分布式电源并网的谐波问题分析-第3页-北极星输配电网

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2.3 DG谐波的特点及危害

DG谐波区别于传统电网谐波之处在于：

a) DG数量多，不同谐波源产生谐波不同，使谐波本身的产生机理、传播特性更加复杂，且更易引发谐波谐振以及稳定性问题;

b) 因分布式电源离负荷近，故产生谐波对附近负荷供电质量影响更明显;

c) 接入配电网电压等级低，阻抗标幺值相对大，谐波电流产生的情况下，线路两端的谐波电压更明显;

d) 新能源接入使用的换流器的开关频率比传统电网的谐波频率更高。

e) DG接入电网，其参数具有较强的波动性与随机性，产生的谐波使电网参数随时变化，谐波分析噪声干扰大。

以上原因就使得分布式电源的接入对电网的谐波带来了不可忽视且复杂的影响。分布式新能源并网在带来谐波问题的同时，若能合理接入，则能与电网背景谐波相互抵消、使网络参数相互匹配，降低电网的谐波水平和谐波谐振发生的几率。

3 谐波的抑制措施

为了保证电力系统的电能质量，要对分布式电源的谐波发生量进行限制。抑制谐波电流主要有两种思路：一是抑制谐波源的谐波电流发生量，一是在谐波源附近将谐波电流就地吸收或抵消。

3.1 减少分布式电源的谐波输出

考虑到并网运行是分布式电源建设的重要发展方向，可以对并网的分布式电源本身及其并网接口进行优化设计，使其不产生谐波或产生的谐波在相关标准可接受的范围内。这是解决分布式电源谐波问题的最重要的方法之一。

3.1.1 适当提高载波频率

对于通过电力电子变流器并网的分布式电源，脉宽调制采用更高的载波频率，以减少低次谐波的发生量。因为如果提高SPWM的载波频率，则逆变器输出电压的主要谐波也会分布在较高的频率波段。而高频谐波是可以用一套高通滤波器集中滤除的。如果载波比(载波频率与调制波频率之比)的值足够大，甚至可以省去用于处理低次谐波的交流滤波器。

但是随着载波频率的提高，会增加功率元件的开关次数和开关损耗，对功率元件和控制电路的要求更高，且逆变器的整体效率降低。因此，载波频率也不是可以任意选取的，载波比的大小有一定的限制。

为协调二者的矛盾，一般认为在中小功率的逆变器中，SPWM的载波频率取3kHz左右为宜。对于三相逆变器，为了保证逆变器三相输出电压的对称性，载波比应该取3的奇次整数倍。

3.1.2 注入适当的谐波

注人适当的3次谐波分量，有时可以使PWM的性能得以提高。在正弦函数中注人一定的3次谐波以后，其调制函数可表示为

式中，M为调制比;k∈[0.1]为注入的3次谐波分量的比例系数。

由式(3)调制生成的SPWM脉冲可以将逆变器输出的线电压幅值提高15%左右，并大大改善谐波电流状况。因此，要提高电压利用率，使逆变器的输出电压和谐波特性达到一定的要求，只需要为k选取一合理的值即可。

3.1.3 特定谐波消除法

特定谐波消除脉宽调制(Selective Harmonic Elimination - PWM, SHE-PWM)的基本理论是，在电压波形的特定位置设置“缺口”，通过每半个周期间中逆变器的多次换向，恰当地控制逆变器脉宽调制电压的波形，通过脉宽平均法把逆变器输出的方波电压转换成等效的正弦波，以消除某些特定的谐波，实现总体谐波性能的提高。

3.2 减少分布式电源的谐波输出

如果分布式电源输入到电网的电流中含有较多的谐波分量，则采用电力滤波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。根据滤波原理，电力滤波器可分为无源滤波器、有源滤波器，以及两者的组合——混合滤波器。

3.2.1 无源滤波器

无源滤波装置即LC滤波器。无源滤波装置在运行中多与谐波源并联，除起到滤波作用外，还可以兼顾无功补偿的需要。

无源滤波器主要有以下几种：(1)单调谐滤波器，由电容与电感串联而成，具有与某低次谐波频率一致的谐振频率，可用来消除该低次谐波;(2)双调谐滤波器，由调谐在不同谐振频率的两组电容与电感串联而成，对应于两种谐振频率，滤波器呈现低阻抗;(3)高通滤波器，用来滤除某高次谐波及该次频率以上的谐波。

无源滤波器具有技术简单、运行可靠、维护方便、成本较低等特点，因而至今仍是应用最为普遍的谐波抑制方式。其缺点主要是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致LC滤波器过载甚至烧毁。选择合适的电容器安装地点，可有效避免与电源电抗相互作用而发生并联谐振。

3.2.2 有源电力滤波器

有源电力滤波器(Active Power Filter, APF)是一种用于动态无功补偿和谐波抑制的新型电力电子补偿器，核心部件为逆变器(与静止同步补偿器STATCOM的结构和原理类似)，具有电力电子变流器的高可控性和快速响应性。

有源电力滤波器的系统构成如图7-13所示。APF采用与无源滤波器完全不同的原理，它能主动向交流电网注入补偿电流。补偿电流的幅值与负载流入电网的谐波电流大小相等，相位差180°，从而抵消谐波源所产生的谐波电流，以使谐波源产生的谐波电流不会流入公共电网。

APF对谐波的频率和幅值都能进行跟踪，可以对谐波进行实时补偿，并且补偿特性不受电网阻抗的影响。APF还能有效地解决无源滤波器存在的不足，是电力系统无功补偿、谐波治理的发展方向，因而受到广泛的重视和越来越多的应用。

有源电力滤波器可以单独使用，也可以和LC滤波器混合使用。

3.3 分布式电源并网逆变器兼起补偿作用

现在的分布式电源并网逆变器大都采用PWM技术，可以向电网提供正弦波形的、功率因数为1.0的绿色电能。

受到可再生能源自然条件的影响，分布式电源的输出能量不稳定，于是造成分布式电源的实际的发电功率常常小于并网逆变器的设计容量。在实际运行中，分布式电源的并网逆变器存在很大的容量冗余。

考虑到分布式电源并网逆变器与电压型APF在结构和控制方法上有很多相似之处，可以通过适当的控制策略，使分布式电源并网逆变器在向电网输送能源的同时，还实现APF的功能，即同时向电网提供所需要的谐波电流和无功功率。这样既可以充分利用逆变器的冗余容量，又可以实现谐波和无功功率的就近补偿。

当然，分布式电源配备的电力电子转换设备不可能完全代替传统电网中改善电能质量的技术设备。但是，如果让分布式电源的并网逆变器兼起补偿作用，不仅可以提高接入点的电能质量水平，而且还能降低无源滤波器和有源滤波器的安装需求，节约大量的谐波治理投资，会带来巨大的经济和社会效益。

3.4 合理接地

一旦谐波源产生了谐波，除了采用滤波器进行吸收以外，发电机组和升压变压器的接地安排，也可以在限制谐波电流方面起到很大的作用。接地点的选择可以阻塞或减少注入电力系统的三次谐波。通常频次为3的整数倍的谐波可以被限制在电源处，而不至于传播到电网中。

4 结语

谐波是一项重要的电能质量指标，对于谐波的计算方法已有国家标准。分布式新能源并网产生了一些不同于传统电网的谐波特性与谐波问题。本文讨论了分布式电源接入产生的谐波问题，并且系统地探讨了：减少分布式电源的谐波输出、加装电力滤波器、分布式电源并网逆变器兼起补偿作用、合理接地，四种抑制分布式电源并网产生的谐波的方法，对于解决未来大规模分布式电源并网的谐波问题分析有一定的参考指导价值。

原标题：分布式电源并网的谐波问题分析

投稿与新闻线索：陈女士微信/手机：13693626116 邮箱：chenchen#bjxmail.com（请将#改成@）

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