電力系統中的諧波分析與抑制技術研究

國網浙江省電力有限公司淳安縣供電公司 孫紅曉

在當前新能源技術不斷發展的基礎上，分布式電源發電面臨更多的考驗，其中微電網結構因為具有明顯的特殊性，在其內部結構中存在大量電力設備，這成為諧波的主要來源。現代研究發現，諧波問題會極大影響電力系統的安全，例如可能會造成并聯諧振或者造成儀器誤動作等。為了避免上述問題發生，則需要尋找一種消除電力系統諧波的技術方案，這也是本文研究的主要目的。

1 電力系統諧波分析

1.1 項目背景

本廠早在2011年就開始了風電并網工作，并且近幾年隨著光伏發電技術的發展，加快推進光電并網成為本廠近期工作的重點內容。在上述技術背景下，本廠積極推動微電網建設工作，從技術優勢來看，微電網作為一種在孤立條件下能夠獨立運行的電力網絡，可并在大電網旁邊也能孤立系統，隔離裝置將微電網與大電網相連接并將電能運送到大電網，或者與用戶相連將電能直接輸送給用戶。本廠將風能、太陽能等衛星電源組成微電網，可降低地域條件限制對新能源并網的影響，具有廣闊的發展前景。

根據本廠實際情況發現，在采用微電網技術后導致電力系統出現了嚴重的諧波問題，是造成電能質量下降的主要原因，會對各方用電產生極大影響，主要表現為：諧波問題會增加電力系統的損耗。諧波屬于額外向電網注入的電流，在正常運行條件下會造成額外損耗，導致電能運輸效率明顯下降；電力系統中大部分設備對諧波的抵抗能力偏低，導致設備可能會因為諧波干擾而無法處于理想的狀態。例如本廠在對部分設備觀察后，發現受到諧波的影響導致設備溫度快速上升，此時設備出現質量故障的概率明顯增加；在電力系統中增設大量電容電感元件，在諧波作用下導致電容電感元件異常，造成電壓畸變增加，嚴重影響電能質量。

1.2 諧波來源研究

結合本廠的實際情況，傳統電網以及微電網均會產生諧波問題，不容忽視。

1.2.1 傳統電網的諧波來源

發電系統產生的諧波。在發電機運行期間受到設備自身結構特征以及制作流程的影響，導致其繞組在三相上無法實現完全對稱，并且鐵芯在加工制作期間也可能會因為工藝問題而無法保證完全均勻。受到上述生產工藝問題的影響，將會導致發電機在生成電源的同時也會產生大量諧波電勢，隨著諧波電勢的增加會造成嚴重的電網波形畸形問題，最終發展為諧波破壞；輸配電系統。根據本廠的現場調查發現，當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直接影響諧波的大小。

用電設備。目前在電力系統中各種非線性負載設備的使用會導致諧波失衡，根據本廠的調查研究發現，在電力系統中增加了大量容易產生波動性負荷的設備（包括軋鋼機、電焊機）會導致諧波產生。同時居民日常生活中所使用的高壓泵燈、電視機、空調機等都可能產生諧波。

1.2.2 微電網的諧波來源

光伏發電系統諧波問題。本廠在光伏發電期間需要使用大量電力電子裝置，如整流器、逆變器等，上述設備在運行期間可能出現諧波問題，并引發三相不平衡電流問題。有學者研究認為，當變流器在理想工況下運行時，其直流側調制生成的諧波電壓約為6k 次，而系統側受到開關函數等因素影響，導致本側會出現“6k ＋1”次的諧波電流，但是在實際情況下，變流器無法保證時刻處于理想的工作狀態下，導致對應直流側可能出現非特征諧波電壓，進而改變交流側的諧波電流[1]。在上述作用機制的影響下，導致光伏發電系統出現了較為嚴重的諧波問題。

風力發電系統的諧波問題。與太陽能相比，風力發電過程中更具復雜性，這是因為風向本身是不確定的，且風速自身具有多變性。為解決該問題，本廠采用了變速恒頻式風力發電機，但是該裝置導致風力發電中更容易出現諧波問題。這是因為風力發電主要是利用風力帶動設備產生機械能并最終轉換為電能，在上述發電過程之中，當轉子電壓中產生諧波電流時會在定子側感應生成諧波電流，其中的表達方式如公式所示式中：f表示發電機定子的諧波頻率；fk+表示轉子k在定子側產生的正序諧波電流值；f'k+表示轉子k次正序諧波電壓頻率；s表示時間參數。通過上述數據可以發現，fk+的大小與f'k+以及f之間存在密切關系，而在變速恒頻式風力發電機組導致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。

微電網自身負載問題也可能引發諧波。新能源發電本身具有不穩定性，導致相關電力設備在運行期間可能出現功率波動，導致微電網諧波含量偏高。同時當前的微電網中含有大量非線性設備，隨著此類設備運行時間的延長也將會生成大量諧波，根據本廠實際情況來看，非線性電弧設備—交流電弧設備所產生的諧波量最多。有學者研究認為，微電源系統本身存在大量諧波，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濾波器即可有效緩解諧波問題。

2 電力系統中的諧波抑制技術研究

目前，針對電力系統中的諧波問題，可以采取的處置方式包括增加無源濾波器或者有源濾波器等，各種方法比較后可以發現，有源濾波器具有適用范圍廣、控制策略多樣等優點，能夠滿足本廠電網諧波處理要求。

2.1 比例積分控制方法

比例積分控制（PI）策略是電力系統中諧波抑制技術中較為常見的諧波抑制方法，具有原理簡單、參數調試方便等優點，通過比例積分控制器能精準跟蹤電流變化情況，技術應用中主要利用線性系統預先設定安全值，系統通過檢測安全值與設置值之間的差值完成系統控制。該方法利用比例積分調節作用，電力系統受到諧波的影響會導致誤差出現，系統識別誤差后將會自動啟動控制，盡量縮小系統偏差，最終將比例積分控制器設定在適宜的比例系數范圍內。

從技術優勢來看，比例積分控制技術可消除電力系統中的數據誤差、并顯著提升數據處理精度，期間當系統出現靜態誤差后則會自動開始積分環節，經控制器處理后可消除其中的靜態誤差。正常情況下積分環節與系統之間的誤差受到時間參數影響，主要表現為：通過增加時間參數，則會降低細分環節的作用；若降低時間參數，則會強化其作用控制效果。因此在具體操作中通常會選擇聯合使用不利作用與積分作用，構建比例積分控制器達到盡量消除其中誤差的目的。

本文結合本廠實際情況，評價了引入比例積分控制方法后不同時間段的總諧波畸變率變化情況，具體而言，1～5工況下其實施前、后的總諧波畸變率（單位：%）變化結果如下：5.93/1.93、7.01/2.44、5.82/2.30、6.41/2.58、6.09/1.89。根據以上相關數據對比，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家并網的技術要求，該結果證明本廠采用的比例積分控制方法科學合理。

2.2 重復控制策略

2.2.1 重復控制方案

從諧波控制角度來看，重復控制以內膜原理為基礎，是一種高精度的諧波控制方法，其功能是提升系統準確率并降低系統出現的周期性干擾問題。從技術原理來看，該技術屬于一種系統反饋模式，在數據處理中通過消除其中的靜態誤差，可以實現系統的無誤差追蹤。此時為保證數據處理結果，在重復控制策略中可考慮在重復控制器中增加正弦函數數學模型，整個函數的數據計算方法如公式所示：

式中：G（s）表示正弦函數；ωn表示基波角頻率值；s表示時間參數。按照該公式的計算要求，在正弦函數中無論是基波角頻率值變化、還是輸入指令變化都會導致最終函數處理結果改變，并且對于電力系統而言，系統的諧波信號是由多個不同頻率周期信號相互疊加而來，因此為消除其中的數據誤差，則需要對任意諧波做無誤差跟蹤，此時應在系統中為所有頻率諧波增加內膜，但這種方法無疑會顯著增加系統計算難度[3]。

為解決上述問題，本廠在重復控制策略中將圍繞諧波信號的共同特征制定處置對策，即在任意一個基波周期的波形均與上一周期相同，根據上述特征，在重復控制策略中將通過連續控制幾個類似的周期，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。在本廠采用的重復控制方案相當于在原有電力系統結構基礎上，增加了一個周期延遲性的正反饋信號，此時電力系統輸出信號將會在特定的時間周期內重復出現并快速疊加，此時主要持續跟蹤信號誤差，則可以累積疊加其中的誤差，直至誤差信號完全消失，并且此時輸出信號波形不會出現明顯變化。

2.2.2 系統模擬控制

為判斷重復控制策略在消除電力系統諧波中的價值，本廠結合實際工況，設定輸入信號為50Hz，并選擇在s=0.1s 時添加補償，最終經重復控制處理后發現電流波形顯著改善，其諧波抑制相關數據如表1所示。

表1 重復控制的諧波抑制效果（單位：%）

根據表1所記錄的相關數據可知，在實施重復控制策略后，本廠電力系統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，證明該方法科學有效[4]。

2.3 聯合控制策略

根據前文對兩種技術的研究可以發現，重復控制策略與比例積分控制策略各有優勢，其中比例積分控制策略的響應速度快，且能夠面向載波形成快速控制。重復控制則可針對激波周期完成高精度控制，但無法對可能出現的異常情況實現快速響應[5]。為解決上述問題，本廠將通過充分整合兩項技術的優勢提升諧波抑制效果，在具體操作中將通過并聯式復合控制方式完成兩種結構的并聯。

按照上述方法對本廠諧波控制問題做模擬仿真后，結果顯示系統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數據，證明兩種方法聯用后則有較為滿意的諧波抑制效果。本廠的成功經驗顯示，與任意一種單一控制方法相比，本文所介紹的聯合控制方法更具優勢，能顯著提升微電網電能質量[6]。

3 結語

現階段，諧波問題將會嚴重影響電力系統的正常運行能力。根據本廠實際情況來看，造成諧波的原因較多，除新能源系統外，傳統電力系統在運行期間也存在可能誘發諧波的危險因素，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，爭取通過聯合控制方法提升諧波抑制效能、降低總諧波畸變率，這對于電網平穩運行的意義重大，值得推廣。