光伏发电系统并网的谐波治理_1

光伏发电系统并网的谐波治理
发布时间：2021-11-09T07:53:41.501Z 来源：《中国电业》（发电）》2021年第14期作者：姚国强
[导读] 由于国家能源转型要求、清洁能源消纳目标及新能源成本快速下降等因素，到2030年，我国计划将单位国内生产总值中二氧化碳排放量比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，森林蓄积量比2005年增加60亿立方米以上，太阳能和风电的总装机容量将达到12亿千瓦以上，实现2030年碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。

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摘要：由于国家能源转型要求、清洁能源消纳目标及新能源成本快速下降等因素，到2030年，我国计划将单位国内生产总值中二氧化碳排放量比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，森林蓄积量比2005年增加60亿立方米以上，太阳能和风电的总装机容量将达到12亿千瓦以上，实现2030年碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。

随着光伏、风电等新能源大量接入电网，由于其在发电过程中存在诸多问题，如能量不连续、电压闪变、频率波动以及谐波污染等，将对电网的运行和电能质量产生巨大的影响，从而对电网安全性和稳定性产生冲击。

本文主要解决光伏发电系统中的谐波问题。

首先，通过分析光伏发电系统产生谐波的原因，阐述了谐波对电力系统运行的安全、可靠性可能造成的危害，最后针对实际项目中光伏发电产生的谐波提出了相应的抑制措施。

关键词：光伏发电系统；谐波治理；谐波电流
引言
太阳能光伏发电技术是通过光伏组件将太阳能转化为直流电，再通过并网型逆变器将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流并进入电网。

逆变过程中会产生大量谐波，造成谐波污染。

为了抑制谐波、降低电压波动和闪变，以及解决三相不平衡，本文引入三相三线制的有源电力滤波器（ActivePowerFilter，APF）进行谐波检测和补偿，从而保证电能质量。

在光伏并网发电模拟试验平台上的试验结果表明，在引入三相三线制APF的情况下，采用最大功率点跟踪（Maxi mumPowerPointTracking，MPPT）和矢量状态转化算法相结合的策略，可有效改善由于太阳能光伏发电系统投入电网引起的电流、电压波动等电能质量问题。

1光伏发电系统谐波的产生及危害
1.1光伏发电系统谐波的产生原因
光伏发电系统将太阳能通过光伏组件转化为直流电能，再通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，升压并入电网。

在这一过程中，会产生大量谐波。

作为光伏发电并网系统中的核心器件，逆变器就是一个谐波发生装置。

目前大多数逆变器采用的是PWM（脉冲宽度调制）技术控制三相桥路导通与关断，从而实现直流、交流逆变。

在直流电压（电流）转变为正弦电压（电流）的过程中，根据PWM采样控制理论，使用等幅不同宽度的脉冲来等效代替三相正弦波，实际上逆变器输出的不是完全的正弦波，而是含有谐波成分的交流电流。

触发角的选择点决定了产生系统谐振的谐波频率，而谐波含量可以通过提高逆变桥开关的切换速度来减少。

另外，变压器也是一类谐波源，变压器的电流波形畸变主要与变压器的电磁变换原理有关，主要来自变压器的激磁电流。

假设变压器的铁芯不存在磁滞，根据磁通和激磁电流之间的磁化曲线，随着激磁电流的增大或较小，磁通变化幅度越来越小，激磁电流和其产生的磁通之间不是线性关系，因此原边电流并不是完整的正弦波，而是周期性的、但含有各类谐波的电流。

激磁电流的畸变主要是由高次谐波引起的，主要是三次谐波。

除此之外，谐波的产生还存在以下几个因素：目前所有的控制方法的应用都存在延时问题。

由于对存在的谐波和快速变动的波形不能够及时检测，以及反馈环本身算法存在的延迟等原因，造成无法实时地进行响应或者及时补偿谐波。

精度问题：由于采用数字化、离散化的处理方式，对精度的要求非常高，因此需要检测设备更加灵敏、准确，但是目前设备仪器很难满足此要求。

采用PWM的控制原理本身就会产生大量的高次谐波和直流分量。

光伏发电系统中，直流侧存在电压稳定性的问题。

直流侧输入电压的稳定性，对于逆变器的幅值稳定、输出波形以及最大输出功率等都有非常大的影响。

1.2谐波的危害
谐波对电网产生的危害主要有以下几方面：谐波的存在大大增加了电网中谐振的可能性，谐振会引起很高的过电压或过电流，从而引发电力事故。

谐波会增大变压器等铁芯设备损耗，降低其效率，并容易在运行过程中出现故障，缩短使用寿命。

谐波电流会使线路电流有效值增大，谐波电压会增强电缆中介质的电场强度，受谐波影响，输电线路附加损耗增大，加速了电缆的老化。

谐波影响继电保护和自动装置工作的稳定性。

在高压远距离输电线传送电能的过程中，若电流中谐波含量较大，则会延缓潜洪电弧的熄灭，导致单相重合闸动作失败，发生重大事故。

对通信系统产生干扰，谐波会降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，严重的情况下，甚至会损坏通信设备。

2风光发电产生谐波的原理
2.1风机发电产生谐波的原理
目前常见的风力发电机主要有两种，一种是双馈风力发电机，另一种是变速风力发电机驱动交流（同步）发电机。

双馈风力发电机与变速风力发电机驱动交流（同步）发电机相比，所需的变频器容量不高，控制也较简单，能自适应风速变化，运行方式可分为恒压或恒功
率运行。

双馈绕线型异步发电机目前在兆瓦级以上大型并网风力发电机中得到广泛运用。

由于需要电力电子元件参与控制和运行，多数风机并网都会引起电流和电压的畸变，即产生谐波。

2.2光伏发电产生谐波的原理
光伏发电系统一般由太阳电池板、逆变器、控制器、升压变压器四部分组成。

在太阳能光伏发电系统中，产生谐波的主要设备是逆变器和升压变压器等。

逆变器产生谐波的原理上一小节已做分析，下面对升压变压器产生谐波的原理进行分析。

变压器也是一类谐波源，变压器的电流波形畸变主要与变压器的电磁变换原理有关，主要来自电力变压器的激磁电流。

假设变压器的铁芯不存在磁滞，根据磁通和激磁电流之间的磁化曲线，随着激磁电流的增大或较小，磁通变化幅度越来越小，激磁电流和其产生的磁通之间不是线性关系，因此原边电流并不是完整的正弦波，而是周期性的、但含有各类谐波的电流。

激磁电流的畸变主要是由高次谐波引起的，特别是三次谐波。

3谐波治理的措施
3.1谐波补偿
配置谐波补偿装置。

工程上常用的补偿装置一般为无源滤波（FC）和有源滤波（SVG）。

无源滤波器FC装置通过电容、电抗组成一定的谐振频率进行某次谐波的滤除，造价低廉，结构简单。

但存在滤除谐波相对单一，当系统参数发生变化，有可能引起谐振或放大谐波电流；无功补偿时，由于是整组投切，运行不够灵活，容易出现过补和欠补现象，且相应时间长。

静止无功发生器SVG是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。

目前广泛应用于无功补偿、谐波治理、提高系统稳定性等方面。

SVG有源滤波通过检测补偿对象电流中的谐波电流分量，产生实际的补偿电流，该补偿电流与谐波电流方向相反、大小相等，如此补偿电流与负载电流中的谐波成分互相抵消，从而达到消除谐波的目的。

3.2改善谐波源
逆变器是光伏项目最重大的谐波源。

根据逆变器运行的工作原理，其产生的谐波是无法完全消除的。

现在市场上各型逆变器电能质量指标虽然都符合国家标准，但是还存在很多差异，甚至同品牌不同时期产品，厂家经过内部算法优化，逆变器产生的谐波量也在不断降低。

结语
对于谐波的抑制，可从源头上优化逆变器的控制机制或增加开关切换速度，也可采用改变变压器接线、接入滤波器等控制措施。

无论采用何种抑制措施，应尽量使用就地的谐波消除方式，以减少谐波在电网中传输造成的影响。

参考文献
[1]张爽，黄永宁.光伏电站接入宁夏电网的系统谐波评估实用计算[J].宁夏电力，2011（4）：6-9.
[2]韩青秀.电网中高次谐波的分析与探讨[J]..青海电力，2002，（1）：33-36.
[3]郑诗程，夏伟．三相光伏并网系统的控制策略研究[J]．电气技术，2007（3）：34-38．。