分布式能源配電網(wǎng)的諧波特性及治理研究

韶關(guān)市擎能設(shè)計(jì)有限公司 李婉霞

引言

電能從生產(chǎn)、傳變、傳輸?shù)较乃膫€(gè)過(guò)程均可能導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生，諧波的存在會(huì)增加電能從產(chǎn)生到消費(fèi)整個(gè)過(guò)程的附加損耗，導(dǎo)致設(shè)備過(guò)熱，降低設(shè)備效率和設(shè)備使用壽命。同時(shí)，它還將影響到保護(hù)設(shè)備動(dòng)作的正確性，測(cè)控裝置及測(cè)量?jī)x表指示和計(jì)量準(zhǔn)確性，干擾通信系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

為了提高供電電能質(zhì)量，減少諧波污染，人們?cè)谠缙谑褂媒Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本的無(wú)源電力濾波器抑制諧波，但其存在的嚴(yán)重缺陷已被證實(shí)，如過(guò)濾功能受電網(wǎng)阻抗和頻率的影響嚴(yán)重，且與電網(wǎng)阻抗極易產(chǎn)生串/并聯(lián)諧波。

1 主動(dòng)諧波管理技術(shù)

常見(jiàn)的光伏、風(fēng)電、分布式儲(chǔ)能等DER都是利用三相換流器實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的，且它們使用的三相換流器結(jié)構(gòu)和控制策略相同，常采用通過(guò)閉環(huán)控制并網(wǎng)的有功和無(wú)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(fēng)電自身間歇、波動(dòng)的特性，并網(wǎng)時(shí)其換流器并非工作在額定功率下，而分布式儲(chǔ)能要實(shí)現(xiàn)“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(jié)同時(shí)研究光伏、風(fēng)電、分布式儲(chǔ)能等DER給ADN帶來(lái)的諧波方面的影響。主動(dòng)諧波治理是從諧波源自身出發(fā)，在源頭上抑制、消除諧波，其主要的辦法如下。

1.1 運(yùn)用脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)理

選用脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)理可以使整流器上的諧波削弱，將波形轉(zhuǎn)化成正弦波，在整流的過(guò)程中，其電路的模型如圖1所示，在運(yùn)用脈沖的寬度進(jìn)行整流時(shí)，其整流的負(fù)載不高，并且網(wǎng)測(cè)功率的因數(shù)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(shù)和脈沖數(shù)

對(duì)變流裝置進(jìn)行改造，使之形成規(guī)定的移向角，運(yùn)用換流變壓器，能夠降低諧波，一般可以運(yùn)用十二脈波進(jìn)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(shù)的變流器

將變頻器設(shè)置成矩陣式的，也可以運(yùn)用不同方向的變流器，這樣能夠使變流器產(chǎn)生的諧波向四周分散，矩陣變流器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

該濾波器能在電網(wǎng)運(yùn)行中吸收諧波，實(shí)現(xiàn)了自由功率補(bǔ)償機(jī)制，濾波裝置由諧波電容器和電抗器組成，并與諧波源并聯(lián)。一般來(lái)說(shuō)，由周邊產(chǎn)生的諧波會(huì)有公用電網(wǎng)，可以連接到濾波器，它能及時(shí)地吸收電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的諧波，但也可以實(shí)現(xiàn)免費(fèi)的電力補(bǔ)償，設(shè)備的維護(hù)并不復(fù)雜。

圖3 矩陣變換器的結(jié)構(gòu)圖

2 諧波檢測(cè)方法

諧波檢測(cè)辦法的實(shí)時(shí)性和精度影響有源電力濾波器的諧波管理效果，多見(jiàn)的諧波檢查辦法主要如下。

傳統(tǒng)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(hào)中除掉基波重量，再對(duì)余下重量進(jìn)行反改換，即可得到諧波電流的時(shí)域信號(hào)。

改善的傅立葉級(jí)數(shù)法。其理論依據(jù)是經(jīng)過(guò)傅立葉改換核算電流基波重量，從負(fù)載電流中減去基波重量。具體做法是：修正了傅立葉級(jí)數(shù)方程，得到了一個(gè)帶有滑動(dòng)窗口的回歸方程，選擇了兩個(gè)不同的循環(huán)序列來(lái)存儲(chǔ)每個(gè)采樣子周期計(jì)算的正余弦系數(shù)，數(shù)據(jù)值實(shí)時(shí)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(shí)際電路中的相負(fù)載等效于每個(gè)相的等效電導(dǎo)，電路中的功率以等效電導(dǎo)消耗，沒(méi)有其他能量損失。基于等效電導(dǎo)率，可以計(jì)算出當(dāng)前的重量。

瞬時(shí)無(wú)功功率法。本文將相位電壓和電流轉(zhuǎn)換為兩相正交系統(tǒng)，計(jì)算瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率。低通濾波后得到直流分量，得到兩相波的電流。通過(guò)從基波中減去電流，減去基本波數(shù)，得到諧波電流。

3 諧波控制策略及其控制方法

隨著工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越復(fù)雜，工業(yè)負(fù)載引起的不再是單一的諧波問(wèn)題，需要在抑制諧波的時(shí)候補(bǔ)償大量無(wú)功功率、抑制電壓閃變。同時(shí)，電力電子技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了諧波治理新技術(shù)的涌現(xiàn)。

傳統(tǒng)配電網(wǎng)通過(guò)增加電網(wǎng)容量裕度和調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)以保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，高滲透率分布式能源(distributed energy resource，DER)并網(wǎng)容易引起電網(wǎng)電壓越限、雙向潮流問(wèn)題。若通過(guò)調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)頻繁投切分布式電源解決，成本太高；且電力負(fù)荷增長(zhǎng)率低，增加電網(wǎng)容量裕度顯然不科學(xué)。

在此背景下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出借用信息與通信技術(shù)和控制理論實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的主動(dòng)控制，以解決高滲透率DER接入的問(wèn)題，并于2008年在國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE)上提出了主動(dòng)配電網(wǎng)(ADN)的概念，指出ADN可以通過(guò)靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)管理潮流。DER基本構(gòu)成是:分布式電源(DG，包括光電PV、風(fēng)電WPG等)、分布式儲(chǔ)能、可控負(fù)荷(電動(dòng)汽車EV、響應(yīng)負(fù)荷RL)。

3.1 工業(yè)整流負(fù)載規(guī)劃與抵償一體化技術(shù)

3.1.1 高壓側(cè)整流體系抵償技術(shù)

在進(jìn)行工業(yè)整流負(fù)載規(guī)劃時(shí)，一方面盡量下降負(fù)載諧波含量和提升功率因數(shù)，另一方面思考諧波與無(wú)功綜合抵償。此種技術(shù)的特色是有載調(diào)壓使整流裝置觸發(fā)角處于較小狀態(tài)，提升功率因數(shù)，構(gòu)成12脈波下降諧波。

3.1.2 低壓側(cè)整流體系抵償技術(shù)

對(duì)于電解電鍍用的大功率高頻開(kāi)關(guān)電源，前級(jí)整流構(gòu)造通常選用不可控整流或晶閘管相控整流方法，導(dǎo)致大量諧波，嚴(yán)重污染電網(wǎng)。傳統(tǒng)解決計(jì)劃是在公共母線側(cè)裝置有源濾波器組，一般來(lái)說(shuō)，器件的諧波含量為5、7、11、13次，以濾除諧波，補(bǔ)償無(wú)功功率。被動(dòng)功率濾波方法體積大、成本高、缺陷多、濾波能力有限，但簡(jiǎn)單可靠。今天的解決方案是使用高頻PWM整流器，而不是無(wú)法控制的整流器。電解電鍍?yōu)橹绷麟娫垂╇姡行У亟档土穗娋W(wǎng)側(cè)電流的諧波含量，提高了功率因數(shù)。

4 諧波治理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

工業(yè)供電質(zhì)量要求越來(lái)越高，許多分布式發(fā)電接入電網(wǎng)、智能電網(wǎng)的建造和開(kāi)展等因素賦予了諧波管理技術(shù)新的開(kāi)展方向和內(nèi)容，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

諧波治理將在諧波源處進(jìn)行。諧波主動(dòng)管理技術(shù)將會(huì)得到不斷的重視，許多工業(yè)負(fù)載在進(jìn)行計(jì)劃時(shí)將采納適宜的低諧波技術(shù)計(jì)劃，以降低諧波帶來(lái)的負(fù)面影響，以及管理諧波帶來(lái)的額定成本。

中高壓諧波按捺技術(shù)的前進(jìn)及使用。現(xiàn)在在國(guó)內(nèi)低壓配網(wǎng)(380V)側(cè)的諧波按捺技術(shù)已進(jìn)入工業(yè)實(shí)用化進(jìn)程，有關(guān)技術(shù)逐步成熟。但在6kV、10kV等中高壓配網(wǎng)諧波管理技術(shù)的使用研究還須進(jìn)一步完善，特別是輸電系統(tǒng)的諧波抑制技術(shù)。

5 結(jié)論

電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，導(dǎo)致電力系統(tǒng)的效率下降，并會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障。因此，在電網(wǎng)運(yùn)行管理中，通過(guò)對(duì)諧波檢測(cè)和控制，實(shí)現(xiàn)線性滯環(huán)電流控制和電流控制方法，如諧波檢測(cè)的過(guò)程中，可以使用傅里葉級(jí)數(shù)法和瞬時(shí)反應(yīng)法，使諧波的檢測(cè)更準(zhǔn)確。