DQZHAN訊：分布式電源并網(wǎng)的諧波問題分析
摘要：大規(guī)模分布式新能源經(jīng)變流器接入電網(wǎng)，對(duì)電力系統(tǒng)諧波問題的分析研究帶來了新的挑戰(zhàn)。本文針對(duì)分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波問題，本文研究了其產(chǎn)生原因及抑制方法。首先介紹諧波的含義及其危害，然后分析了分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生諧波的原因，以及分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波與傳統(tǒng)電網(wǎng)諧波的不同之處，*后重點(diǎn)分析諧波的抑制措施，闡述了各種措施的原理、具體實(shí)施方法及優(yōu)缺點(diǎn)。
引言
為了實(shí)現(xiàn)能源的就地開發(fā)與利用，減少遠(yuǎn)距離輸電損耗，一種高效、環(huán)保、靈活的新型發(fā)電技術(shù)——分布式發(fā)電(DG)，成為智能電網(wǎng)中一項(xiàng)重要的組成部分。分布式發(fā)電屬于接入配電網(wǎng)的小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)，并網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生潛在影響，目前對(duì)分布式電源接入產(chǎn)生的各種電能質(zhì)量問題的總體論述較多，而對(duì)諧波問題的專題討論不多，本文將對(duì)分布式電源接入的諧波問題進(jìn)行研究，首先介紹諧波的含義及其危害、分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波，之后重點(diǎn)分析諧波的抑制措施。
1 諧波的含義及危害
任何周期性的畸變波形都可用正弦波形的和表示，如圖1所示。也就是說，當(dāng)畸變波形的每個(gè)周期都相同時(shí)，則該波形可用一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的理想正弦波形的和來表示。其中，頻率為基波頻率整數(shù)
的分量稱為諧波，而一系列正弦波形的和稱為傅里葉級(jí)數(shù)。
圖1 畸變波形的Fourier級(jí)數(shù)表示
在頻域分析中，將畸變的周期性電壓和電流分解成傅里葉級(jí)數(shù)
式中
- ω1工頻(即基波)的角頻率，rad/s;
- h諧波次數(shù);
- Uh、Ih 分別為第次諧波電壓和電流的均方根值，V，A;
- αh 、βh 分別為第次諧波電壓和電流的初相角，rad;
諧波的危害主要表現(xiàn)在對(duì)電力的影響和對(duì)信號(hào)的干擾。其中幾個(gè)比較主要的方面包括：
(1)對(duì)變壓器的影響
變壓器在基波頻率時(shí)的損耗*小，負(fù)荷電流含有諧波時(shí)，將在三個(gè)方面引起變壓器發(fā)熱的增加：
a. 均方根值電流
如果變壓器容量正好與負(fù)荷容量相同，那么諧波電流將使得均方根值電流大于額定值。總均方根值電流的增加會(huì)引起導(dǎo)體損耗增加。
b. 渦流損耗
渦流是由磁鏈引起的變壓器的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流流經(jīng)繞組、鐵芯以及變壓器磁場環(huán)繞的其它導(dǎo)體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生附加發(fā)熱。這部分損耗以引起渦流的諧波電流的頻率的平方增加。因此，該損耗是變壓器諧波發(fā)熱損耗的重要組成部分。
c. 鐵芯損耗
考慮諧波時(shí)，鐵損的增加取決于諧波對(duì)外加電壓的影響以及變壓器鐵芯的設(shè)計(jì)。電壓畸變的增加將使得鐵芯疊片中渦流電流增加，總的影響取決于鐵芯疊片的厚度以及鋼芯的質(zhì)量。由諧波引起的這部分損耗的增加，與前兩種情況下相比通常較小。
(2)對(duì)電機(jī)的影響
在電機(jī)末端的諧波電壓畸變，在電機(jī)里表現(xiàn)為諧波磁鏈。諧波磁鏈對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩沒有太大影響，但是它以與轉(zhuǎn)子同步頻率不同的頻率旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出高頻電流，其影響類似于基波負(fù)序電流的影響。諧波電壓畸變將引起電機(jī)的效率下降、發(fā)熱、振動(dòng)和高頻噪聲。
(3)諧波對(duì)電能計(jì)量的影響
諧波的影響使少計(jì)的電量遠(yuǎn)大于多計(jì)的電量，兩者的差額主要表現(xiàn)為供電線損率有所增大。
(4)諧波對(duì)電容器的影響
在具有并聯(lián)電容器補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)中，系統(tǒng)阻抗在某一頻率下可能與并補(bǔ)電容器發(fā)生諧振，從而引起諧波源注入系統(tǒng)和電容器組諧波電流的放大，對(duì)系統(tǒng)和電容器組產(chǎn)生嚴(yán)重影響。
(5)諧波對(duì)通訊的干擾
除了對(duì)通訊系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降，還可能使某些重要的和敏感的自動(dòng)控制、保護(hù)裝置不正確動(dòng)作，或者危害到功率處理器自身的正常運(yùn)行。
畸變周期性電壓和電流可以用總均方根值、含有率、總諧波畸變率來描述。我國通過國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14595-93《電能質(zhì)量-公用電網(wǎng)諧波》對(duì)電力系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了限定，例如，低壓電網(wǎng)電壓總諧波畸變率低于5%。
2分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波
分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)諧波研究帶來了更多的挑戰(zhàn)，下面將闡述分布式電源產(chǎn)生諧波的機(jī)理以及其較傳統(tǒng)電網(wǎng)諧波的不同及危害。
2.1 正常運(yùn)行時(shí)并網(wǎng)逆變器輸出的諧波
分布式電源并網(wǎng)導(dǎo)致大量的電力電子轉(zhuǎn)換器應(yīng)用到系統(tǒng)中，例如太陽能光伏電池、燃料電池等并網(wǎng)時(shí)，需通過逆變器接入交流電網(wǎng);微型燃?xì)廨啓C(jī)的輸出是高頻電壓，風(fēng)電機(jī)組的輸出電壓頻率與風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，這些分布式電源并網(wǎng)往往都要經(jīng)過變流器。
上述變流器是通過電力電子器件的頻繁開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)電力變換功能的，其輸入輸出關(guān)系具有明顯的非線性特征。開關(guān)器件頻繁的開通和關(guān)斷容易產(chǎn)生一系列的諧波分量，對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。其中開關(guān)頻率附近的諧波分量幅度較大，是優(yōu)先需要重視的諧波分量。
2.2 特殊運(yùn)行情況造成的諧波
除了分布式電源正常運(yùn)行時(shí)逆變器必然輸出的諧波以外，三相不平衡、直流偏磁等非理想情況也會(huì)造成諧波增加。
(1)三相不平衡造成的換流器非特征諧波
三相電壓不平衡使換流器的觸發(fā)角不對(duì)稱，換流器將產(chǎn)生較大的非特征諧波。以單橋換流器為例，當(dāng)三相電壓不平衡時(shí)，換流器除向系統(tǒng)產(chǎn)生6k±1=5，7，11，13，17，19…次特征諧波電流以外，還會(huì)產(chǎn)生6k±3=3，9，15，21，27，33…次非特征諧波電流。三相電壓不平衡度與3、9、15次非特征諧波電流的關(guān)系如圖2所示。由圖可見，隨著三相電壓不平衡度的增加，非特征諧波電流也加大。常規(guī)換流器是以抑制特征諧波進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的。非特征諧波電流的出現(xiàn)對(duì)換流器的諧波治理提出了更高的要求，直接導(dǎo)致?lián)Q流器總投資的加大。
(2)直流偏磁造成的波形畸變
各種具有鐵芯的電氣設(shè)備(例如變壓器、電抗器等)，鐵心的鐵磁飽和特性使其阻抗在飽和區(qū)呈現(xiàn)非線性。當(dāng)分布式電源并網(wǎng)換流器輸出的電流中含有直流分量時(shí)，會(huì)在變壓器等包含鐵心的設(shè)備中造成直流偏磁現(xiàn)象。發(fā)生直流偏磁時(shí)，變壓器繞組電流的畸變會(huì)相當(dāng)嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波。
2.3 DG諧波的特點(diǎn)及危害
DG諧波區(qū)別于傳統(tǒng)電網(wǎng)諧波之處在于：
a) DG數(shù)量多，不同諧波源產(chǎn)生諧波不同，使諧波本身的產(chǎn)生機(jī)理、傳播特性更加復(fù)雜，且更易引發(fā)諧波諧振以及穩(wěn)定性問題;
b) 因分布式電源離負(fù)荷近，故產(chǎn)生諧波對(duì)附近負(fù)荷供電質(zhì)量影響更明顯;
c) 接入配電網(wǎng)電壓等級(jí)低，阻抗標(biāo)幺值相對(duì)大，諧波電流產(chǎn)生的情況下，線路兩端的諧波電壓更明顯;
d) 新能源接入使用的換流器的開關(guān)頻率比傳統(tǒng)電網(wǎng)的諧波頻率更高。
e) DG接入電網(wǎng)，其參數(shù)具有較強(qiáng)的波動(dòng)性與隨機(jī)性，產(chǎn)生的諧波使電網(wǎng)參數(shù)隨時(shí)變化，諧波分析噪聲干擾大。
以上原因就使得分布式電源的接入對(duì)電網(wǎng)的諧波帶來了不可忽視且復(fù)雜的影響。分布式新能源并網(wǎng)在帶來諧波問題的同時(shí)，若能合理接入，則能與電網(wǎng)背景諧波相互抵消、使網(wǎng)絡(luò)參數(shù)相互匹配，降低電網(wǎng)的諧波水平和諧波諧振發(fā)生的幾率。
3 諧波的抑制措施
為了保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，要對(duì)分布式電源的諧波發(fā)生量進(jìn)行限制。抑制諧波電流主要有兩種思路：一是抑制諧波源的諧波電流發(fā)生量，一是在諧波源附近將諧波電流就地吸收或抵消。
3.1 減少分布式電源的諧波輸出
考慮到并網(wǎng)運(yùn)行是分布式電源建設(shè)的重要發(fā)展方向，可以對(duì)并網(wǎng)的分布式電源本身及其并網(wǎng)接口進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其不產(chǎn)生諧波或產(chǎn)生的諧波在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可接受的范圍內(nèi)。這是解決分布式電源諧波問題的*重要的方法之一。
3.1.1 適當(dāng)提高載波頻率
對(duì)于通過電力電子變流器并網(wǎng)的分布式電源，脈寬調(diào)制采用更高的載波頻率，以減少低次諧波的發(fā)生量。因?yàn)槿绻岣逽PWM的載波頻率，則逆變器輸出電壓的主要諧波也會(huì)分布在較高的頻率波段。而高頻諧波是可以用一套高通濾波器集中濾除的。如果載波比(載波頻率與調(diào)制波頻率之比)的值足夠大，甚至可以省去用于處理低次諧波的交流濾波器。
但是隨著載波頻率的提高，會(huì)增加功率元件的開關(guān)次數(shù)和開關(guān)損耗，對(duì)功率元件和控制電路的要求更高，且逆變器的整體效率降低。因此，載波頻率也不是可以任意選取的，載波比的大小有一定的限制。
為協(xié)調(diào)二者的矛盾，一般認(rèn)為在中小功率的逆變器中，SPWM的載波頻率取3kHz左右為宜。對(duì)于三相逆變器，為了保證逆變器三相輸出電壓的對(duì)稱性，載波比應(yīng)該取3的奇次整數(shù)倍。
3.1.2 注入適當(dāng)?shù)闹C波
注人適當(dāng)?shù)?次諧波分量，有時(shí)可以使PWM的性能得以提高。在正弦函數(shù)中注人一定的3次諧波以后，其調(diào)制函數(shù)可表示為
式中，M為調(diào)制比;k∈[0.1]為注入的3次諧波分量的比例系數(shù)。
由式(3)調(diào)制生成的SPWM脈沖可以將逆變器輸出的線電壓幅值提高15%左右，并大大改善諧波電流狀況。因此，要提高電壓利用率，使逆變器的輸出電壓和諧波特性達(dá)到一定的要求，只需要為k選取一合理的值即可。
3.1.3 特定諧波消除法
特定諧波消除脈寬調(diào)制(Selective Harmonic Elimination - PWM, SHE-PWM)的基本理論是，在電壓波形的特定位置設(shè)置“缺口”，通過每半個(gè)周期間中逆變器的多次換向，恰當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤髅}寬調(diào)制電壓的波形，通過脈寬平均法把逆變器輸出的方波電壓轉(zhuǎn)換成等效的正弦波，以消除某些特定的諧波，實(shí)現(xiàn)總體諧波性能的提高。
3.2 減少分布式電源的諧波輸出
如果分布式電源輸入到電網(wǎng)的電流中含有較多的諧波分量，則采用電力濾波器就地吸收諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施。根據(jù)濾波原理，電力濾波器可分為無源濾波器、有源濾波器，以及兩者的組合——混合濾波器。
3.2.1 無源濾波器
無源濾波裝置即LC濾波器。無源濾波裝置在運(yùn)行中多與諧波源并聯(lián)，除起到濾波作用外，還可以兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰?
無源濾波器主要有以下幾種：(1)單調(diào)諧濾波器，由電容與電感串聯(lián)而成，具有與某低次諧波頻率一致的諧振頻率，可用來消除該低次諧波;(2)雙調(diào)諧濾波器，由調(diào)諧在不同諧振頻率的兩組電容與電感串聯(lián)而成，對(duì)應(yīng)于兩種諧振頻率，濾波器呈現(xiàn)低阻抗;(3)高通濾波器，用來濾除某高次諧波及該次頻率以上的諧波。
無源濾波器具有技術(shù)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、成本較低等特點(diǎn)，因而至今仍是應(yīng)用*為普遍的諧波抑制方式。其缺點(diǎn)主要是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致LC濾波器過載甚至燒毀。選擇合適的電容器安裝地點(diǎn)，可有效避免與電源電抗相互作用而發(fā)生并聯(lián)諧振。
3.2.2 有源電力濾波器
有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)是一種用于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償和諧波抑制的新型電力電子補(bǔ)償器，核心部件為逆變器(與靜止同步補(bǔ)償器STATCOM的結(jié)構(gòu)和原理類似)，具有電力電子變流器的高可控性和快速響應(yīng)性。
有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成如圖7-13所示。APF采用與無源濾波器完全不同的原理，它能主動(dòng)向交流電網(wǎng)注入補(bǔ)償電流。補(bǔ)償電流的幅值與負(fù)載流入電網(wǎng)的諧波電流大小相等，相位差180°，從而抵消諧波源所產(chǎn)生的諧波電流，以使諧波源產(chǎn)生的諧波電流不會(huì)流入公共電網(wǎng)。
APF對(duì)諧波的頻率和幅值都能進(jìn)行跟蹤，可以對(duì)諧波進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，并且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。APF還能有效地解決無源濾波器存在的不足，是電力系統(tǒng)無功補(bǔ)償、諧波治理的發(fā)展方向，因而受到廣泛的重視和越來越多的應(yīng)用。
有源電力濾波器可以單獨(dú)使用，也可以和LC濾波器混合使用。
3.3 分布式電源并網(wǎng)逆變器兼起補(bǔ)償作用
現(xiàn)在的分布式電源并網(wǎng)逆變器大都采用PWM技術(shù)，可以向電網(wǎng)提供正弦波形的、功率因數(shù)為1.0的綠色電能。
受到可再生能源自然條件的影響，分布式電源的輸出能量不穩(wěn)定，于是造成分布式電源的實(shí)際的發(fā)電功率常常小于并網(wǎng)逆變器的設(shè)計(jì)容量。在實(shí)際運(yùn)行中，分布式電源的并網(wǎng)逆變器存在很大的容量冗余。
考慮到分布式電源并網(wǎng)逆變器與電壓型APF在結(jié)構(gòu)和控制方法上有很多相似之處，可以通過適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，使分布式電源并網(wǎng)逆變器在向電網(wǎng)輸送能源的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)APF的功能，即同時(shí)向電網(wǎng)提供所需要的諧波電流和無功功率。這樣既可以充分利用逆變器的冗余容量，又可以實(shí)現(xiàn)諧波和無功功率的就近補(bǔ)償。
當(dāng)然，分布式電源配備的電力電子轉(zhuǎn)換設(shè)備不可能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)電網(wǎng)中改善電能質(zhì)量的技術(shù)設(shè)備。但是，如果讓分布式電源的并網(wǎng)逆變器兼起補(bǔ)償作用，不僅可以提高接入點(diǎn)的電能質(zhì)量水平，而且還能降低無源濾波器和有源濾波器的安裝需求，節(jié)約大量的諧波治理投資，會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
3.4 合理接地
一旦諧波源產(chǎn)生了諧波，除了采用濾波器進(jìn)行吸收以外，發(fā)電機(jī)組和升壓變壓器的接地安排，也可以在限制諧波電流方面起到很大的作用。接地點(diǎn)的選擇可以阻塞或減少注入電力系統(tǒng)的三次諧波。通常頻次為3的整數(shù)倍的諧波可以被限制在電源處，而不至于傳播到電網(wǎng)中。
4 結(jié)語
諧波是一項(xiàng)重要的電能質(zhì)量指標(biāo)，對(duì)于諧波的計(jì)算方法已有國家標(biāo)準(zhǔn)。分布式新能源并網(wǎng)產(chǎn)生了一些不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)的諧波特性與諧波問題。本文討論了分布式電源接入產(chǎn)生的諧波問題，并且系統(tǒng)地探討了：減少分布式電源的諧波輸出、加裝電力濾波器、分布式電源并網(wǎng)逆變器兼起補(bǔ)償作用、合理接地，四種抑制分布式電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波的方法，對(duì)于解決未來大規(guī)模分布式電源并網(wǎng)的諧波問題分析有一定的參考指導(dǎo)價(jià)值。
