沈陽工業(yè)大學 王 正 黨小峰

新能源發(fā)電并網(wǎng)時諧波對配電設(shè)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(wǎng)時諧波對配電設(shè)備產(chǎn)生的影響，本文從分析風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時諧波產(chǎn)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(shè)備產(chǎn)生的影響。提出了采用改進的并聯(lián)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(yù)期效果，此方法能夠消弱諧波?？蔀椴⒕W(wǎng)時解決諧波問題提供了一定的理論參考。

新能源并網(wǎng)；諧波；配電設(shè)備；并聯(lián)混合型有源濾波器

1.引言

隨著經(jīng)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(shù)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(shù)引起了人們的關(guān)注。諧波電流的出現(xiàn)嚴重影響了配電設(shè)備的正常工作，使配電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，影響配電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。因此，研究新能源并網(wǎng)時諧波對配電設(shè)備的影響是保證配電網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵。

為了研究新能源并網(wǎng)時諧波對配電設(shè)備產(chǎn)生的影響，本文從分析風力和光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時諧波產(chǎn)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(shè)備產(chǎn)生的影響。并提出了采用改進的并聯(lián)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(wǎng)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(tǒng)中諧波產(chǎn)生原因

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

而光伏發(fā)電系統(tǒng)中容易出現(xiàn)的大量諧波和三相不平衡電流等問題，是系統(tǒng)中控制器、逆變器等電力電子裝置產(chǎn)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(chǎn)生在直流側(cè)，而且在被開關(guān)函數(shù)調(diào)制之后，非特征諧波電流會產(chǎn)生在交流側(cè)。因此，光伏并網(wǎng)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(shè)備的影響分析

通過對風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析，可知諧波是影響新能源并網(wǎng)的主要問題之一。隨著并網(wǎng)技術(shù)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(wǎng)時發(fā)電輸出功率具有隨機波動性和間歇性，對配電網(wǎng)的正常運行產(chǎn)生不利的影響。因此，分析諧波對配電設(shè)備的危害是保證新能源并網(wǎng)時配電網(wǎng)正常運行的關(guān)鍵[7-8]。

3.1 對發(fā)電機的影響

諧波使發(fā)電機產(chǎn)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(chǎn)生附加諧波分量，使發(fā)電機轉(zhuǎn)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(shù)倍次諧波會形成環(huán)流在其繞組內(nèi)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(chǎn)生在電網(wǎng)中分布電容較大或在裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，它使得變壓器、電容器及導(dǎo)線等設(shè)備發(fā)熱，增加了設(shè)備附加損耗、噪聲，減少使用壽命甚至直接使設(shè)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(shù)倍，導(dǎo)體內(nèi)部高頻電流經(jīng)過時，由于集膚效應(yīng)的存在，使導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)中的諧波頻率位于諧振區(qū)內(nèi)時，有可能造成短路，最終使溫度升高引起火災(zāi)，導(dǎo)致供電系統(tǒng)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(xiàn)象，導(dǎo)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(shù)，和因為電纜導(dǎo)體截面積越大變得明顯的集膚效應(yīng)，最終增加了導(dǎo)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(guān)柜局部過熱，絕緣老化，嚴重時導(dǎo)致絕緣擊穿或燒毀；使開關(guān)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(tǒng)事故，使配電系統(tǒng)的無法安全運行。

4.抑制諧波的措施

圖1 并網(wǎng)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(tǒng)電源，Zs為系統(tǒng)等效阻抗，Z1為直流側(cè)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(jié)果分析

通過MATLAB軟件分別對當加入傳統(tǒng)的或改進的混合有源濾波器時的風電和光伏發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)產(chǎn)生的諧波。其中，三相電源采用理想電壓源，直流側(cè)電阻為16Ω，L為0.4mH。仿真結(jié)果如圖4圖5所示。

從圖4中可知，當風電并網(wǎng)系統(tǒng)或光伏放電系統(tǒng)加入傳統(tǒng)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(tǒng)的混合有源濾波器在并網(wǎng)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(wǎng)系統(tǒng)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(yù)期效果。說明改進后的濾波器在新能源并網(wǎng)時，濾波效果良好。

圖3 仿真模型

圖4 傳統(tǒng)的濾波仿真圖

圖5 改進后的濾波仿真圖

6.結(jié)論

通過對風力發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析得出，并網(wǎng)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(chǎn)生的。由于諧波電流的引入，使變壓器等配電設(shè)備的損耗增加，加速設(shè)備絕緣老化、降低使用壽命，嚴重影響了配電網(wǎng)的可靠運行。針對并網(wǎng)時諧波產(chǎn)生的原因，提出了在與電網(wǎng)并網(wǎng)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(jié)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(wǎng)時的諧波問題提供一定的理論參考。

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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。