浅谈微电网中太阳能发电系统的谐波治理
2015-01-20林应标
林应标
摘 要：随着能源问题和环境问题的日益突出，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，已经成为了社会发展的目标，而开发清洁的可再生能源也已经成为了世界各国实现经济、社会可持续发展的重要战略。由于光伏并网发电系统具有高环保、低噪声、适用范围广等优点，所以，备受社会各界的青睐。主要研究了微网太阳能发电系统中谐波的治理方法，用以提高电网的电能质量。
关键词：微电网；太阳能；谐波；发电系统
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0072-02
在全球能源危机日渐加重的今天，为了满足经济发展对电力的需求，不断缓解能源利用和环境保护等造成的巨大压力，世界各国越来越重视光伏、风力等经济、高效的绿色再生能源的发展。其中，太阳能发电不仅具有清洁、无污染、运行寿命长等特点，还具备了分布和应用范围广、资源充足等优势，具有非常广阔的发展前景。随着电力电子技术的快速发展在给人们带来更多利益的同时，电网也受到了谐波的污染，严重影响了电网的安全运行。
1 谐波产生原因分析
1.1 变流器产生的谐波
在光伏并网发电技术中，大量的电力电子装置是产生谐波的主要来源，而谐波的产生会严重影响光伏发电并网。其中，逆变器和整流器等电子装置的运用，很容易产生大量的谐波和三项不平衡电流。在微电网并网中，控制输入信号、转换信号的频率幅值是变流器的工作流程，图1为具体的工作原理。
1.2 负载系统产生的谐波
在电力系统中，负载在其工作过程中具有正、反两方面的作用。按照电力系统负载的特质，可将其分为线性负载和非线性负载。所谓“线性负载”，是指随着电压或电流的变化而不改变参数的负载，一般来说，其表现形式为正弦波；而随着电压或电流变化而改变参数的负载被称为非线性负载，非正弦波是其表现形式。要想让以工频正弦电源为供电方式的系统不存在谐波，其前提是线性负载要占据整个系统，假如非线性负载出现在该系统中，就会导致电压或电流发生畸变，那么，系统就会被谐波污染。一般来说，非线性负载使用的越多，系统被谐波污染的情况就越严重，二者之间成正比例关系。
2 抑制谐波的方法
消除电网谐波不仅能够满足客户的需求，还能保证电网运行的安全性和经济性。当前，抑制谐波主要采取以下两种方法：①主动型。它是指改造和设计电力电子设备，避免产生谐波，同时，要保持设备的单位功率因数，以降低系统的谐波注入量。
②被动型。该方法适用于各种谐波源，其原理是利用安装在谐波源位置的谐波补偿设备补偿谐波。其中，无源滤波器的应用最广泛。目前，广大科技工作者越来越重视有源滤波和静止无功补偿等装置的设计和开发，并已取得了丰硕的成果。
2.1 主动治理谐波的方法
2.1.1 多重化技术
联合使用多个变流器，应用多重化技术，叠加处理产生的多个方波，避免低频谐波产生，从而使阶梯波达到近似于正弦波的效果。但是，很少使用该装置的原因在于其结构过于复杂，而且成本较高。
2.1.2 脉宽调制技术（PWM）
对只有几百千伏安的中小功率设备而言，对它的控制可使用PWM或SVPWM等先进技术。调高变流器的谐波频率，可以最大程度地降低电网侧电流的畸变率，进而产生与正弦波波形相似的波形。
2.1.3 多电平技术
电流型逆变器适合使用多电平变流技术。它利用的是叠加方波电流波形的方式，并且输入的电流波形与正弦波极为相似，与电源、电压同相位。而电压型逆变器则不同，它采用的是相移多重化技术，把电感和交流电源连接在一起，将来自逆变器的方波电压叠加在一起，使电网侧逆变器产生的电压波形与正弦波接近。
应用上述措施，可以在一定程度上降低谐波的含量，但是，仍然无法改变和完善整个电网的性能。因为一些电力电子装置在工作时会产生一些高次谐波，所以，主动治理谐波的方法很少被采用。
2.2 被动治理谐波的方法
2.2.1 无源滤波装置（PPF）
目前，抑制谐波的方法有很多，使用较多的是采用无源滤波装置。它作为1组LC单调谐滤波器，是针对特定频率设计的。将单调谐高通滤波器安装在谐波源附近，能够有效吸收谐波电流，也能够补偿无功功率。由于它结构简单，而且设备投入少，所以，能有效提高运行和维护的安全性、经济性。目前，该装置已被广泛应用于实际系统中。但是，无源滤波装置的缺点也不容被忽视，具体有以下三点：①LC回路与电网阻抗在一定条件下会发生串联，或出现并联谐振的情况，进而放大了某次谐波分量，无法有效保证电网的供电质量。②滤波器无法消除非固定频率的谐波。在设计谐振频率时，需要考虑元件参数，而电网参数也会影响滤波的特性。因此，当电力系统的运行工况变化时，电网频率和阻抗也会随之改变，无法保证滤波的稳定性。③该装置体积较大，所以，损耗也相对较大。
2.2.2 有源电力滤波装置（APF）
该装置能够抑制谐波的产生，有效补偿无功功率。与传统LC滤波器相比，有源电力滤波装置能够补偿大小和频率都发生改变的谐波和无功电流，它是一种补偿效果良好的谐波，是实现无功补偿的理想装置。与无源滤波装置相比，其优势较为明显，具体包括：滤波效果不会随着电网频率和阻抗的变化而变化；与电网不会产生谐振现象，能有效抑制无源滤波器与系统之间的谐振；能够以动态方式持续进行无功补偿，特定次数谐波的补偿方式灵活多样；谐波补偿不会受到负载谐波电流过大的影响，避免发生过载现象。但是，有源电力滤波装置的缺点也十分明显，它不仅建造和运行成本较高，而且补偿单台设备的容量也比较困难。
2.2.3 混合型有源电力滤波装置
混合使用PPF和APF，前者主要补充含量较高、次数低的谐波和无功功率，而后者主要补偿次数高的谐波电流。
3 谐波检测方法的研究
在整个系统的运行过程中，如果谐波检测环节无法准确检测谐波电流，那么，补偿谐波电流将没有任何意义。以下是谐波检测较常用的几种方法。
3.1 基于模拟电路的谐波检测方法
作为较早被使用的谐波检测方法，模拟带通滤波器能够有效模拟电路，进而完成对谐波的检测。但是，受滤波器中心频率、元件参数和电压频率的限制，该方法很难取得理想的复频特质和相频特质的效果。
3.2 基于Fryze功率定义的检测方法
基于Fryze功率定义的检测方法是指在分解了负荷电流后，获取到了与电压波形分量不同的广义无功电流。它以平均功率为基础，对瞬间产生的有功电流进行积分再运算，因此，会造成延时，导致获得的数据不准确。
3.3 基于傅氏变换FFT的谐波检测方法
该方法精准度高，且功能全面。它是将检测到的谐波信号通过快速傅立叶变换算法分解，从而获得各次谐波幅值和相位系数的分量，由此可得各谐波的数学表达式。该方法不仅适用范围大，而且简单、便捷。
3.4 基于小波变换的谐波检测方法
所谓“基于小波变换的谐波检测方法”，就是指有效信息的提取和细化分析，它需要通过伸缩和平移函数或信号等运算，依靠时间和频率不断的局域变化来完成。该方法不仅被应用于力学、信号分析、图像识别等方面，而且在故障诊断、计算机视觉等诸多领域，小波变换也已获得了多项重要的应用成果。
4 结论
本文阐述了光伏发电和谐波抑制的概念、特点，研究了微电网中的光伏发电系统，并深入分析了微电网中的谐波影响电网谐波的原因，同时，也提出了抑制谐波和检测谐波的方法，这对太阳能发电系统的谐波治理有重要的意义。
参考文献
[1]罗安，吴传平，彭双剑.谐波治理技术现状及其发展[J].大功率变流技术，2011（6）.
[2]冯垛生，宋金莲，赵慧，等.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.
〔编辑：白洁〕
摘 要：随着能源问题和环境问题的日益突出，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，已经成为了社会发展的目标，而开发清洁的可再生能源也已经成为了世界各国实现经济、社会可持续发展的重要战略。由于光伏并网发电系统具有高环保、低噪声、适用范围广等优点，所以，备受社会各界的青睐。主要研究了微网太阳能发电系统中谐波的治理方法，用以提高电网的电能质量。
关键词：微电网；太阳能；谐波；发电系统
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0072-02
在全球能源危机日渐加重的今天，为了满足经济发展对电力的需求，不断缓解能源利用和环境保护等造成的巨大压力，世界各国越来越重视光伏、风力等经济、高效的绿色再生能源的发展。其中，太阳能发电不仅具有清洁、无污染、运行寿命长等特点，还具备了分布和应用范围广、资源充足等优势，具有非常广阔的发展前景。随着电力电子技术的快速发展在给人们带来更多利益的同时，电网也受到了谐波的污染，严重影响了电网的安全运行。
1 谐波产生原因分析
1.1 变流器产生的谐波
在光伏并网发电技术中，大量的电力电子装置是产生谐波的主要来源，而谐波的产生会严重影响光伏发电并网。其中，逆变器和整流器等电子装置的运用，很容易产生大量的谐波和三项不平衡电流。在微电网并网中，控制输入信号、转换信号的频率幅值是变流器的工作流程，图1为具体的工作原理。
1.2 负载系统产生的谐波
在电力系统中，负载在其工作过程中具有正、反两方面的作用。按照电力系统负载的特质，可将其分为线性负载和非线性负载。所谓“线性负载”，是指随着电压或电流的变化而不改变参数的负载，一般来说，其表现形式为正弦波；而随着电压或电流变化而改变参数的负载被称为非线性负载，非正弦波是其表现形式。要想让以工频正弦电源为供电方式的系统不存在谐波，其前提是线性负载要占据整个系统，假如非线性负载出现在该系统中，就会导致电压或电流发生畸变，那么，系统就会被谐波污染。一般来说，非线性负载使用的越多，系统被谐波污染的情况就越严重，二者之间成正比例关系。
2 抑制谐波的方法
消除电网谐波不仅能够满足客户的需求，还能保证电网运行的安全性和经济性。当前，抑制谐波主要采取以下两种方法：①主动型。它是指改造和设计电力电子设备，避免产生谐波，同时，要保持设备的单位功率因数，以降低系统的谐波注入量。
②被动型。该方法适用于各种谐波源，其原理是利用安装在谐波源位置的谐波补偿设备补偿谐波。其中，无源滤波器的应用最广泛。目前，广大科技工作者越来越重视有源滤波和静止无功补偿等装置的设计和开发，并已取得了丰硕的成果。
2.1 主动治理谐波的方法
2.1.1 多重化技术
联合使用多个变流器，应用多重化技术，叠加处理产生的多个方波，避免低频谐波产生，从而使阶梯波达到近似于正弦波的效果。但是，很少使用该装置的原因在于其结构过于复杂，而且成本较高。
2.1.2 脉宽调制技术（PWM）
对只有几百千伏安的中小功率设备而言，对它的控制可使用PWM或SVPWM等先进技术。调高变流器的谐波频率，可以最大程度地降低电网侧电流的畸变率，进而产生与正弦波波形相似的波形。
2.1.3 多电平技术
电流型逆变器适合使用多电平变流技术。它利用的是叠加方波电流波形的方式，并且输入的电流波形与正弦波极为相似，与电源、电压同相位。而电压型逆变器则不同，它采用的是相移多重化技术，把电感和交流电源连接在一起，将来自逆变器的方波电压叠加在一起，使电网侧逆变器产生的电压波形与正弦波接近。
应用上述措施，可以在一定程度上降低谐波的含量，但是，仍然无法改变和完善整个电网的性能。因为一些电力电子装置在工作时会产生一些高次谐波，所以，主动治理谐波的方法很少被采用。
2.2 被动治理谐波的方法
2.2.1 无源滤波装置（PPF）
目前，抑制谐波的方法有很多，使用较多的是采用无源滤波装置。它作为1组LC单调谐滤波器，是针对特定频率设计的。将单调谐高通滤波器安装在谐波源附近，能够有效吸收谐波电流，也能够补偿无功功率。由于它结构简单，而且设备投入少，所以，能有效提高运行和维护的安全性、经济性。目前，该装置已被广泛应用于实际系统中。但是，无源滤波装置的缺点也不容被忽视，具体有以下三点：①LC回路与电网阻抗在一定条件下会发生串联，或出现并联谐振的情况，进而放大了某次谐波分量，无法有效保证电网的供电质量。②滤波器无法消除非固定频率的谐波。在设计谐振频率时，需要考虑元件参数，而电网参数也会影响滤波的特性。因此，当电力系统的运行工况变化时，电网频率和阻抗也会随之改变，无法保证滤波的稳定性。③该装置体积较大，所以，损耗也相对较大。
2.2.2 有源电力滤波装置（APF）
该装置能够抑制谐波的产生，有效补偿无功功率。与传统LC滤波器相比，有源电力滤波装置能够补偿大小和频率都发生改变的谐波和无功电流，它是一种补偿效果良好的谐波，是实现无功补偿的理想装置。与无源滤波装置相比，其优势较为明显，具体包括：滤波效果不会随着电网频率和阻抗的变化而变化；与电网不会产生谐振现象，能有效抑制无源滤波器与系统之间的谐振；能够以动态方式持续进行无功补偿，特定次数谐波的补偿方式灵活多样；谐波补偿不会受到负载谐波电流过大的影响，避免发生过载现象。但是，有源电力滤波装置的缺点也十分明显，它不仅建造和运行成本较高，而且补偿单台设备的容量也比较困难。
2.2.3 混合型有源电力滤波装置
混合使用PPF和APF，前者主要补充含量较高、次数低的谐波和无功功率，而后者主要补偿次数高的谐波电流。
3 谐波检测方法的研究
在整个系统的运行过程中，如果谐波检测环节无法准确检测谐波电流，那么，补偿谐波电流将没有任何意义。以下是谐波检测较常用的几种方法。
3.1 基于模拟电路的谐波检测方法
作为较早被使用的谐波检测方法，模拟带通滤波器能够有效模拟电路，进而完成对谐波的检测。但是，受滤波器中心频率、元件参数和电压频率的限制，该方法很难取得理想的复频特质和相频特质的效果。
3.2 基于Fryze功率定义的检测方法
基于Fryze功率定义的检测方法是指在分解了负荷电流后，获取到了与电压波形分量不同的广义无功电流。它以平均功率为基础，对瞬间产生的有功电流进行积分再运算，因此，会造成延时，导致获得的数据不准确。
3.3 基于傅氏变换FFT的谐波检测方法
该方法精准度高，且功能全面。它是将检测到的谐波信号通过快速傅立叶变换算法分解，从而获得各次谐波幅值和相位系数的分量，由此可得各谐波的数学表达式。该方法不仅适用范围大，而且简单、便捷。
3.4 基于小波变换的谐波检测方法
所谓“基于小波变换的谐波检测方法”，就是指有效信息的提取和细化分析，它需要通过伸缩和平移函数或信号等运算，依靠时间和频率不断的局域变化来完成。该方法不仅被应用于力学、信号分析、图像识别等方面，而且在故障诊断、计算机视觉等诸多领域，小波变换也已获得了多项重要的应用成果。
4 结论
本文阐述了光伏发电和谐波抑制的概念、特点，研究了微电网中的光伏发电系统，并深入分析了微电网中的谐波影响电网谐波的原因，同时，也提出了抑制谐波和检测谐波的方法，这对太阳能发电系统的谐波治理有重要的意义。
参考文献
[1]罗安，吴传平，彭双剑.谐波治理技术现状及其发展[J].大功率变流技术，2011（6）.
[2]冯垛生，宋金莲，赵慧，等.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.
〔编辑：白洁〕
摘 要：随着能源问题和环境问题的日益突出，发展低碳经济、建设生态文明、实现可持续发展，已经成为了社会发展的目标，而开发清洁的可再生能源也已经成为了世界各国实现经济、社会可持续发展的重要战略。由于光伏并网发电系统具有高环保、低噪声、适用范围广等优点，所以，备受社会各界的青睐。主要研究了微网太阳能发电系统中谐波的治理方法，用以提高电网的电能质量。
关键词：微电网；太阳能；谐波；发电系统
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）24-0072-02
在全球能源危机日渐加重的今天，为了满足经济发展对电力的需求，不断缓解能源利用和环境保护等造成的巨大压力，世界各国越来越重视光伏、风力等经济、高效的绿色再生能源的发展。其中，太阳能发电不仅具有清洁、无污染、运行寿命长等特点，还具备了分布和应用范围广、资源充足等优势，具有非常广阔的发展前景。随着电力电子技术的快速发展在给人们带来更多利益的同时，电网也受到了谐波的污染，严重影响了电网的安全运行。
1 谐波产生原因分析
1.1 变流器产生的谐波
在光伏并网发电技术中，大量的电力电子装置是产生谐波的主要来源，而谐波的产生会严重影响光伏发电并网。其中，逆变器和整流器等电子装置的运用，很容易产生大量的谐波和三项不平衡电流。在微电网并网中，控制输入信号、转换信号的频率幅值是变流器的工作流程，图1为具体的工作原理。
1.2 负载系统产生的谐波
在电力系统中，负载在其工作过程中具有正、反两方面的作用。按照电力系统负载的特质，可将其分为线性负载和非线性负载。所谓“线性负载”，是指随着电压或电流的变化而不改变参数的负载，一般来说，其表现形式为正弦波；而随着电压或电流变化而改变参数的负载被称为非线性负载，非正弦波是其表现形式。要想让以工频正弦电源为供电方式的系统不存在谐波，其前提是线性负载要占据整个系统，假如非线性负载出现在该系统中，就会导致电压或电流发生畸变，那么，系统就会被谐波污染。一般来说，非线性负载使用的越多，系统被谐波污染的情况就越严重，二者之间成正比例关系。
2 抑制谐波的方法
消除电网谐波不仅能够满足客户的需求，还能保证电网运行的安全性和经济性。当前，抑制谐波主要采取以下两种方法：①主动型。它是指改造和设计电力电子设备，避免产生谐波，同时，要保持设备的单位功率因数，以降低系统的谐波注入量。
②被动型。该方法适用于各种谐波源，其原理是利用安装在谐波源位置的谐波补偿设备补偿谐波。其中，无源滤波器的应用最广泛。目前，广大科技工作者越来越重视有源滤波和静止无功补偿等装置的设计和开发，并已取得了丰硕的成果。
2.1 主动治理谐波的方法
2.1.1 多重化技术
联合使用多个变流器，应用多重化技术，叠加处理产生的多个方波，避免低频谐波产生，从而使阶梯波达到近似于正弦波的效果。但是，很少使用该装置的原因在于其结构过于复杂，而且成本较高。
2.1.2 脉宽调制技术（PWM）
对只有几百千伏安的中小功率设备而言，对它的控制可使用PWM或SVPWM等先进技术。调高变流器的谐波频率，可以最大程度地降低电网侧电流的畸变率，进而产生与正弦波波形相似的波形。
2.1.3 多电平技术
电流型逆变器适合使用多电平变流技术。它利用的是叠加方波电流波形的方式，并且输入的电流波形与正弦波极为相似，与电源、电压同相位。而电压型逆变器则不同，它采用的是相移多重化技术，把电感和交流电源连接在一起，将来自逆变器的方波电压叠加在一起，使电网侧逆变器产生的电压波形与正弦波接近。
应用上述措施，可以在一定程度上降低谐波的含量，但是，仍然无法改变和完善整个电网的性能。因为一些电力电子装置在工作时会产生一些高次谐波，所以，主动治理谐波的方法很少被采用。
2.2 被动治理谐波的方法
2.2.1 无源滤波装置（PPF）
目前，抑制谐波的方法有很多，使用较多的是采用无源滤波装置。它作为1组LC单调谐滤波器，是针对特定频率设计的。将单调谐高通滤波器安装在谐波源附近，能够有效吸收谐波电流，也能够补偿无功功率。由于它结构简单，而且设备投入少，所以，能有效提高运行和维护的安全性、经济性。目前，该装置已被广泛应用于实际系统中。但是，无源滤波装置的缺点也不容被忽视，具体有以下三点：①LC回路与电网阻抗在一定条件下会发生串联，或出现并联谐振的情况，进而放大了某次谐波分量，无法有效保证电网的供电质量。②滤波器无法消除非固定频率的谐波。在设计谐振频率时，需要考虑元件参数，而电网参数也会影响滤波的特性。因此，当电力系统的运行工况变化时，电网频率和阻抗也会随之改变，无法保证滤波的稳定性。③该装置体积较大，所以，损耗也相对较大。
2.2.2 有源电力滤波装置（APF）
该装置能够抑制谐波的产生，有效补偿无功功率。与传统LC滤波器相比，有源电力滤波装置能够补偿大小和频率都发生改变的谐波和无功电流，它是一种补偿效果良好的谐波，是实现无功补偿的理想装置。与无源滤波装置相比，其优势较为明显，具体包括：滤波效果不会随着电网频率和阻抗的变化而变化；与电网不会产生谐振现象，能有效抑制无源滤波器与系统之间的谐振；能够以动态方式持续进行无功补偿，特定次数谐波的补偿方式灵活多样；谐波补偿不会受到负载谐波电流过大的影响，避免发生过载现象。但是，有源电力滤波装置的缺点也十分明显，它不仅建造和运行成本较高，而且补偿单台设备的容量也比较困难。
2.2.3 混合型有源电力滤波装置
混合使用PPF和APF，前者主要补充含量较高、次数低的谐波和无功功率，而后者主要补偿次数高的谐波电流。
3 谐波检测方法的研究
在整个系统的运行过程中，如果谐波检测环节无法准确检测谐波电流，那么，补偿谐波电流将没有任何意义。以下是谐波检测较常用的几种方法。
3.1 基于模拟电路的谐波检测方法
作为较早被使用的谐波检测方法，模拟带通滤波器能够有效模拟电路，进而完成对谐波的检测。但是，受滤波器中心频率、元件参数和电压频率的限制，该方法很难取得理想的复频特质和相频特质的效果。
3.2 基于Fryze功率定义的检测方法
基于Fryze功率定义的检测方法是指在分解了负荷电流后，获取到了与电压波形分量不同的广义无功电流。它以平均功率为基础，对瞬间产生的有功电流进行积分再运算，因此，会造成延时，导致获得的数据不准确。
3.3 基于傅氏变换FFT的谐波检测方法
该方法精准度高，且功能全面。它是将检测到的谐波信号通过快速傅立叶变换算法分解，从而获得各次谐波幅值和相位系数的分量，由此可得各谐波的数学表达式。该方法不仅适用范围大，而且简单、便捷。
3.4 基于小波变换的谐波检测方法
所谓“基于小波变换的谐波检测方法”，就是指有效信息的提取和细化分析，它需要通过伸缩和平移函数或信号等运算，依靠时间和频率不断的局域变化来完成。该方法不仅被应用于力学、信号分析、图像识别等方面，而且在故障诊断、计算机视觉等诸多领域，小波变换也已获得了多项重要的应用成果。
4 结论
本文阐述了光伏发电和谐波抑制的概念、特点，研究了微电网中的光伏发电系统，并深入分析了微电网中的谐波影响电网谐波的原因，同时，也提出了抑制谐波和检测谐波的方法，这对太阳能发电系统的谐波治理有重要的意义。
参考文献
[1]罗安，吴传平，彭双剑.谐波治理技术现状及其发展[J].大功率变流技术，2011（6）.
[2]冯垛生，宋金莲，赵慧，等.太阳能发电原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2007.
〔编辑：白洁〕
