光伏发电系统谐波问题分析2018年2.6

光伏发电中的谐波问题分析

随着世界经济的快速发展和人口的不断增长，以及煤炭、石油和天然气等化石能源的日渐枯竭，能源危机已成为世界各国共同面临的课题。与此同时，大量使用化石能源造成的生态环境破坏，也成为制约社会经济发展的瓶颈。全球因此都在积极开发利用新能源，太阳能及光伏发电技术的诸多优点，使光伏发电受到了全世界的青睐，并在近几年保持着高速增长[1-2]。目前，发达国家以“太阳能屋顶计划”和并网发电为基本形式，积极推广光伏产业，但与发达国家相比，我国的光伏产业还处于初级阶段[3-6]。因此对并网型光伏系统的研究必将成为光伏发电技术研究的重点之一。

并网光伏系统作为一种分散式发电系统，以及光伏发电本身的一些特点，使得并网光伏系统对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如孤岛效应、无功平衡、谐波污染等[7]。谐波污染是光伏并网系统安全可靠运行必须解决的一个问题，光伏系统中的谐波主要是在光伏并网逆变的逆变过程中产生的，它会使功率因素恶化、电压波形畸变、增加电磁干扰，对电网造成危害；并且，当光伏逆变器轻载运行时，逆变器输出的谐波含量会明显增大，在20%额定出力以下时，电流谐波总畸变率（THD）会超过5%。因此对光伏并网系统中的谐波进行快速、准确的测量是很有必要的。

1.谐波简介

电力系统中的电流电压非正弦波形都可以被分解为一个频率与其相等的正弦波形和若干频率为其频率的整数倍的正弦波。频率与原波形相等的部分被称为基波，而频率为原波形整数倍的部分被称为谐波，频率的倍数就是谐波次数。电力系统中的谐波绝大多数是奇次谐波。

2.谐波产生

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(如：电阻)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波源是产生谐波的根本原因。常见的谐波源有：传统的非线性设备（变压器、旋转电

机、电弧炉等）、现代电力电子非线性设备（荧光灯、电子控制装置和开关（电源）、晶闸管控制设备（整流器、逆变器、变频器、静止无功补偿装置、高压直流输电设备等））。随着电力电子设备在电力系统中的广泛应用，电力电子非线性设备在谐波源种类中所占的比例越来越大。在太阳能光伏发电系统中（如图1），产生谐波的主要设备是逆变器和升压变压器等。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。

图1 光伏发电原理

并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用。随着投入应用的并网逆变器日益增多，其输出的并网电流谐波对电网电压的污染也不容忽视。按照GB/ T 19939-2005所要求，光伏并网逆变器的总输出谐波电流应小于逆变器额定输出的5%，各次谐波也应限制在表1所列的百分比之内：

3.谐波危害

3.1对线路的影响

对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很

快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。

3.2对电力变压器的影响

谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。

3.3对电力电容器的影响

由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并又施加到电网中。

3.4对电机的影响

谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电压．使得电机绝缘损坏。

3.5对继电保护和自动装置的影响

对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低．容易引起系统故障或使系统故障扩大。

3.6对通信线路产生干扰

在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。

3.7对用电设备的影响

电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。

4.谐波治理

由于无源滤波器存在着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能，耗费多、体积大等。不同于LC无源滤波器，采用有源滤波（APF），如图2所示的APF有源滤波器是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，几乎可以滤

除所有的高次谐波，实现全部补偿的目的。

图2 有源滤波器

有源滤波器由两大部分组成，即指令电流计算电路(电流检测电路)和补偿电流发生电路。补偿电流发生电路由主电路、驱动电路、电流跟踪控制电路三部分组成。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量；补偿电流发生电路则根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生需要的补偿电，图2中，APF检测出谐波源负载电流的谐波分量，通过运算输出指令信号由补偿电流发生电路产生的补偿电流与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源侧电流中不含谐波，而仅有基波。

5.西驰APF介绍

西驰电气及产品介绍

公司介绍

西安西驰电气股份有限公司，坐落于有“西部硅谷”之称的西安国家级高新区草堂科技园，是一家专业从事电力电子产品研发、制造、销售的高新技术企业，现有控股公司6家（西安西驰电子传动与控制有限公司、深圳西驰电气技术有限公司、西安西驰电能技术有限公司、西安西驰自动化系统工程有限公司、西安西驰成套设备有限责任公司、成都西驰电气有限责任公司）。近年来，公司不断加快产学研一体化步伐，依托西安交通大学和电力电子研究所等科研单位建立了自己的工程技术中心，并与美国艾默生电气公司建立了战略合作伙伴关系，建立了以可控硅SCR和IGBT等功率器件为主体的技术平台。

主要产品：

电能质量：XCAPF有源滤波、无源滤波、SVG无功补偿等；