探析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)的諧波影響及抑制措施

　　摘 要：在清潔能源穩(wěn)步發(fā)展背景下，風(fēng)光新能源的應(yīng)用受到社會(huì)各界廣泛關(guān)注，為推動(dòng)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，使生態(tài)環(huán)境更為健康，滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的生活及生產(chǎn)需求，推動(dòng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，指引能源產(chǎn)業(yè)與時(shí)俱進(jìn)，風(fēng)光新能源應(yīng)用價(jià)值可見一斑。該通過分析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)諧波影響及抑制措施，以期助推新能源行業(yè)良性發(fā)展。

　　關(guān)鍵詞：風(fēng)光新能源 電網(wǎng) 諧波 影響 抑制措施

　　風(fēng)光新能源是新時(shí)代提供電網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)力重要資源，基于交流電網(wǎng)工頻單一頻率是其有效分量，為此在風(fēng)光新能源接入后會(huì)產(chǎn)生不同頻率，這些頻率被稱為“諧波”，主要源于基波電流在電壓影響下發(fā)生畸變，同時(shí)非線性負(fù)載如變頻器、整流器、逆變器、開關(guān)電源、UPS等亦會(huì)影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。然而，當(dāng)前我國(guó)與風(fēng)光新能源接入電網(wǎng)研究成果較少，未能高效解決諧波問題，影響電網(wǎng)中新能源的應(yīng)用成效，不利于電網(wǎng)體系朝著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展。基于此，為推動(dòng)電力事業(yè)穩(wěn)健發(fā)展，探析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)的諧波影響及抑制措施顯得尤為重要。

　　1 諧波及其危害

　　1.1 諧波

　　諧波最早誕生在聲學(xué)領(lǐng)域，在電力系統(tǒng)內(nèi)于20世紀(jì)20年代初期諧波問題引起人們的關(guān)注，德國(guó)因應(yīng)用靜止汞弧變流器對(duì)電流、電壓帶來一定影響發(fā)現(xiàn)諧波問題，使社會(huì)各界得以廣泛關(guān)注電流波形畸變現(xiàn)象。諧波分為奇次諧波、分量諧波及偶次諧波(見圖1)，其中額定頻率是基波奇數(shù)倍如三次、五次、七次等稱之為奇次諧波;額定頻率是基波偶數(shù)倍如二次、四次、六次等稱之為偶數(shù)諧波;頻率是基波非整數(shù)倍稱之為分量諧波。在累積研究經(jīng)驗(yàn)前提下得出諧波計(jì)算公式：f(t)=a0+(an cosnωt+bn sinnωt)。其中，f(t)直流分量為a0，基波為sin(ωt+Φ2)，在改變常數(shù)項(xiàng)基礎(chǔ)上可得到二、三次及更多的諧波，為計(jì)算諧波以及解析諧波危害奠定基礎(chǔ)。

　　1.2 諧波危害

　　諧波具體危害可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：第一，在基波頻率低于諧波電流頻率前提下，受臨近效應(yīng)、集膚效應(yīng)影響電網(wǎng)線路輸送容量隨之減少，在諧波影響下增加渦流、磁滯損耗，使變壓器容量減少;第二，諧波能增加電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)電力設(shè)備損耗，削減其使用壽命，發(fā)生機(jī)械振動(dòng)現(xiàn)象，加速設(shè)備老化，追加養(yǎng)護(hù)成本，若養(yǎng)護(hù)不及時(shí)還會(huì)使設(shè)備出現(xiàn)安全故障，降低電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性;第三，諧波容易增加電網(wǎng)自動(dòng)化繼電保護(hù)裝置拒動(dòng)、誤動(dòng)次數(shù)，擴(kuò)大自動(dòng)化管控范圍，提升電氣故障發(fā)生幾率，影響電網(wǎng)運(yùn)行成效;第四，受電磁耦合現(xiàn)象影響電網(wǎng)周邊通信系統(tǒng)將被異常干擾，降低通信效率[1]。

　　在風(fēng)光新能源接入電網(wǎng)后會(huì)增加諧波誘發(fā)幾率，這就需要人們?cè)诿魑C波危害前提下總結(jié)新能源應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，探析抑制諧波相關(guān)消極影響措施，為推動(dòng)電網(wǎng)朝著節(jié)能環(huán)保方向發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

　　2 分析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響內(nèi)因

　　在電網(wǎng)中非線性負(fù)載是諧波產(chǎn)生根本內(nèi)因，在電流通過負(fù)載過程中，二者形成非線性關(guān)系，形成若干非正弦電流即諧波。基于半導(dǎo)體晶閘管及相關(guān)構(gòu)件具有非線性特性，風(fēng)機(jī)發(fā)電、光伏發(fā)電及相關(guān)裝置脫離正弦曲線，客觀上追加諧波源，使電網(wǎng)出現(xiàn)諧波問題，影響電網(wǎng)運(yùn)行綜合成效。

　　2.1 電網(wǎng)風(fēng)機(jī)發(fā)電誘發(fā)諧波問題內(nèi)因

　　當(dāng)前常見風(fēng)機(jī)為兩種，即變速風(fēng)機(jī)及雙饋風(fēng)機(jī)，相較于變速風(fēng)機(jī)，雙饋風(fēng)機(jī)對(duì)變頻器容量要求不高，操作較為簡(jiǎn)便，可以根據(jù)風(fēng)速做出調(diào)整，分為恒功率、恒壓運(yùn)行兩種形態(tài)。雙饋風(fēng)機(jī)在兆瓦級(jí)別之上電網(wǎng)中應(yīng)用較為廣泛。基于風(fēng)光新能源需電力電子元件運(yùn)行、控制，為此會(huì)增加電網(wǎng)中電壓、電流畸變幾率，在此過程中產(chǎn)生諧波影響電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性。例如，雙饋風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)見圖2，主要由電壓源型變流器、風(fēng)輪機(jī)等電氣元件構(gòu)成，該發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)中雙向功率轉(zhuǎn)換裝置與轉(zhuǎn)子繞組連接在一起，公用電網(wǎng)端連接定子繞組，在其與電網(wǎng)相互連接基礎(chǔ)上產(chǎn)生電功率，另一端轉(zhuǎn)子繞組需根據(jù)發(fā)電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速有所轉(zhuǎn)變，確保同步運(yùn)轉(zhuǎn)，在運(yùn)轉(zhuǎn)中變流器AC—DC—AC處于長(zhǎng)期工作狀態(tài)，為調(diào)整電壓可轉(zhuǎn)變導(dǎo)通角，實(shí)現(xiàn)直流、交流電壓相互轉(zhuǎn)化目標(biāo)，并在此過程中產(chǎn)生諧波。

　　2.2 電網(wǎng)光伏發(fā)電誘發(fā)諧波問題內(nèi)因

　　控制器、逆變器、電池板、升壓變電器等是組建常見光伏發(fā)電系統(tǒng)主要構(gòu)件，其中升壓變壓器、逆變器是產(chǎn)生諧波重要構(gòu)件。作為諧波源之一的變壓器受電磁變換因素影響，加之電網(wǎng)內(nèi)變壓器存在激磁電流，在變壓器不存在鐵芯前提下，以激磁電流、磁通形成磁化曲線為依托，電流變化會(huì)引起磁通幅度發(fā)生調(diào)整，磁通與激磁電流是非線性關(guān)系，為此正弦波并不完整，呈周期性變化狀態(tài)同時(shí)富含多類諧波，繼而受電網(wǎng)高次諧波影響產(chǎn)生激磁電流畸變現(xiàn)象[2]。

　　3 抑制風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響措施

　　通過分析風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響內(nèi)因可知，無論是風(fēng)機(jī)發(fā)電還是光伏發(fā)電均會(huì)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性帶來負(fù)面影響，這就需要電網(wǎng)工作者秉持自省、反思精神，立足新時(shí)代電網(wǎng)節(jié)能、高效、安全、環(huán)保發(fā)展實(shí)況，探析抑制風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)造成諧波影響措施，旨在提高新時(shí)代電網(wǎng)供電服務(wù)質(zhì)量。

　　3.1 調(diào)整接線方式

　　具有輸出電能功效變壓器應(yīng)運(yùn)用△/Y或Y/△接線方式，120°為工頻相位差，360°則為三次諧波作用下產(chǎn)生的相位差，為此應(yīng)運(yùn)用△連接方式，在內(nèi)阻上產(chǎn)生諧波損耗，為解決諧波損耗問題，可分別在九次、十五次等產(chǎn)生諧波的位置上運(yùn)用相同接線方式避免諧波對(duì)電網(wǎng)帶來的負(fù)面影響，規(guī)避電網(wǎng)內(nèi)流入高次諧波，使電網(wǎng)系統(tǒng)更為安全穩(wěn)定[3]。

　　3.2 應(yīng)用輔助過濾裝置

　　在風(fēng)機(jī)發(fā)電及光伏發(fā)電進(jìn)程中逆變器是諧波產(chǎn)生主要裝置，同時(shí)升壓變壓器亦會(huì)產(chǎn)生諧波，為此需從源頭控制諧波，除通過配置及調(diào)整開關(guān)來規(guī)避諧波消極影響外，還可應(yīng)用輔助過濾裝置——濾波器。其中，濾波器無源濾波大致分為串聯(lián)及并聯(lián)濾波器兩類，后者較為常用，主要由LC濾波電路、電容構(gòu)成，在串聯(lián)諧波原理支持下使諧振頻率阻抗隨之降低，可增加偏離諧振頻率阻抗，阻抗與頻率偏低幅度成正比。基于此，根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需求，以規(guī)避諧波消極影響為基礎(chǔ)將相關(guān)頻率設(shè)計(jì)成工頻形式，將串聯(lián)濾波器接入電網(wǎng)內(nèi)，成為電路一部分。基于該裝置可對(duì)基波產(chǎn)生較小阻抗，對(duì)其他諧波產(chǎn)生較大阻抗，為此可在應(yīng)用一組裝置前提下完成濾波任務(wù)，避免大部分諧波對(duì)電網(wǎng)帶來的不良影響。作為自帶電源裝置的有源電力濾波器是可以補(bǔ)償無功、動(dòng)態(tài)抑制新型裝置，該電力電子設(shè)備可針對(duì)變化諧波予以補(bǔ)償，相關(guān)補(bǔ)償呈靈動(dòng)性、實(shí)時(shí)性、發(fā)展性，針對(duì)諧波電流進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，以便調(diào)整補(bǔ)償機(jī)制，在補(bǔ)償裝置支持下產(chǎn)生同諧波相等且相差180°相位的補(bǔ)償電流，達(dá)到消除電網(wǎng)內(nèi)諧波的目的。

　　3.3 應(yīng)用技術(shù)措施消除諧波

　　無論是調(diào)整接線方式還是應(yīng)用輔助裝置，均需在原有電網(wǎng)內(nèi)添加特殊元件，雖然這些元件對(duì)電網(wǎng)流通帶來的影響較小，但需電網(wǎng)投入一定成本予以敷設(shè)，同時(shí)需做好相關(guān)裝置養(yǎng)護(hù)工作，追加電網(wǎng)運(yùn)行成本，為此研究學(xué)者加大諧波去除技術(shù)研究力度，在無需額外敷設(shè)前提下消除濾波，使風(fēng)光新能源得以高效接入電網(wǎng)。例如，技術(shù)人員可根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況做好風(fēng)機(jī)合理排列工作，通過調(diào)配各類風(fēng)機(jī)安裝位置減少諧波，考量風(fēng)機(jī)類型、諧波頻率、不同相位對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行效果產(chǎn)生的消極影響，應(yīng)用信息化建模技術(shù)手段運(yùn)算得出諧波電流數(shù)據(jù)，以此為由調(diào)整風(fēng)機(jī)接線順序，使風(fēng)機(jī)能互相抵消部分諧波，這對(duì)于諧波電流較小電網(wǎng)較為適用，但無法全部消除諧波，為此技術(shù)人員需根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行需求融合若干技術(shù)手段，旨在消除電網(wǎng)諧波，提高電網(wǎng)供電服務(wù)質(zhì)量[4]。

　　4 結(jié)語

　　綜上所述，為使我國(guó)電網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)更為穩(wěn)定需關(guān)注諧波問題，在接入風(fēng)光新能源前提下通過調(diào)整接線方式，應(yīng)用輔助過濾裝置，應(yīng)用技術(shù)措施消除諧波，加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)維，降低電氣設(shè)備因諧波問題受損幾率，控制電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)成本，在滿足新時(shí)代人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的用電需求基礎(chǔ)上，推動(dòng)電網(wǎng)系統(tǒng)朝著節(jié)能環(huán)保、安全穩(wěn)定、科學(xué)高效方向發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 吳彧.風(fēng)光新能源接入對(duì)電網(wǎng)的諧波影響及抑制措施分析[J].機(jī)電信息，2017(33)：1-2.

　　[2] 時(shí)圣堯.風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)發(fā)電監(jiān)控及評(píng)估系統(tǒng)[D].東北大學(xué)，2016.

　　[3] 王志新，孫耀杰，史偉偉，等.光伏發(fā)電控制關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[D].上海交通大學(xué)，2018.

　　[4] 申健.風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)的研究[D].大連交通大學(xué)，2017.

　　推薦閱讀：《水電能源科學(xué)》(Water Resources and Power)屬于工業(yè)技術(shù)類學(xué)術(shù)性刊物，創(chuàng)刊于1983年，教育部主管，中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)、華中科技大學(xué)主辦，武漢國(guó)測(cè)三聯(lián)水電設(shè)備有限公司、鄭州大學(xué)水科學(xué)研究中心協(xié)辦主要報(bào)道水、電、能源及相關(guān)學(xué)科的新理論、新技術(shù)、新方法及工程應(yīng)用成果。