簡析光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問題

1、課程論文/研究報告課程名稱： 新能源技術(shù) 任課教師： 論文/研究報告題目： 簡析光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問題 完成日期： 2013 年 10 月 22 日學(xué) 科： 水利工程 學(xué) 號： 姓 名： 簡析光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問題 摘要：太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，再通過并網(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入電網(wǎng)。逆變過程中會產(chǎn)生大量諧波，造成諧波污染。本文簡述了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，分析了諧波對供配電系及其設(shè)備和系統(tǒng)運行造成的危害，以及諧波治理的相關(guān)方法，最后對電力系統(tǒng)中諧波分析的手段進行了總結(jié)。 關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電，諧波抑制，濾波器，諧

2、波檢測 引言：隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的化石能源隨之越用越少，隨著而來的是溫室效應(yīng)，酸雨等環(huán)境污染問題，所以有必要進行能源結(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)起來很不經(jīng)濟，特別是在當(dāng)前技術(shù)條件不成熟的環(huán)境下。太陽能光伏發(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，太陽能光伏發(fā)電存在諸多問題，如能量不連續(xù)，儲能問題，并網(wǎng)問題，諧波污染問題等。本文針對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問題，簡述了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因，分析了諧波對供配電系及其設(shè)備和系統(tǒng)運行造成的危害，以及諧波治理的

3、相關(guān)方法，最后對電力系統(tǒng)中諧波分析的手段進行了總結(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，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅立葉級數(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)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因

4、是由于非線性負載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負載時，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、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、靜止無功補償裝置、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越大。在太陽能光伏發(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，即可實現(xiàn)逆變工作，將直流電電壓（電流）轉(zhuǎn)變?yōu)檎译妷海娏鳎?，實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提高逆變橋開關(guān)的切換速度來減少。同時為了表征實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。實際電流 總諧波系數(shù) 當(dāng)輸出為理想波形時，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)計及運行有關(guān)，也來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，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?？梢姡儔浩鞯姆蔷€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）對線路的影響 對供電線路來說，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很快增加，在線路中會有很大的電能浪費。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，當(dāng)大量的諧波電流流過中性線時，會在其上產(chǎn)生大量的熱量，不僅會破壞絕緣，嚴重時還會造成短路，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，會在線路中產(chǎn)生很高的諧振電壓。嚴重時會使電力系統(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，對帶有不對稱負荷的變壓器來說，會大大增加勵磁電流的諧波分量。 （3）對電力電容器的影響 由于電容器對諧波的阻抗很小，諧波電流疊加到基波電流上，會使電力電容器中流過的電流有很大的增加，使電力電容器的溫升增高，引起電容器過負荷甚至爆炸。同時，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）對電機的影響 諧波會使電機的附加損耗增加，也會產(chǎn)生機械震動，產(chǎn)生甚至引起諧波過

8、電壓使得電機絕緣損壞。 （6）對繼電保護和自動裝置的影響 對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護以及自動裝置的誤動作或拒動，造成整個保護系統(tǒng)的可靠性降低容易引起系統(tǒng)故障或使系統(tǒng)故障擴大。 （7）對通信線路產(chǎn)生干擾。 在電力線路上流過幅度較大的奇次低頻諧波電流時，通過電磁耦合，會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）對用電設(shè)備的影響 電力諧波會使電視機、計算機的顯示亮度發(fā)生波動，圖像或圖形發(fā)生畸變，甚至?xí)箼C器內(nèi)部元件損壞，導(dǎo)致機器無法使用或系統(tǒng)無法運行。3 諧波的抑制 根據(jù)太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生諧波的特點，可以采

9、用下列方法進行諧波的抑制。 3.1 降低諧波源的諧波含量 （1）變壓器的諧波抑制 這可以從以下兩個方面來考慮： 改善變壓器磁路飽和狀況。 變壓器的磁路飽和問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、按照要求安裝、做好日常維護工作，對減小了勵磁電流的畸變率，達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行過程中是客觀存在，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，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 時實電流跟蹤諧波諧波抑制方法圖1.6 時實電流跟蹤諧波抑制方法框圖 實時電流跟蹤控制技術(shù)控制逆變器IGBT，通過調(diào)節(jié)逆變橋輸出提供全部的無功功率和諧波功率來控制電網(wǎng)側(cè)電流，使系統(tǒng)實現(xiàn)并網(wǎng)目標，即通過直接控制輸出電流，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，同時可以實現(xiàn)諧波抑制的目的。 3.2 利用濾波器進行濾波 （1）采用無源濾波 (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，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。LC無源濾波器(只吸收固定頻率的諧波)，它實質(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)過采樣、180°移相后，再完整的復(fù)制出來，并送到諧波源的入網(wǎng)點，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)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄巍５珶o源濾波器存在著許多缺點,如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對某些次諧波有

12、放大的可能，耗費多、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單調(diào)諧濾波器，只有一個電抗器(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功補償裝置，幾乎可以濾除所有的高次諧波，實現(xiàn)全部補償?shù)哪康摹?有源濾波器由兩大部分組成，即指令電流計算電路(電流檢測電路)和補償電流發(fā)生電路。補償電流發(fā)生電路由主電路、驅(qū)動電路、電流跟蹤控制電路三

13、部分組成。其中指令電流運算電路的核心是檢測出補償對象電流中的諧波和無功等電流分量；補償電流發(fā)生電路則根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生需要的補償電，圖2.8中，APF檢測出諧波源負載電流的諧波分量，通過運算輸出指令信號由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流與負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實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，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣

14、設(shè)備的安全?？刹扇〈?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，避免電容器對諧波的放大。 （4）加裝靜止無功補償裝置 快速變化的諧波源往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡,還可補償功率因子。4 諧波的分析與測量 （1）帶阻濾波法 其基本原理是設(shè)計一個低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡單，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

15、立葉變換法） 帶通選頻方法采用多個窄帶濾波器，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變換來檢測電力諧波是一種以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的測量方法，其基本過程是對待測信號(電壓或電流)進行采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換，再用計算機進行傅里葉變換，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，負載電流作為原始輸入，從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補償?shù)闹C波與無功分量。該方法的特點是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應(yīng)能力，缺點是動態(tài)響應(yīng)速度較慢。 （4）小波變換檢測法 對諧波電流進行動態(tài)抑制時，不必分

16、解出各次諧波分量,只需檢測出除基波電流外的總畸變電流，但對出現(xiàn)諧波的時間問題，傅里葉變換就無能為力。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域完全無局部性的缺點，即它在時域和頻域同時具有局部性，因此通過小波變換對諧波信號進行分析可獲得所對應(yīng)的時間信息。這種方法也是基于神經(jīng)元的。5 總結(jié) 隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，諧波的發(fā)生、管理與測量，綜合動態(tài)的諧波治理措施，電網(wǎng)的無功功率補償問題，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，特別是并網(wǎng)型太陽能發(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的巨大經(jīng)濟損失，這樣太陽能這一清潔能源的開采與使用便更有發(fā)展空間，對解決全人類的能源危機問題起到重要作用。參考文獻1 李丹青，李汗青.淺析變壓器諧波的產(chǎn)生、危害和抑制J.機電工程技術(shù)，2004年第33卷第8期2 胡俊達，張著彬. 淺析變壓器諧波