化管控范圍，提升電氣故障發(fā)生幾率，影響電網(wǎng)運(yùn)行成效;④受電磁耦合現(xiàn)象影響電網(wǎng)周邊通信系統(tǒng)將被異常干擾，降低通信效率。在風(fēng)光新能源接入電網(wǎng)后會(huì)增加諧波誘發(fā)幾率，這就需要人們?cè)诿魑C波危害前提下總結(jié)新能源應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，探析抑制諧波相關(guān)消極影響措施，為推動(dòng)電網(wǎng)朝著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2.3風(fēng)光發(fā)電產(chǎn)生諧波的原因

2.3.1風(fēng)機(jī)發(fā)電產(chǎn)生諧波的原因

目前常見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要有兩種，一種是雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，另一種是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流（同步）發(fā)電機(jī)。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)與變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)交流（同步）發(fā)電機(jī)相比，所需的變頻器容量不高，控制也較簡(jiǎn)單，能自適應(yīng)風(fēng)速變化，運(yùn)行方式可分為恒壓或恒功率運(yùn)行。雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)目前在兆瓦級(jí)以上大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)中得到廣泛運(yùn)用。由于需要電力電子元件參與控制和運(yùn)行，多數(shù)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)都會(huì)引起電流和電壓的畸變，即產(chǎn)生諧波。

2.3.2光伏發(fā)電產(chǎn)生諧波的原因

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由太陽電池板、逆變器、控制器、升壓變壓器四部分組成。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備是逆變器和升壓變壓器等。逆變器產(chǎn)生諧波的原理上一小節(jié)已做分析，下面對(duì)升壓變壓器產(chǎn)生諧波的原理進(jìn)行分析。變壓器也是一類諧波源，變壓器的電流波形畸變主要與變壓器的電磁變換原理有關(guān)，主要來自電力變壓器的激磁電流。假設(shè)變壓器的鐵芯不存在磁滯，根據(jù)磁通和激磁電流之間的磁化曲線，隨著激磁電流的增大或較小，磁通變化幅度越來越小，激磁電流和其產(chǎn)生的磁通之間不是線性關(guān)系，因此原邊電流并不是完整的正弦波，而是周期性的、但含有各類諧波的電流。激磁電流的畸變主要是由高次諧波引起的，特別是三次諧波。

3抑制風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響措施

通過分析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響可知，無論是風(fēng)力發(fā)電還是光伏發(fā)電，產(chǎn)生諧波的主要原因在于各自系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備，具體而言最主要的就是逆變器。無論是風(fēng)機(jī)發(fā)電還是光伏發(fā)電均會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性帶來負(fù)面影響，這就需要電網(wǎng)工作者秉持自省、反思精神，立足新時(shí)代電網(wǎng)節(jié)能、高效、安全、環(huán)保發(fā)展實(shí)況，探析抑制風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響措施，旨在提高新時(shí)代電網(wǎng)供電服務(wù)質(zhì)量。

3.1調(diào)整接線方式

具有輸出電能功效變壓器應(yīng)運(yùn)用△/Y或Y/△接線方式，120°為工頻相位差，360°則為三次諧波作用下產(chǎn)生的相位差，為此應(yīng)運(yùn)用△連接方式，在內(nèi)阻上產(chǎn)生諧波損耗，為解決諧波損耗問題，可分別在九次、十五次等產(chǎn)生諧波的位置上運(yùn)用相同接線方式避免諧波對(duì)電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響，規(guī)避電網(wǎng)內(nèi)流入高次諧波，使電網(wǎng)系統(tǒng)更為安全穩(wěn)定。

3.2應(yīng)用輔助過濾裝置

就是采用輔助濾波設(shè)備，即濾波器，主要分為無源濾波和有源濾波。無源濾波包括并聯(lián)濾波器和串聯(lián)濾波器。最常用的是串聯(lián)濾波器，串聯(lián)濾波器是由電容和電感串聯(lián)構(gòu)成的LC濾波電路。串聯(lián)濾波器利用的是串聯(lián)諧振的原理，對(duì)于諧振頻率的電流表現(xiàn)出很低的阻抗，而對(duì)于偏離諧振頻率的電流則阻抗迅速增加，且頻率偏離幅度越大，阻抗也越大。因此，將諧振頻率設(shè)計(jì)成工頻，在三相電路中均接入串聯(lián)濾波器，由于串聯(lián)帶通濾波器對(duì)基波電流的阻抗很小，而對(duì)其他次數(shù)的諧波電流阻抗很大，于是只用一組濾波器就可以濾除大部分頻率的諧波。有源電力濾波器即一種自帶電源的濾波器，是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對(duì)不斷變化的諧波以及無功進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)償。有源濾波器能檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流，并有相應(yīng)補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波大小相等但相位相差180°的補(bǔ)償電流，從而實(shí)現(xiàn)諧波消除。

3.3應(yīng)用技術(shù)措施消除諧波

無論是調(diào)整接線方式還是應(yīng)用輔助裝置，均需在原有電網(wǎng)內(nèi)添加特殊元件，雖然這些元件對(duì)電網(wǎng)流通帶來的影響較小，但需電網(wǎng)投入一定成本予以敷設(shè)，同時(shí)需做好相關(guān)裝置養(yǎng)護(hù)工作，追加電網(wǎng)運(yùn)行成本，為此研究學(xué)者加大諧波去除技術(shù)研究力度，在無需額外敷設(shè)前提下消除濾波，使風(fēng)光新能源得以高效接入電網(wǎng)。例如，技術(shù)人員可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況做好風(fēng)機(jī)合理排列工作，通過調(diào)配各類風(fēng)機(jī)安裝位置減少諧波，考量風(fēng)機(jī)類型、諧波頻率、不同相位對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行效果產(chǎn)生的消極影響，應(yīng)用信息化建模技術(shù)手段運(yùn)算得出諧波電流數(shù)據(jù)，以此為由調(diào)整風(fēng)機(jī)接線順序，使風(fēng)機(jī)能互相抵消部分諧波，這對(duì)于諧波電流較小電網(wǎng)較為適用，但無法全部消除諧波，為此技術(shù)人員需根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需求融合若干技術(shù)手段，旨在消除電網(wǎng)諧波，提高電網(wǎng)供電服務(wù)質(zhì)量。

4結(jié)語

綜上所述，我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)更為穩(wěn)定需關(guān)注諧波問題，應(yīng)用輔助過濾裝置，應(yīng)用技術(shù)措施消除諧波，加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)維，降低電氣設(shè)備因諧波問題受損幾率，推動(dòng)電網(wǎng)系統(tǒng)朝著節(jié)能環(huán)保、安全穩(wěn)定、科學(xué)高效方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]時(shí)圣堯.風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電監(jiān)控及評(píng)估系統(tǒng)[D].東北大學(xué)，2016.

[2]王志新，孫耀杰，史偉偉，等.光伏發(fā)電控制關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2018.

[3]萬航羽，黃梅.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)建模及諧波分析[J].電氣應(yīng)用，2008，27（6）：53-57.