DQZHAN訊：分布式電源并網的諧波問題分析
摘要：大規模分布式新能源經變流器接入電網，對電力系統諧波問題的分析研究帶來了新的挑戰。本文針對分布式電源并網產生的諧波問題，本文研究了其產生原因及抑制方法。首先介紹諧波的含義及其危害，然后分析了分布式電源并網產生諧波的原因，以及分布式電源并網產生的諧波與傳統電網諧波的不同之處，*后重點分析諧波的抑制措施，闡述了各種措施的原理、具體實施方法及優缺點。
引言
為了實現能源的就地開發與利用，減少遠距離輸電損耗，一種高效、環保、靈活的新型發電技術——分布式發電(DG)，成為智能電網中一項重要的組成部分。分布式發電屬于接入配電網的小規模發電系統，并網后會對電網的電能質量產生潛在影響，目前對分布式電源接入產生的各種電能質量問題的總體論述較多，而對諧波問題的專題討論不多，本文將對分布式電源接入的諧波問題進行研究，首先介紹諧波的含義及其危害、分布式電源并網產生的諧波，之后重點分析諧波的抑制措施。
1 諧波的含義及危害
任何周期性的畸變波形都可用正弦波形的和表示，如圖1所示。也就是說，當畸變波形的每個周期都相同時，則該波形可用一系列頻率為基波頻率整數倍的理想正弦波形的和來表示。其中，頻率為基波頻率整數
的分量稱為諧波，而一系列正弦波形的和稱為傅里葉級數。
圖1 畸變波形的Fourier級數表示
在頻域分析中，將畸變的周期性電壓和電流分解成傅里葉級數
式中
- ω1工頻(即基波)的角頻率，rad/s;
- h諧波次數;
- Uh、Ih 分別為第次諧波電壓和電流的均方根值，V，A;
- αh 、βh 分別為第次諧波電壓和電流的初相角，rad;
諧波的危害主要表現在對電力的影響和對信號的干擾。其中幾個比較主要的方面包括：
(1)對變壓器的影響
變壓器在基波頻率時的損耗*小，負荷電流含有諧波時，將在三個方面引起變壓器發熱的增加：
a. 均方根值電流
如果變壓器容量正好與負荷容量相同，那么諧波電流將使得均方根值電流大于額定值。總均方根值電流的增加會引起導體損耗增加。
b. 渦流損耗
渦流是由磁鏈引起的變壓器的感應電流。感應電流流經繞組、鐵芯以及變壓器磁場環繞的其它導體時，會產生附加發熱。這部分損耗以引起渦流的諧波電流的頻率的平方增加。因此，該損耗是變壓器諧波發熱損耗的重要組成部分。
c. 鐵芯損耗
考慮諧波時，鐵損的增加取決于諧波對外加電壓的影響以及變壓器鐵芯的設計。電壓畸變的增加將使得鐵芯疊片中渦流電流增加，總的影響取決于鐵芯疊片的厚度以及鋼芯的質量。由諧波引起的這部分損耗的增加，與前兩種情況下相比通常較小。
(2)對電機的影響
在電機末端的諧波電壓畸變，在電機里表現為諧波磁鏈。諧波磁鏈對電機轉矩沒有太大影響，但是它以與轉子同步頻率不同的頻率旋轉，在轉子中感應出高頻電流，其影響類似于基波負序電流的影響。諧波電壓畸變將引起電機的效率下降、發熱、振動和高頻噪聲。
(3)諧波對電能計量的影響
諧波的影響使少計的電量遠大于多計的電量，兩者的差額主要表現為供電線損率有所增大。
(4)諧波對電容器的影響
在具有并聯電容器補償的系統中，系統阻抗在某一頻率下可能與并補電容器發生諧振，從而引起諧波源注入系統和電容器組諧波電流的放大，對系統和電容器組產生嚴重影響。
(5)諧波對通訊的干擾
除了對通訊系統產生電磁干擾，使電信質量下降，還可能使某些重要的和敏感的自動控制、保護裝置不正確動作，或者危害到功率處理器自身的正常運行。
畸變周期性電壓和電流可以用總均方根值、含有率、總諧波畸變率來描述。我國通過國家標準GB/T14595-93《電能質量-公用電網諧波》對電力系統各項指標進行了限定，例如，低壓電網電壓總諧波畸變率低于5%。
2分布式電源并網產生的諧波
分布式電源并網產生的諧波對電網諧波研究帶來了更多的挑戰，下面將闡述分布式電源產生諧波的機理以及其較傳統電網諧波的不同及危害。
2.1 正常運行時并網逆變器輸出的諧波
分布式電源并網導致大量的電力電子轉換器應用到系統中，例如太陽能光伏電池、燃料電池等并網時，需通過逆變器接入交流電網;微型燃氣輪機的輸出是高頻電壓，風電機組的輸出電壓頻率與風力機的轉速有關，這些分布式電源并網往往都要經過變流器。
上述變流器是通過電力電子器件的頻繁開通和關斷來實現電力變換功能的，其輸入輸出關系具有明顯的非線性特征。開關器件頻繁的開通和關斷容易產生一系列的諧波分量，對電網造成諧波污染。其中開關頻率附近的諧波分量幅度較大，是優先需要重視的諧波分量。
2.2 特殊運行情況造成的諧波
除了分布式電源正常運行時逆變器必然輸出的諧波以外，三相不平衡、直流偏磁等非理想情況也會造成諧波增加。
(1)三相不平衡造成的換流器非特征諧波
三相電壓不平衡使換流器的觸發角不對稱，換流器將產生較大的非特征諧波。以單橋換流器為例，當三相電壓不平衡時，換流器除向系統產生6k±1=5，7，11，13，17，19…次特征諧波電流以外，還會產生6k±3=3，9，15，21，27，33…次非特征諧波電流。三相電壓不平衡度與3、9、15次非特征諧波電流的關系如圖2所示。由圖可見，隨著三相電壓不平衡度的增加，非特征諧波電流也加大。常規換流器是以抑制特征諧波進行設計制造的。非特征諧波電流的出現對換流器的諧波治理提出了更高的要求，直接導致換流器總投資的加大。
(2)直流偏磁造成的波形畸變
各種具有鐵芯的電氣設備(例如變壓器、電抗器等)，鐵心的鐵磁飽和特性使其阻抗在飽和區呈現非線性。當分布式電源并網換流器輸出的電流中含有直流分量時，會在變壓器等包含鐵心的設備中造成直流偏磁現象。發生直流偏磁時，變壓器繞組電流的畸變會相當嚴重，會產生大量的諧波。
2.3 DG諧波的特點及危害
DG諧波區別于傳統電網諧波之處在于：
a) DG數量多，不同諧波源產生諧波不同，使諧波本身的產生機理、傳播特性更加復雜，且更易引發諧波諧振以及穩定性問題;
b) 因分布式電源離負荷近，故產生諧波對附近負荷供電質量影響更明顯;
c) 接入配電網電壓等級低，阻抗標幺值相對大，諧波電流產生的情況下，線路兩端的諧波電壓更明顯;
d) 新能源接入使用的換流器的開關頻率比傳統電網的諧波頻率更高。
e) DG接入電網，其參數具有較強的波動性與隨機性，產生的諧波使電網參數隨時變化，諧波分析噪聲干擾大。
以上原因就使得分布式電源的接入對電網的諧波帶來了不可忽視且復雜的影響。分布式新能源并網在帶來諧波問題的同時，若能合理接入，則能與電網背景諧波相互抵消、使網絡參數相互匹配，降低電網的諧波水平和諧波諧振發生的幾率。
3 諧波的抑制措施
為了保證電力系統的電能質量，要對分布式電源的諧波發生量進行限制。抑制諧波電流主要有兩種思路：一是抑制諧波源的諧波電流發生量，一是在諧波源附近將諧波電流就地吸收或抵消。
3.1 減少分布式電源的諧波輸出
考慮到并網運行是分布式電源建設的重要發展方向，可以對并網的分布式電源本身及其并網接口進行優化設計，使其不產生諧波或產生的諧波在相關標準可接受的范圍內。這是解決分布式電源諧波問題的*重要的方法之一。
3.1.1 適當提高載波頻率
對于通過電力電子變流器并網的分布式電源，脈寬調制采用更高的載波頻率，以減少低次諧波的發生量。因為如果提高SPWM的載波頻率，則逆變器輸出電壓的主要諧波也會分布在較高的頻率波段。而高頻諧波是可以用一套高通濾波器集中濾除的。如果載波比(載波頻率與調制波頻率之比)的值足夠大，甚至可以省去用于處理低次諧波的交流濾波器。
但是隨著載波頻率的提高，會增加功率元件的開關次數和開關損耗，對功率元件和控制電路的要求更高，且逆變器的整體效率降低。因此，載波頻率也不是可以任意選取的，載波比的大小有一定的限制。
為協調二者的矛盾，一般認為在中小功率的逆變器中，SPWM的載波頻率取3kHz左右為宜。對于三相逆變器，為了保證逆變器三相輸出電壓的對稱性，載波比應該取3的奇次整數倍。
3.1.2 注入適當的諧波
注人適當的3次諧波分量，有時可以使PWM的性能得以提高。在正弦函數中注人一定的3次諧波以后，其調制函數可表示為
式中，M為調制比;k∈[0.1]為注入的3次諧波分量的比例系數。
由式(3)調制生成的SPWM脈沖可以將逆變器輸出的線電壓幅值提高15%左右，并大大改善諧波電流狀況。因此，要提高電壓利用率，使逆變器的輸出電壓和諧波特性達到一定的要求，只需要為k選取一合理的值即可。
3.1.3 特定諧波消除法
特定諧波消除脈寬調制(Selective Harmonic Elimination - PWM, SHE-PWM)的基本理論是，在電壓波形的特定位置設置“缺口”，通過每半個周期間中逆變器的多次換向，恰當地控制逆變器脈寬調制電壓的波形，通過脈寬平均法把逆變器輸出的方波電壓轉換成等效的正弦波，以消除某些特定的諧波，實現總體諧波性能的提高。
3.2 減少分布式電源的諧波輸出
如果分布式電源輸入到電網的電流中含有較多的諧波分量，則采用電力濾波器就地吸收諧波源所產生的諧波電流，是抑制諧波污染的有效措施。根據濾波原理，電力濾波器可分為無源濾波器、有源濾波器，以及兩者的組合——混合濾波器。
3.2.1 無源濾波器
無源濾波裝置即LC濾波器。無源濾波裝置在運行中多與諧波源并聯，除起到濾波作用外，還可以兼顧無功補償的需要。
無源濾波器主要有以下幾種：(1)單調諧濾波器，由電容與電感串聯而成，具有與某低次諧波頻率一致的諧振頻率，可用來消除該低次諧波;(2)雙調諧濾波器，由調諧在不同諧振頻率的兩組電容與電感串聯而成，對應于兩種諧振頻率，濾波器呈現低阻抗;(3)高通濾波器，用來濾除某高次諧波及該次頻率以上的諧波。
無源濾波器具有技術簡單、運行可靠、維護方便、成本較低等特點，因而至今仍是應用*為普遍的諧波抑制方式。其缺點主要是補償特性受電網阻抗和運行狀態的影響，易和系統發生并聯諧振，導致LC濾波器過載甚至燒毀。選擇合適的電容器安裝地點，可有效避免與電源電抗相互作用而發生并聯諧振。
3.2.2 有源電力濾波器
有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)是一種用于動態無功補償和諧波抑制的新型電力電子補償器，核心部件為逆變器(與靜止同步補償器STATCOM的結構和原理類似)，具有電力電子變流器的高可控性和快速響應性。
有源電力濾波器的系統構成如圖7-13所示。APF采用與無源濾波器完全不同的原理，它能主動向交流電網注入補償電流。補償電流的幅值與負載流入電網的諧波電流大小相等，相位差180°，從而抵消諧波源所產生的諧波電流，以使諧波源產生的諧波電流不會流入公共電網。
APF對諧波的頻率和幅值都能進行跟蹤，可以對諧波進行實時補償，并且補償特性不受電網阻抗的影響。APF還能有效地解決無源濾波器存在的不足，是電力系統無功補償、諧波治理的發展方向，因而受到廣泛的重視和越來越多的應用。
有源電力濾波器可以單獨使用，也可以和LC濾波器混合使用。
3.3 分布式電源并網逆變器兼起補償作用
現在的分布式電源并網逆變器大都采用PWM技術，可以向電網提供正弦波形的、功率因數為1.0的綠色電能。
受到可再生能源自然條件的影響，分布式電源的輸出能量不穩定，于是造成分布式電源的實際的發電功率常常小于并網逆變器的設計容量。在實際運行中，分布式電源的并網逆變器存在很大的容量冗余。
考慮到分布式電源并網逆變器與電壓型APF在結構和控制方法上有很多相似之處，可以通過適當的控制策略，使分布式電源并網逆變器在向電網輸送能源的同時，還實現APF的功能，即同時向電網提供所需要的諧波電流和無功功率。這樣既可以充分利用逆變器的冗余容量，又可以實現諧波和無功功率的就近補償。
當然，分布式電源配備的電力電子轉換設備不可能完全代替傳統電網中改善電能質量的技術設備。但是，如果讓分布式電源的并網逆變器兼起補償作用，不僅可以提高接入點的電能質量水平，而且還能降低無源濾波器和有源濾波器的安裝需求，節約大量的諧波治理投資，會帶來巨大的經濟和社會效益。
3.4 合理接地
一旦諧波源產生了諧波，除了采用濾波器進行吸收以外，發電機組和升壓變壓器的接地安排，也可以在限制諧波電流方面起到很大的作用。接地點的選擇可以阻塞或減少注入電力系統的三次諧波。通常頻次為3的整數倍的諧波可以被限制在電源處，而不至于傳播到電網中。
4 結語
諧波是一項重要的電能質量指標，對于諧波的計算方法已有國家標準。分布式新能源并網產生了一些不同于傳統電網的諧波特性與諧波問題。本文討論了分布式電源接入產生的諧波問題，并且系統地探討了：減少分布式電源的諧波輸出、加裝電力濾波器、分布式電源并網逆變器兼起補償作用、合理接地，四種抑制分布式電源并網產生的諧波的方法，對于解決未來大規模分布式電源并網的諧波問題分析有一定的參考指導價值。
