微電網諧波特性分析及影響研究

韓子嬌，苑 舜，張稼楠，鄭 旭，董鶴楠

(1.沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；3.國家能源局東北監管局，遼寧 沈陽 110006；4.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

隨著電力工業的發展，傳統的集中供電模式已經不能滿足電能傳輸的靈活、環保、高效利用，而微電網技術采用集中和分散相結合供電模式，能夠克服傳統集中供電模式的缺點[1]。微電網既可以并網運行(并網型微電網)與大電網相互支撐，也可孤立運行(獨立型微電網)，脫離大電網構建成一個獨立系統，實現發用電相平衡[2-4]。孤島運行模式下的微電網，由于大多類型的微源接入微電網需采用逆變控制技術，微電網的系統內部含有大量電力電子設備，因此微電網具備完整的控制策略、發配電機制以及保護功能，能夠實現發電側中不同類型電源之間的調度優化功和功率平衡，脫離大電網時可完備自身系統的穩定性。當微電網并網運行時，可將內部多個微源視為一個整體，作為局部電力系統，參與整個大電網的調度[5-6]。

在整個交流電力系統發展過程中，從最開始汞弧變流器引起的電壓、電流的波形畸變到現代電力電子裝置在電力、交通等多個工業部門中的廣泛應用，波形畸變和諧波問題一直是電力系統研究以及工程應用所關注的重點。諧波帶來的危害必須予以充分重視，尤其是在整個電力系統中越接近公共耦合點，諧波產生的影響越大[7]。文獻[8]指出在微電網并網運行中大量全控型電力電子器件使用及多種非線性負荷投切，能夠導致電壓波形產生嚴重畸變、諧波含量增加。在孤島運行時，由于失去傳統電網的支撐，此問題表現得更為嚴重[9]。另外，隨著電力電子設備的普及，在進行電力系統諧波分析研究時，電力電子設備已經成為不能忽視的諧波源。此外，考慮包括用戶側其他非線性設備，其大規模接入微電網影響電網安全運行，帶來的電能質量問題不能忽視[10-11]。相對于傳統電網結構，由于微電網自身結構的不同，系統網架結構比較脆弱，更容易引起電能質量問題[12]。

本文的主要工作首先對諧波產生的機理以及諧波的來源進行分析和總結，首先搭建三相交流電路的仿真模型，分析非線性負荷接入時的諧波影響。同時在國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院開展微電網半實物仿真試驗，對采用對等控制內部并且含有模擬風機、儲能電池、光伏電源等微源的微電網開展試驗，在并網、離并網轉換、離網運行模式下進行測試，在不同的負荷投切下得到不同運行工況的諧波數據。進而分析出微電網在非線性負荷干擾下不同運行狀態下諧波的特性。

1 諧波產生機理

在交流供電系統中，通常希望電壓電流波形能夠呈現完整的正弦波，但如果發生波形畸變，供電電壓波形超過規定的諧波限值，會造成電能傳輸利用效率降低、電氣設施絕緣老化、局部諧振等危害，嚴重時可能會造成工程事故，影響微電網的穩定運行[13]。電力系統諧波的產生多源于電力系統中復雜的內部阻抗以及系統內部和負載中的諧波源。在進行諧波產生機理分析中，非線性負荷引起諧波過程由圖1所示。

圖1 非線性電阻引起的電流畸變

從圖1可以看出，所采用的電阻作為無源元件，設定其V-I特性曲線是非線性變化的，v(t)是標準的正弦波形，將v(t)作為激勵源施加在電阻元件兩端，流過線路和電阻元件的電流波形產生了很大的畸變[14]。當電壓出現波動時，響應電流可能發生成倍的變化。如果在微電網中，注入的諧波電流經過系統中復雜的阻抗時，會進一步引起電壓諧波。微電網的非線性負載多是負載側的整流器件、電弧設備等這些非線性設備。

在進行諧波定義和諧波分析時，需要引入傅里葉級數，對于T=2π/ω的非正弦波形可視為不同頻次的正弦波疊加的，在滿足狄里赫利條件，可以分解成n組頻率為nω/2π正弦波形。在分解的不同頻率正弦波分量之中，n為1的分量，為波形的基波，n>1的分量稱為諧波分量，我國交流供電的頻率也就是規定的基波頻率f=50 Hz，不同次的諧波頻率一般是50 Hz的整數倍。諧波幅值隨著次數n的增加而變小，導致的影響也隨之變小，畸變的波形疊加如圖2所示。

圖2 畸變波形的傅里葉級數表示

在考慮特定次諧波的影響時需要引入n次諧波含有率(HRUn)的概念，可以用來表示某特定次諧波的影響，具體表示為h次諧波的方均根值與基波有效值之比。在考慮總諧波影響時引入總諧波畸變率(THD)的概念表示電壓波形諧波畸變的嚴重程度，GB/T14549《電能質量 公共電網諧波》對總諧波電壓THDU畸變率做了詳細的規定。對于各次諧波Uh(h≠1)取方均根值，與基波之比。表示如下：

(1)

對于限制諧波標準的制定和修訂可以為治理諧波提供依據，目前多個國家和學術組織都已致力于此項工作。GB/T14549—1993對不同電壓等級的的總諧波畸變率明確的限制規定，通常在考慮不同次諧波對電力系統影響時，基于偶次諧波和奇次諧波治理方式以及影響，偶次諧波制定的限制要嚴于奇次諧波，各次諧波電壓含有率的限制標準也有所不同，具體見表1所示。

表1 公共電網諧波電壓

2 微電網中的諧波特性分析

2.1 微電網諧波源分類

傳統電力系統諧波產生的原因多為發輸配過程中內部產生諧波或者是負載側的電力電子設備、非線性設備的接入。微電網系統區別于傳統的電力系統，不同類型的微源內部含有大量的逆變整流裝置，在整個微電網系統中，微源含有的大量電力電子設備是主要的諧波污染源，其次是用戶側用電設備如變頻器、整流設備、電弧性設備等，負載中的大量非線性負載是微電網系統中必須要引起重視的諧波污染源。對比兩者，非線性負載所占比重較大[15-16]。經過上述諧波產生機理的分析，非線性負載引起電流的畸變，能夠向微電網系統中注入大量的諧波電流，流經系統阻抗時會進一步產生電壓波形畸變、降低功率因數問題，更為嚴重的情況，如果加裝電容器在參數合適時會引起系統局部諧振，進一步放大了微電網中的諧波電流。此外，諧波能夠導致一些電力設備比如電機、變壓器等設備在繞組和鐵芯中產生附加損耗，引起設備過熱、震動、噪聲等。可能導致設備的損壞，引起微電網整個系統的潰裂[17-18]。在用戶側常見的非線性負荷三相電力電子變流器設備及電弧性設備。

a.三相電力電子變流器

三相電力電子變流器的構成具體包括變壓器、濾波、整流模塊等。廣泛應用于電力、交通、化工等多個工業部門中。考慮用戶變流器的具體用法，在接入電網進行分析時，對接入的負載、高頻DC/DC模塊等可簡化為一個非線性電阻，此外內部整流電路在整流過程中也會產生的波形畸變。目前電力電子變流器是不可忽視的諧波源，如 6脈動PWM整流電路其交流側諧波電流主要為 6k±1 次，k=1，2，3，…，即 5 次、7次、11次、13次，且諧波次數越高，其有效值越小，影響最大的是5次、7次、11次諧波。

b.電弧性設備

電弧性設備主要包括電焊機、電弧噴涂機、電弧爐等，電弧作為高溫熱源在噴鍍、焊接、冶金等方面得到廣泛的應用。電弧設備的使用特性為電弧在引弧階段需要由電弧設備提供高壓低流，在燃弧階段需要設備提供高流低壓。電弧的V-I特性曲線是非線性的。電弧視為一個理想的電氣元件，是典型的非線性電阻，在接入微電網進行分析時是典型的諧波污染源，產生的諧波無序，相對較為復雜。

2.2 微電網諧波特性分析及仿真

針對微電網的諧波特性，本文在MATLAB中搭建三相交流電路，交流側為三相220 V、50 Hz的正弦交流電壓，交流側阻抗為R1=21 Ω，L1=0.7 mH，C1=0.41 mF；負載側中阻感的R=0.02 Ω，L=0.1 mH；初始給定的電壓值是540 V，模型如圖3所示。

圖3 三相交流電路負荷模型圖

仿真總時長設定為2 s，投入帶125 kW普通負荷的三相電流及電壓波形如圖4所示。

(a)電流變化曲線

設定運行至1 s時，重點對含有非線性負荷的微電網進行仿真，具體分析離網運行情況下的波形圖，投入非線性負荷，其仿真波形如圖5所示。

圖5 非線性負荷投入前后電壓變化圖

對比投入非線性負荷1 s投入前后的電壓波形，對電壓波形進行FFT分析，具體的諧波情況如圖6所示。

(a)投切前

從圖6可以看出，投入非線性負載前后諧波電壓分別為THD=0.95%和THD=1.77%，投切非線性負荷后，電壓波形的畸變率出現明顯的增加，即非線性負荷影響了微電網電壓質量，產生一定量的諧波。

3 微電網諧波影響研究

根據搭建的MATLAB仿真模型驗證了非線性負荷投入能夠對電能質量產生一定的影響。在國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院微電網實驗室進行進一步的分析，開展微電網運行試驗以及半實物仿真試驗驗證上述搭建模型的正確性以及開展微電網諧波測試，在并網、離并網轉換、離網運行模式下得到投入常規負荷和非線性負荷諧波數據，獲得諧波數據，對諧波特性做出分析。

國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院微電網實驗室是遼寧省清潔能源消納重點實驗室的一部分。含有光伏電源、模擬風機、鋰電池儲能等不同類型的微源，負載側包括可編程RLC負載、直流充電樁，具體的結構接線圖如圖7所示。

圖7 微電網結構接線圖

試驗研究的重點是在負荷投切過程中，在并網、離網運行兩種不同的運行狀態下，分析其電壓波形，對比正常負荷和非線性負荷的各次諧波情況。

3.1 正常負荷微電網運行工況

a.并網運行工況下，正常負載投入，其電壓波形及如圖8所示。

圖8 并網時PCC點電壓曲線(正常負載)

并網時基波與各次諧波的PCC點實測數據如圖9所示。

(a)基波

并網運行模式下，投入常規負載，A、B、C三相基波電壓分別為233.68 V、234.35 V、233.12 V，以A相為例，總諧波電壓畸變率為0.82%，主要的三相諧波3次、5次、7次諧波有效值為0.55 V、0.75 V、0.88 V，總體波形畸變不明顯。

b.離網運行工況下，投入常規負載，其電壓波形如圖10所示。

圖10 離網時PCC點電壓曲線(正常負載)

常規負載下基波與各次諧波的PCC點實測數據如圖11所示。

(a)基波

并網運行工況下，常規負載投入運行，A、B、C三相基波電壓分別為218.77 V、218.97 V、218.92 V，未出現三相不平衡狀況。以A相為例，總諧波電壓畸變率為1.01%，主要的三相諧波3次、5次、7次諧波有效值為0.60 V、1.86 V、0.89 V，總體波形畸變不明顯，5次諧波分量較大。

c.并網轉離網轉換工況下，常規負載投入，其電壓波形如圖12所示。

圖12 并離網轉換時PCC點電壓曲線(正常負載)

離并網轉換時基波與各次諧波的PCC點實測數據如圖13所示。

(a)基波

并網轉離網運行時，正常負載投入運行時，A、B、C三相基波電壓分別為229.41 V、230.07 V、229.38 V，三相電壓有效值大致相當，未出現明顯的三相不平衡狀況。分析以A相為例，總諧波電壓畸變率為0.97%，主要的3次、5次、7次諧波有效值為0.55 V、1.65 V、0.55 V，總體波形畸變不明顯。5次諧波次諧波分量較大。

3.2 非線性負荷微電網運行工況研究

a.并網運行工況下，非線性負荷負載投入，PCC點處的電壓波形如圖14所示。

圖14 并網時PCC點電壓曲線(非線性負載)

并網基波與各次諧波的PCC點實測數據如圖15所示。

(a)基波

并網運行時，非線性負載投入運行，A、B、C三相基波電壓分別為233.35 V、235.64 V、235.33 V，三相電壓有效值大致相當，未出現明顯的三相不平衡狀況。分析以A相為例，總諧波電壓畸變率為0.91%，主要的3次、5次、7次諧波有效值為0.32 V、1.04 V、0.55 V，總體波形畸變不明顯。5次諧波的諧波分量較大。

b.離網運行時，正常負載投入，其PCC點處電壓波形如圖16所示。

圖16 離網時PCC點電壓曲線(非線性負載)

離網時基波與各次諧波的PCC點實測數據如圖17所示。

(a)基波

離網運行模式下，投入非線性負載運行，A、B、C三相基波電壓分別為218.20 V、234.68 V、236.37 V。分析以A相為例，總諧波電壓畸變率為2.01%，主要的3次、5次、7次諧波有效值為4.12 V、1.20 V、0.93 V。波形畸變率增加，3次諧波的諧波分量較大。

c.并網轉離網轉換工況下，正常負載投入，其PCC點電壓波形如圖18所示。

圖18 并網轉離網時PCC點電壓曲線(非線性負載)

并網轉離網工況下基波與各次諧波的PCC點實測數據如圖19所示。

(a)基波

并網轉離網運行工況下，非線性負載投入運行，A、B、C三相基波電壓分別為226.24 V、219.71 V、218.97 V，三相電壓有效值大致相當，未出現明顯的三相不平衡狀況。分析以A相為例，總諧波電壓畸變率為1.51%，主要的3次、5次、7次諧波有效值為2.82 V、1.34 V、0.64 V，波形畸變率增加。諧波主要為3次諧波分量。

3.3 數據分析

根據本文試驗，可以得到微電網不同運行工況下的諧波數據主要包括線性、非線性負荷諧波電壓波形及各次諧波情況，通過對這些數據進行匯聚和整理，進一步分析不同負荷在不同運行的產生諧波情況，見表2、表3、表4所示。

表2 不同運行工況下含線性負載的微電網諧波數據

表3 不同運行工況下含非線性負載的微電網諧波數據

表4 不同運行工況不同負載狀況的微電網諧波數據

從表中數據可知，在微電網無論處于何種運行情況下非線性負荷的諧波畸變率THD大于線性負荷的諧波畸變率。并網運行情況下的諧波特征為5次諧波占比較大且非線性負荷諧波影響最大，對于3次諧波和7次諧波，非線性負荷THD比線性負荷小；離網運行情況下的諧波特征為3次諧波占比較大且非線性負荷的諧波影響最大，非線性負荷投入產生的5次諧波占比較小；并離網轉換運行情況下，3次諧波占比較大且非線性負荷諧波影響最大，線性負荷和非線性負荷的5次、7次諧波影響大致相當。諧波離網運行時諧波所受影響最大，其次是并離網轉換，最后是并網運行。

4 結論

本文基于對微電網諧波產生機理的分析，對微電網進行MATLAB建模及仿真分析非線性負荷投切后對電能質量的影響，隨后在國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，對采用對等控制包含模擬風機、光伏電源、儲能電池等微源模型的微電網運行模型開展測試，結論如下。

a.微電網中的諧波源主要來自于微源本身的電力電子設備和負載側的非線性負載。其中，其中導致諧波畸變的非線性設備具體包括三相電力電子變流器、電弧類設備等。

b.對非線性負荷進行MATLAB仿真，對比非線性負荷投切前后電壓波形的變化，非線性負荷接入微電網影響了微電網電壓質量。

c.微電網處于何種運行工況中，對比相同工況下接入非線性負荷和線性負荷，非線性負荷帶來的諧波影響較大，但其中影響最大的是某特定階次的諧波，不同階次的諧波對不同工況的影響可能不同。

d.從運行工況來看，由于微電網本身的特殊結構，離網運行時脫離大電網的支撐后，諧波受影響最大，影響最小的是并網運行。