電力系統(tǒng)中的諧波分析與抑制技術(shù)研究

國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司淳安縣供電公司 孫紅曉

在當(dāng)前新能源技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，分布式電源發(fā)電面臨更多的考驗(yàn)，其中微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂忻黠@的特殊性，在其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中存在大量電力設(shè)備，這成為諧波的主要來源?，F(xiàn)代研究發(fā)現(xiàn)，諧波問題會(huì)極大影響電力系統(tǒng)的安全，例如可能會(huì)造成并聯(lián)諧振或者造成儀器誤動(dòng)作等。為了避免上述問題發(fā)生，則需要尋找一種消除電力系統(tǒng)諧波的技術(shù)方案，這也是本文研究的主要目的。

1 電力系統(tǒng)諧波分析

1.1 項(xiàng)目背景

本廠早在2011年就開始了風(fēng)電并網(wǎng)工作，并且近幾年隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，加快推進(jìn)光電并網(wǎng)成為本廠近期工作的重點(diǎn)內(nèi)容。在上述技術(shù)背景下，本廠積極推動(dòng)微電網(wǎng)建設(shè)工作，從技術(shù)優(yōu)勢(shì)來看，微電網(wǎng)作為一種在孤立條件下能夠獨(dú)立運(yùn)行的電力網(wǎng)絡(luò)，可并在大電網(wǎng)旁邊也能孤立系統(tǒng)，隔離裝置將微電網(wǎng)與大電網(wǎng)相連接并將電能運(yùn)送到大電網(wǎng)，或者與用戶相連將電能直接輸送給用戶。本廠將風(fēng)能、太陽(yáng)能等衛(wèi)星電源組成微電網(wǎng)，可降低地域條件限制對(duì)新能源并網(wǎng)的影響，具有廣闊的發(fā)展前景。

根據(jù)本廠實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，在采用微電網(wǎng)技術(shù)后導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的諧波問題，是造成電能質(zhì)量下降的主要原因，會(huì)對(duì)各方用電產(chǎn)生極大影響，主要表現(xiàn)為：諧波問題會(huì)增加電力系統(tǒng)的損耗。諧波屬于額外向電網(wǎng)注入的電流，在正常運(yùn)行條件下會(huì)造成額外損耗，導(dǎo)致電能運(yùn)輸效率明顯下降；電力系統(tǒng)中大部分設(shè)備對(duì)諧波的抵抗能力偏低，導(dǎo)致設(shè)備可能會(huì)因?yàn)橹C波干擾而無(wú)法處于理想的狀態(tài)。例如本廠在對(duì)部分設(shè)備觀察后，發(fā)現(xiàn)受到諧波的影響導(dǎo)致設(shè)備溫度快速上升，此時(shí)設(shè)備出現(xiàn)質(zhì)量故障的概率明顯增加；在電力系統(tǒng)中增設(shè)大量電容電感元件，在諧波作用下導(dǎo)致電容電感元件異常，造成電壓畸變?cè)黾樱瑖?yán)重影響電能質(zhì)量。

1.2 諧波來源研究

結(jié)合本廠的實(shí)際情況，傳統(tǒng)電網(wǎng)以及微電網(wǎng)均會(huì)產(chǎn)生諧波問題，不容忽視。

1.2.1 傳統(tǒng)電網(wǎng)的諧波來源

發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。在發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間受到設(shè)備自身結(jié)構(gòu)特征以及制作流程的影響，導(dǎo)致其繞組在三相上無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全對(duì)稱，并且鐵芯在加工制作期間也可能會(huì)因?yàn)楣に噯栴}而無(wú)法保證完全均勻。受到上述生產(chǎn)工藝問題的影響，將會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)在生成電源的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量諧波電勢(shì)，隨著諧波電勢(shì)的增加會(huì)造成嚴(yán)重的電網(wǎng)波形畸形問題，最終發(fā)展為諧波破壞；輸配電系統(tǒng)。根據(jù)本廠的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)變壓器中的鐵芯有飽和情況，再加之鐵芯磁化曲線并非完整的曲線，受到上述兩種因素影響都會(huì)直接影響諧波的大小。

用電設(shè)備。目前在電力系統(tǒng)中各種非線性負(fù)載設(shè)備的使用會(huì)導(dǎo)致諧波失衡，根據(jù)本廠的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在電力系統(tǒng)中增加了大量容易產(chǎn)生波動(dòng)性負(fù)荷的設(shè)備（包括軋鋼機(jī)、電焊機(jī)）會(huì)導(dǎo)致諧波產(chǎn)生。同時(shí)居民日常生活中所使用的高壓泵燈、電視機(jī)、空調(diào)機(jī)等都可能產(chǎn)生諧波。

1.2.2 微電網(wǎng)的諧波來源

光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波問題。本廠在光伏發(fā)電期間需要使用大量電力電子裝置，如整流器、逆變器等，上述設(shè)備在運(yùn)行期間可能出現(xiàn)諧波問題，并引發(fā)三相不平衡電流問題。有學(xué)者研究認(rèn)為，當(dāng)變流器在理想工況下運(yùn)行時(shí)，其直流側(cè)調(diào)制生成的諧波電壓約為6k 次，而系統(tǒng)側(cè)受到開關(guān)函數(shù)等因素影響，導(dǎo)致本側(cè)會(huì)出現(xiàn)“6k ＋1”次的諧波電流，但是在實(shí)際情況下，變流器無(wú)法保證時(shí)刻處于理想的工作狀態(tài)下，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)直流側(cè)可能出現(xiàn)非特征諧波電壓，進(jìn)而改變交流側(cè)的諧波電流[1]。在上述作用機(jī)制的影響下，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的諧波問題。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的諧波問題。與太陽(yáng)能相比，風(fēng)力發(fā)電過程中更具復(fù)雜性，這是因?yàn)轱L(fēng)向本身是不確定的，且風(fēng)速自身具有多變性。為解決該問題，本廠采用了變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但是該裝置導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電中更容易出現(xiàn)諧波問題。這是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電主要是利用風(fēng)力帶動(dòng)設(shè)備產(chǎn)生機(jī)械能并最終轉(zhuǎn)換為電能，在上述發(fā)電過程之中，當(dāng)轉(zhuǎn)子電壓中產(chǎn)生諧波電流時(shí)會(huì)在定子側(cè)感應(yīng)生成諧波電流，其中的表達(dá)方式如公式所示式中：f表示發(fā)電機(jī)定子的諧波頻率；fk+表示轉(zhuǎn)子k在定子側(cè)產(chǎn)生的正序諧波電流值；f'k+表示轉(zhuǎn)子k次正序諧波電壓頻率；s表示時(shí)間參數(shù)。通過上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，fk+的大小與f'k+以及f之間存在密切關(guān)系，而在變速恒頻式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組導(dǎo)致fk+的控制難度增加，這可能是本廠諧波明顯增加的主要原因。

微電網(wǎng)自身負(fù)載問題也可能引發(fā)諧波。新能源發(fā)電本身具有不穩(wěn)定性，導(dǎo)致相關(guān)電力設(shè)備在運(yùn)行期間可能出現(xiàn)功率波動(dòng)，導(dǎo)致微電網(wǎng)諧波含量偏高。同時(shí)當(dāng)前的微電網(wǎng)中含有大量非線性設(shè)備，隨著此類設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)也將會(huì)生成大量諧波，根據(jù)本廠實(shí)際情況來看，非線性電弧設(shè)備—交流電弧設(shè)備所產(chǎn)生的諧波量最多。有學(xué)者研究認(rèn)為，微電源系統(tǒng)本身存在大量諧波，雖然電廠能采取一定手段控制，但是諧波只能盡量減少，尚無(wú)完全消除諧波的方法[2]。為了解決上述問題，則需要通過額外手段，例如在輸出端位置加設(shè)濾波器即可有效緩解諧波問題。

2 電力系統(tǒng)中的諧波抑制技術(shù)研究

目前，針對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波問題，可以采取的處置方式包括增加無(wú)源濾波器或者有源濾波器等，各種方法比較后可以發(fā)現(xiàn)，有源濾波器具有適用范圍廣、控制策略多樣等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本廠電網(wǎng)諧波處理要求。

2.1 比例積分控制方法

比例積分控制（PI）策略是電力系統(tǒng)中諧波抑制技術(shù)中較為常見的諧波抑制方法，具有原理簡(jiǎn)單、參數(shù)調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，通過比例積分控制器能精準(zhǔn)跟蹤電流變化情況，技術(shù)應(yīng)用中主要利用線性系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定安全值，系統(tǒng)通過檢測(cè)安全值與設(shè)置值之間的差值完成系統(tǒng)控制。該方法利用比例積分調(diào)節(jié)作用，電力系統(tǒng)受到諧波的影響會(huì)導(dǎo)致誤差出現(xiàn)，系統(tǒng)識(shí)別誤差后將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)控制，盡量縮小系統(tǒng)偏差，最終將比例積分控制器設(shè)定在適宜的比例系數(shù)范圍內(nèi)。

從技術(shù)優(yōu)勢(shì)來看，比例積分控制技術(shù)可消除電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)誤差、并顯著提升數(shù)據(jù)處理精度，期間當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)靜態(tài)誤差后則會(huì)自動(dòng)開始積分環(huán)節(jié)，經(jīng)控制器處理后可消除其中的靜態(tài)誤差。正常情況下積分環(huán)節(jié)與系統(tǒng)之間的誤差受到時(shí)間參數(shù)影響，主要表現(xiàn)為：通過增加時(shí)間參數(shù)，則會(huì)降低細(xì)分環(huán)節(jié)的作用；若降低時(shí)間參數(shù)，則會(huì)強(qiáng)化其作用控制效果。因此在具體操作中通常會(huì)選擇聯(lián)合使用不利作用與積分作用，構(gòu)建比例積分控制器達(dá)到盡量消除其中誤差的目的。

本文結(jié)合本廠實(shí)際情況，評(píng)價(jià)了引入比例積分控制方法后不同時(shí)間段的總諧波畸變率變化情況，具體而言，1～5工況下其實(shí)施前、后的總諧波畸變率（單位：%）變化結(jié)果如下：5.93/1.93、7.01/2.44、5.82/2.30、6.41/2.58、6.09/1.89。根據(jù)以上相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比，在加入比例積分控制方法控制策略后，不同工況下的總諧波畸變率均有明顯下降，電流諧波含量滿足國(guó)家并網(wǎng)的技術(shù)要求，該結(jié)果證明本廠采用的比例積分控制方法科學(xué)合理。

2.2 重復(fù)控制策略

2.2.1 重復(fù)控制方案

從諧波控制角度來看，重復(fù)控制以內(nèi)膜原理為基礎(chǔ)，是一種高精度的諧波控制方法，其功能是提升系統(tǒng)準(zhǔn)確率并降低系統(tǒng)出現(xiàn)的周期性干擾問題。從技術(shù)原理來看，該技術(shù)屬于一種系統(tǒng)反饋模式，在數(shù)據(jù)處理中通過消除其中的靜態(tài)誤差，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)誤差追蹤。此時(shí)為保證數(shù)據(jù)處理結(jié)果，在重復(fù)控制策略中可考慮在重復(fù)控制器中增加正弦函數(shù)數(shù)學(xué)模型，整個(gè)函數(shù)的數(shù)據(jù)計(jì)算方法如公式所示：

式中：G（s）表示正弦函數(shù)；ωn表示基波角頻率值；s表示時(shí)間參數(shù)。按照該公式的計(jì)算要求，在正弦函數(shù)中無(wú)論是基波角頻率值變化、還是輸入指令變化都會(huì)導(dǎo)致最終函數(shù)處理結(jié)果改變，并且對(duì)于電力系統(tǒng)而言，系統(tǒng)的諧波信號(hào)是由多個(gè)不同頻率周期信號(hào)相互疊加而來，因此為消除其中的數(shù)據(jù)誤差，則需要對(duì)任意諧波做無(wú)誤差跟蹤，此時(shí)應(yīng)在系統(tǒng)中為所有頻率諧波增加內(nèi)膜，但這種方法無(wú)疑會(huì)顯著增加系統(tǒng)計(jì)算難度[3]。

為解決上述問題，本廠在重復(fù)控制策略中將圍繞諧波信號(hào)的共同特征制定處置對(duì)策，即在任意一個(gè)基波周期的波形均與上一周期相同，根據(jù)上述特征，在重復(fù)控制策略中將通過連續(xù)控制幾個(gè)類似的周期，即可顯著提升控制方案的可靠程度，降低周期性干擾問題對(duì)諧波處置效果的影響，形成面向諧波的高精度反饋控制架構(gòu)。在本廠采用的重復(fù)控制方案相當(dāng)于在原有電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)周期延遲性的正反饋信號(hào)，此時(shí)電力系統(tǒng)輸出信號(hào)將會(huì)在特定的時(shí)間周期內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)并快速疊加，此時(shí)主要持續(xù)跟蹤信號(hào)誤差，則可以累積疊加其中的誤差，直至誤差信號(hào)完全消失，并且此時(shí)輸出信號(hào)波形不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。

2.2.2 系統(tǒng)模擬控制

為判斷重復(fù)控制策略在消除電力系統(tǒng)諧波中的價(jià)值，本廠結(jié)合實(shí)際工況，設(shè)定輸入信號(hào)為50Hz，并選擇在s=0.1s 時(shí)添加補(bǔ)償，最終經(jīng)重復(fù)控制處理后發(fā)現(xiàn)電流波形顯著改善，其諧波抑制相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 重復(fù)控制的諧波抑制效果（單位：%）

根據(jù)表1所記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，在實(shí)施重復(fù)控制策略后，本廠電力系統(tǒng)的總諧波畸變率集中在1.71%～3.03%，其中在工況3、工況5、工況8、工況9的諧波抑制效果較為理想，證明該方法科學(xué)有效[4]。

2.3 聯(lián)合控制策略

根據(jù)前文對(duì)兩種技術(shù)的研究可以發(fā)現(xiàn)，重復(fù)控制策略與比例積分控制策略各有優(yōu)勢(shì)，其中比例積分控制策略的響應(yīng)速度快，且能夠面向載波形成快速控制。重復(fù)控制則可針對(duì)激波周期完成高精度控制，但無(wú)法對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)[5]。為解決上述問題，本廠將通過充分整合兩項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)提升諧波抑制效果，在具體操作中將通過并聯(lián)式復(fù)合控制方式完成兩種結(jié)構(gòu)的并聯(lián)。

按照上述方法對(duì)本廠諧波控制問題做模擬仿真后，結(jié)果顯示系統(tǒng)的總諧波畸變率平均值僅為1.43%，明顯低于此前所記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)，證明兩種方法聯(lián)用后則有較為滿意的諧波抑制效果。本廠的成功經(jīng)驗(yàn)顯示，與任意一種單一控制方法相比，本文所介紹的聯(lián)合控制方法更具優(yōu)勢(shì)，能顯著提升微電網(wǎng)電能質(zhì)量[6]。

3 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段，諧波問題將會(huì)嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行能力。根據(jù)本廠實(shí)際情況來看，造成諧波的原因較多，除新能源系統(tǒng)外，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)在運(yùn)行期間也存在可能誘發(fā)諧波的危險(xiǎn)因素，不容忽視。為了在最大限度上消除諧波問題，則需要深入了解有源濾波器抑制空濾控制技術(shù)，爭(zhēng)取通過聯(lián)合控制方法提升諧波抑制效能、降低總諧波畸變率，這對(duì)于電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行的意義重大，值得推廣。