新能源發(fā)電并網時諧波對配電設備的影響及抑制措施

沈陽工業(yè)大學 王 正 黨小峰

新能源發(fā)電并網時諧波對配電設備的影響及抑制措施

沈陽工業(yè)大學 王 正 黨小峰

針對新能源并網時諧波對配電設備產生的影響，本文從分析風電和光伏發(fā)電系統并網時諧波產生的原因入手，研究了諧波對發(fā)電機、變壓器、輸電線路、斷路器以及配電柜等配電設備產生的影響。提出了采用改進的并聯混合型有源濾波器對諧波進行濾除，并通過仿真驗證，達到了預期效果，此方法能夠消弱諧波。可為并網時解決諧波問題提供了一定的理論參考。

新能源并網；諧波；配電設備；并聯混合型有源濾波器

1.引言

隨著經濟的快速發(fā)展，加大了人們對電力能源的需求。新能源發(fā)電技術的誕生給世界帶來了新的發(fā)展方向。其中以風力發(fā)電、光伏電池和微型燃氣輪機等為主的分布式發(fā)電（DG）技術引起了人們的關注。諧波電流的出現嚴重影響了配電設備的正常工作，使配電網的電能質量下降，影響配電網安全穩(wěn)定運行。因此，研究新能源并網時諧波對配電設備的影響是保證配電網安全運行的關鍵。

為了研究新能源并網時諧波對配電設備產生的影響，本文從分析風力和光伏發(fā)電系統并網時諧波產生的原因出發(fā)，研究了諧波對發(fā)電機、變壓器、輸電線路、斷路器以及配電柜等配電設備產生的影響。并提出了采用改進的并聯混合型有源濾波器對諧波進行濾除，并通過仿真驗證此方法的可行性，為新能源并網時解決諧波問題提供了一定的理論參考。

2.風力、光伏發(fā)電系統中諧波產生原因

在風力發(fā)電中的電能是由于風吹動電機運轉而生成，各次諧波旋轉磁場會產生于變速恒頻風力發(fā)電系統，原因是轉子電壓中各次諧波電流的出現，同時定子側發(fā)生感應出現諧波電流。

而光伏發(fā)電系統中容易出現的大量諧波和三相不平衡電流等問題，是系統中控制器、逆變器等電力電子裝置產生，例如控制器工作在不理想條件下時，非特征諧波電壓會產生在直流側，而且在被開關函數調制之后，非特征諧波電流會產生在交流側。因此，光伏并網發(fā)電中諧波源主要來自于大量的電力電子裝置。

3.諧波對配電設備的影響分析

通過對風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統的分析，可知諧波是影響新能源并網的主要問題之一。隨著并網技術的發(fā)展，大量的分布式電源被引入。當DG容量增大時，注入的諧波電流幅值也會增大，畸變水平變高；另外，由于新能源并網時發(fā)電輸出功率具有隨機波動性和間歇性，對配電網的正常運行產生不利的影響。因此，分析諧波對配電設備的危害是保證新能源并網時配電網正常運行的關鍵[7-8]。

3.1 對發(fā)電機的影響

諧波使發(fā)電機產生附加損耗，引起發(fā)電機局部發(fā)熱，降低絕緣強度。同時由于輸出的電壓波形中產生附加諧波分量，使發(fā)電機轉子發(fā)生扭振，降低其工作壽命。

3.2 對變壓器的影響

諧波電流對變壓器的主要影響是使其銅耗增加，在△形連接的變壓器中，尤其是3的整數倍次諧波會形成環(huán)流在其繞組內部，從而引發(fā)過熱；在Y形連接的變壓器中，當繞組中性點接地，高次諧波諧振會產生在電網中分布電容較大或在裝有中性點接地的并聯電容器時，它使得變壓器、電容器及導線等設備發(fā)熱，增加了設備附加損耗、噪聲，減少使用壽命甚至直接使設備損毀。

3.3 對輸電線路的影響

由于諧波電流的頻率是基波頻率的整數倍，導體內部高頻電流經過時，由于集膚效應的存在，使導體對諧波電流的有效電阻增加，引起嚴重發(fā)熱，所以增加了輸電線路的電能損耗，使輸電線路減少了正常工作壽命，加速了絕緣材料的老化，這樣極易引發(fā)線路故障，嚴重時可能燒毀線路；當電力網絡中的諧波頻率位于諧振區(qū)內時，有可能造成短路，最終使溫度升高引起火災，導致供電系統無法正常的電能輸送。

3.4 對斷路器的影響

磁吹線圈由于諧波的原因無法正常工作，造成開斷能力變差，無法開斷波形畸變率超過一定限制的故障電流。對中壓斷路器開斷電流時，可能發(fā)生諧波電壓和重燃現象，導致觸頭燒損。

3.5 對配電柜的影響

諧波電流在配電柜繞組中形成環(huán)流，使配電繞組發(fā)熱，降低壽命；高頻率上升的諧波次數，和因為電纜導體截面積越大變得明顯的集膚效應，最終增加了導體交流電阻，降低了輸電效率。

除此之外，諧波的存在還會使開關柜局部過熱，絕緣老化，嚴重時導致絕緣擊穿或燒毀；使開關控制器等誤動作或拒動，降低了可靠性，最終可能引發(fā)系統事故，使配電系統的無法安全運行。

4.抑制諧波的措施

圖1 并網時諧波濾除方案圖

改進的混合有源濾波器的單相等效電路如圖2所示，圖2中Us為系統電源，Zs為系統等效阻抗，Z1為直流側電感，Z2為諧振電路等效阻抗，Zfp為無源濾波器等效阻抗，Zl為諧波負載等效阻抗，Uc有源濾波器APF等效電壓源。對每個電壓源單獨工作時的等效電路分別采用疊加定理進行分析。

圖2 單相等效電路圖

由疊加定理可知：

5.仿真與結果分析

通過MATLAB軟件分別對當加入傳統的或改進的混合有源濾波器時的風電和光伏發(fā)電系統進行仿真。仿真模型如圖3所示。在仿真中，常見的三相晶閘管橋式整流電路的感性負載用來模擬風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統產生的諧波。其中，三相電源采用理想電壓源，直流側電阻為16Ω，L為0.4mH。仿真結果如圖4圖5所示。

從圖4中可知，當風電并網系統或光伏放電系統加入傳統的混合有源濾波器后，得到的三相電流波形中有毛刺存在，電流畸變率為7.06%。說明傳統的混合有源濾波器在并網時，雖然能將諧波大量濾除，但是還有高次諧波存在，濾波效果不是很理想。從圖5中可看到，當并網系統中加入改進的濾波器后，得到的電流波形非常的接近正弦波形，諧波畸變率降到了2.27%，達到了預期效果。說明改進后的濾波器在新能源并網時，濾波效果良好。

圖3 仿真模型

圖4 傳統的濾波仿真圖

圖5 改進后的濾波仿真圖

6.結論

通過對風力發(fā)電系統和光伏發(fā)電系統的分析得出，并網時諧波主要是由逆變器、控制器等電力電子器件頻繁的開斷而產生的。由于諧波電流的引入，使變壓器等配電設備的損耗增加，加速設備絕緣老化、降低使用壽命，嚴重影響了配電網的可靠運行。針對并網時諧波產生的原因，提出了在與電網并網的接點處，采用改進的有源濾波器對諧波進行濾除。通過仿真結果的分析與對比，驗證了此方法的可行性，可為解決新能源并網時的諧波問題提供一定的理論參考。

[1]丁明,王敏．分布式發(fā)電技術[J]．電力自動化設備,2004,24(7): 31-36．

[2]梁有偉,胡志堅等．分布式發(fā)電及其在電力系統中的應用研究綜述[J]．電網技術,2003,27(12):71-75．

[3]王成山,王守相．分布式發(fā)電供能系統若干問題研究[J]．電力系統自動化,2008,20(32):1-4．

[4]蘇亮．微電網并入對電網諧波的影響及濾除策略的研究[D]．遼寧工業(yè)大學,2014,03,01．

[5]余昆,曹一家,倪以信等．分布式發(fā)電技術及其并網運行研究綜述[J]．河海大學學報:自然科學版,2009,37(6):741-748．

[6]李鵬,陳繼軍．分布式發(fā)電及其并網對配電網的影響[J]．廣東電力,2012,25(1):75-79．

[7]韋鋼,吳偉力,胡丹云,李智華．分布式電源及其并網時對電網的影響[J]．高電壓技術,2007,23(1):36-40．

王正（1962－），男，沈陽人，教授，博士，主要從事特種電機及其控制電力電子與電力拖動的研究。