簡(jiǎn)析光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題

1、課程論文/研究報(bào)告課程名稱： 新能源技術(shù) 任課教師： 論文/研究報(bào)告題目： 簡(jiǎn)析光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題 完成日期： 2013 年 10 月 22 日學(xué) 科： 水利工程 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 簡(jiǎn)析光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題 摘要：太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是通過(guò)光伏組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為直流電，再通過(guò)并網(wǎng)型逆變器將直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流并進(jìn)入電網(wǎng)。逆變過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波，造成諧波污染。本文簡(jiǎn)述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，分析了諧波對(duì)供配電系及其設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行造成的危害，以及諧波治理的相關(guān)方法，最后對(duì)電力系統(tǒng)中諧波分析的手段進(jìn)行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電，諧波抑制，濾波器，諧

2、波檢測(cè) 引言：隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源隨之越用越少，隨著而來(lái)的是溫室效應(yīng)，酸雨等環(huán)境污染問(wèn)題，所以有必要進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，為人類的可持續(xù)發(fā)展尋找出路。當(dāng)下主流的新能源有風(fēng)能，太陽(yáng)能，地?zé)崮?，生物質(zhì)等，這些新能源雖然含量巨大，但是能流密度太小，開發(fā)起來(lái)很不經(jīng)濟(jì)，特別是在當(dāng)前技術(shù)條件不成熟的環(huán)境下。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)作為一種清潔的能源開發(fā)模式，受到了人類的青睞，太陽(yáng)能光伏發(fā)電存在諸多問(wèn)題，如能量不連續(xù)，儲(chǔ)能問(wèn)題，并網(wǎng)問(wèn)題，諧波污染問(wèn)題等。本文針對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問(wèn)題，簡(jiǎn)述了太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，分析了諧波對(duì)供配電系及其設(shè)備和系統(tǒng)運(yùn)行造成的危害，以及諧波治理的

3、相關(guān)方法，最后對(duì)電力系統(tǒng)中諧波分析的手段進(jìn)行了總結(jié)。 1 諧波產(chǎn)生的原因1.1 什么是諧波諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。根據(jù)傅立葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)都可以展開為常數(shù)與一組具有共同周期的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和。其中，常數(shù)項(xiàng)成為的直流分量；稱為一次諧波（又叫做基波）；而 ， ，等依次稱為二次諧波，三次諧波，等等。1.2 諧波的產(chǎn)生在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(如：電阻)的簡(jiǎn)單電路里，流過(guò)的電流與施加的電壓成正比，流過(guò)的電流是正弦波。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因

4、是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波源是產(chǎn)生諧波的根本原因。常見的諧波源有：傳統(tǒng)的非線性設(shè)備（變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、電弧爐等）、現(xiàn)代電力電子非線性設(shè)備（熒光燈、電子控制裝置和開關(guān)（電源）、晶閘管控制設(shè)備（整流器、逆變器、變頻器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、高壓直流輸電設(shè)備等）。隨著電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，電力電子非線性設(shè)備在諧波源種類中所占的比例越來(lái)越大。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中（如圖1.1），產(chǎn)生諧波的主要設(shè)備是逆變器和升壓變壓器等。圖 1.1 光伏發(fā)電原理圖 1.2.1 逆變器的諧波發(fā)生圖1.2單相逆變橋工作原理圖1.3

5、三相逆變器工作原理圖1.4 用PWM替代三相正弦波 根據(jù)采樣控制理論，采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)技術(shù)控制三相逆變橋路的導(dǎo)通與關(guān)斷，即可實(shí)現(xiàn)逆變工作，將直流電電壓（電流）轉(zhuǎn)變?yōu)檎译妷海娏鳎?，?shí)際上逆變器輸出的是含有諧波成分的交流電流，其中的諧波含量可以通過(guò)提高逆變橋開關(guān)的切換速度來(lái)減少。同時(shí)為了表征實(shí)際輸出波形與基波分量的差異程度，引入了總諧波系數(shù)（THD）的概念。實(shí)際電流 總諧波系數(shù) 當(dāng)輸出為理想波形時(shí)，THD=0. 1.2.2 變壓器的諧波產(chǎn)生圖1.5 變壓器的磁化曲線（無(wú)磁滯） 變壓器作為一種諧波源，其波形畸變主要與變壓器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行有關(guān)，也來(lái)自電力變壓器的激磁電流。如圖2.5所示，當(dāng)

6、不考慮變壓器的鐵心磁滯時(shí)，由于磁通和激磁電流的非線性關(guān)系，所以原邊電流并不是純正弦波，而是非正弦周期電流，其傅立葉級(jí)數(shù)形式為： 式中表示基波電流的有效值；表示三次諧波電流的有效值。 圖2.5中，激磁電流的畸變主要是由高次諧波引起的，特別是三次諧波。可見，變壓器的非線性激磁特性是電力系統(tǒng)中的一種諧波源。2 諧波的危害 （1）對(duì)線路的影響 對(duì)供電線路來(lái)說(shuō)，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，線路電阻隨著頻率的增加會(huì)很快增加，在線路中會(huì)有很大的電能浪費(fèi)。另外，在電力系統(tǒng)中，由于中性線電流都很小，所以其線徑一般都很細(xì)，當(dāng)大量的諧波電流流過(guò)中性線時(shí)，會(huì)在其上產(chǎn)生大量的熱量，不僅會(huì)破壞絕緣，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成短路，甚至引

7、起火災(zāi)。而當(dāng)諧波頻率與網(wǎng)絡(luò)諧振頻率相近或相同時(shí)，會(huì)在線路中產(chǎn)生很高的諧振電壓。嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電力系統(tǒng)或用電設(shè)備的絕緣擊穿，造成惡性事故。 （2）對(duì)電力變壓器的影響 諧波電流的存在增加了電力變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及銅損，對(duì)帶有不對(duì)稱負(fù)荷的變壓器來(lái)說(shuō)，會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。 （3）對(duì)電力電容器的影響 由于電容器對(duì)諧波的阻抗很小，諧波電流疊加到基波電流上，會(huì)使電力電容器中流過(guò)的電流有很大的增加，使電力電容器的溫升增高，引起電容器過(guò)負(fù)荷甚至爆炸。同時(shí)，諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中形成諧振，并又施加到電網(wǎng)中。 （5）對(duì)電機(jī)的影響 諧波會(huì)使電機(jī)的附加損耗增加，也會(huì)產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)，產(chǎn)生甚至引起諧波過(guò)

8、電壓使得電機(jī)絕緣損壞。 （6）對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響 對(duì)于電磁式繼電器來(lái)說(shuō)，電力諧波常會(huì)引起繼電保護(hù)以及自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作或拒動(dòng)，造成整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性降低容易引起系統(tǒng)故障或使系統(tǒng)故障擴(kuò)大。 （7）對(duì)通信線路產(chǎn)生干擾。 在電力線路上流過(guò)幅度較大的奇次低頻諧波電流時(shí)，通過(guò)電磁耦合，會(huì)在鄰近電力線路的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓。干擾通信線路的正常工作，使通話清晰度降低，甚至?xí)鹜ㄐ啪€路的破壞。 （8）對(duì)用電設(shè)備的影響 電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的顯示亮度發(fā)生波動(dòng)，圖像或圖形發(fā)生畸變，甚至?xí)箼C(jī)器內(nèi)部元件損壞，導(dǎo)致機(jī)器無(wú)法使用或系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。3 諧波的抑制 根據(jù)太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)，可以采

9、用下列方法進(jìn)行諧波的抑制。 3.1 降低諧波源的諧波含量 （1）變壓器的諧波抑制 這可以從以下兩個(gè)方面來(lái)考慮： 改善變壓器磁路飽和狀況。 變壓器的磁路飽和問(wèn)題主要取決于變壓器鐵心材料和鐵心結(jié)構(gòu)。變壓器的鐵心是變壓器內(nèi)部的主體結(jié)構(gòu)，是能量傳輸和轉(zhuǎn)換的媒介。合理的鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、按照要求安裝、做好日常維護(hù)工作，對(duì)減小了勵(lì)磁電流的畸變率，達(dá)到了抑制諧波電流的目的都是很有幫助的。 合理選擇變壓器繞組的聯(lián)結(jié)方式。 由于三次諧波電流只能在星型帶中性線繞組和三角型繞組中流通,而不能在星型不帶中性線繞組中流通。由于三次諧波電流在變壓器的運(yùn)行過(guò)程中是客觀存在，所以，若變壓器繞組接線方式不當(dāng)，未為三次諧波電流提供通

10、路時(shí)，三次諧波電流只能滯留在變壓器鐵芯繞組中，導(dǎo)致鐵芯繞組發(fā)熱，增加損耗。 （2）逆變器的諧波抑制 時(shí)實(shí)電流跟蹤諧波諧波抑制方法圖1.6 時(shí)實(shí)電流跟蹤諧波抑制方法框圖 實(shí)時(shí)電流跟蹤控制技術(shù)控制逆變器IGBT，通過(guò)調(diào)節(jié)逆變橋輸出提供全部的無(wú)功功率和諧波功率來(lái)控制電網(wǎng)側(cè)電流，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)目標(biāo)，即通過(guò)直接控制輸出電流，使之在預(yù)設(shè)波形附近變化，其中可以把逆變器和交流負(fù)荷視為一體。 注入適當(dāng)?shù)闹C波 這種方法即可以提高電壓利用率，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)諧波抑制的目的。 3.2 利用濾波器進(jìn)行濾波 （1）采用無(wú)源濾波 (LC) 圖1.7 單調(diào)和雙調(diào)濾波器 圖1.8 有源濾波器 無(wú)源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，

11、由R、L、C組件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。LC無(wú)源濾波器(只吸收固定頻率的諧波)，它實(shí)質(zhì)上是一種大功率波形發(fā)生器，它把諧波源發(fā)出的諧波經(jīng)過(guò)采樣、180移相后，再完整的復(fù)制出來(lái)，并送到諧波源的入網(wǎng)點(diǎn)，復(fù)制的諧波與諧波源產(chǎn)生的諧波幅值相等，方向相反，并跟隨諧波的變化而變化，如此，諧波源產(chǎn)生的諧波就完全被抵消了。 如圖2.7所示最常用的單調(diào)和雙調(diào)濾波器。由于投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)源濾波是目前采用的抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍５珶o(wú)源濾波器存在著許多缺點(diǎn),如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對(duì)某些次諧波有放大的可能，

12、耗費(fèi)多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。 單調(diào)諧濾波器通頻帶窄，濾波效果好，損耗小，調(diào)諧容易，是使用最多的一種類型；雙調(diào)諧濾波器可代替兩個(gè)單調(diào)諧濾波器，只有一個(gè)電抗器(L1)承受全部沖擊電壓，但接線復(fù)雜，調(diào)諧困難，僅在超高壓系統(tǒng)中使用。 （2）采用有源濾波（APF） 不同于LC無(wú)源濾波器，如圖2.8所示的APF有源濾波器是一種新型諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償裝置，幾乎可以濾除所有的高次諧波，實(shí)現(xiàn)全部補(bǔ)償?shù)哪康摹?有源濾波器由兩大部分組成，即指令電流計(jì)算電路(電流檢測(cè)電路)和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。補(bǔ)償電流發(fā)生電路由主電路、驅(qū)動(dòng)電路、電流跟蹤控制電路三部分組成。其

13、中指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量；補(bǔ)償電流發(fā)生電路則根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生需要的補(bǔ)償電，圖2.8中，APF檢測(cè)出諧波源負(fù)載電流的諧波分量，通過(guò)運(yùn)算輸出指令信號(hào)由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波分量大小相等、方向相反， ，因而兩者互相抵消，使得電源側(cè)電流中不含諧波，而僅有基波。 該種方法與上述的時(shí)實(shí)電流跟蹤諧波諧波抑制方法本質(zhì)上是一質(zhì)的。 （3）防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大 在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因子和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。

14、可采取串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對(duì)諧波的放大。 （4）加裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置 快速變化的諧波源往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡,還可補(bǔ)償功率因子。4 諧波的分析與測(cè)量 （1）帶阻濾波法 其基本原理是設(shè)計(jì)一個(gè)低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過(guò)于簡(jiǎn)單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。 （2）帶通選頻法和FFT變換法（快速傅立葉變換法）

15、 帶通選頻方法采用多個(gè)窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量，基本原理如圖1.9所示。圖1.9 帶通選頻法 利用FFT變換來(lái)檢測(cè)電力諧波是一種以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，其基本過(guò)程是對(duì)待測(cè)信號(hào)(電壓或電流)進(jìn)行采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。 （3）自適應(yīng)檢測(cè)法 基于神經(jīng)元自適應(yīng)干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無(wú)功分量。該方法的特點(diǎn)是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應(yīng)能力，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢。 （4）小波變換檢測(cè)法 對(duì)諧波電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)抑制時(shí)，不必分解出各次諧波

16、分量,只需檢測(cè)出除基波電流外的總畸變電流，但對(duì)出現(xiàn)諧波的時(shí)間問(wèn)題，傅里葉變換就無(wú)能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無(wú)局部性的缺點(diǎn)，即它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有局部性，因此通過(guò)小波變換對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行分析可獲得所對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息。這種方法也是基于神經(jīng)元的。5 總結(jié) 隨著我國(guó)電能質(zhì)量治理工作的深入開展，諧波的發(fā)生、管理與測(cè)量，綜合動(dòng)態(tài)的諧波治理措施，電網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償問(wèn)題，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)，特別是并網(wǎng)型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)必須要消除諧波污染，采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，這樣太陽(yáng)能這一清潔能源的開采與使用便更有發(fā)展空間，對(duì)解決全人類的能源危機(jī)問(wèn)題起到重要作用。參考文獻(xiàn)1 李丹青，李汗青.淺析變壓器諧波的產(chǎn)生、危害和抑制J.機(jī)電工程技術(shù)，2004年第33卷第8期2 胡俊達(dá)，張著彬. 淺析變壓器諧波