浅析分布式光伏发电并网谐波影响及治理

王镜植　刘姿　宋启扬　徐佳栋

【摘 要】并网逆变器谐波的治理对分布式光伏發电并网的推广具有重大的意义。本文介绍了电力谐波的定义，危害；阐述了谐波的产生机理；分析了传统谐波治理措施的优缺点；并简述了部分新的治理策略，具有一定的指导意义。

【关键词】分布式光伏发电；谐波危害；治理策略

中图分类号： TM615 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）04-0131-002

A Brief Analysis of the Influence and Governance of Distributed Photovoltaic Power Grid

WANG Jing-zhi LIU Zi SONG Qi-yang XU Jia-dong

（Physical engineering college of zhengzhou university，zhengzhou henan 450000，China）

【Abstract】The governance of the grid-connected inverter is of great significance to the distribution of distributed photovoltaic power generation.This paper introduces the definition and harm of power harmonics.The generation mechanism of harmonics is described.The advantages and disadvantages of traditional harmonic control measures are analyzed.It also introduces some new management strategies，which has certain guiding significance.

【Key words】Distributed photovoltaic power generation；Harmonic damage；The governance policies

0 引言

伴随着科技的发展，传统油气能源的大量使用，使之面临枯竭，开发清洁的新型能源成为世界各发达国家研究的热点。太阳能清洁无污染又取之不尽用之不竭的优点使之成为了新型能源中最大的亮点[1-3]。目前光伏发电有两种形式：集中式光伏发电、分布式光伏发电。集中式光伏发电占地面积大、输送困难、输电线路损耗多，但是分布式光伏就可以很好的解决这些问题，因为分布式光伏发电系统遵循就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则。分布式光伏系统包括：光伏阵列、并网逆变器、蓄电池储能环节、控制器、变压器等。作为新兴产业，分布式光伏发电系统还存在许多问题，其中并网过程中由于逆变器的非线性工作使输出电流携带了大量的谐波[2-5]，严重影响了发电的质量，同时污染了电网的电能，对各种电力设施也产生了不良影响，这些问题都亟待解决[6]。本文在调研了国内外诸多专家学者在解决分布式光伏发电谐波问题上的成果后给出在实际应用中可行的办法，对国内分布式光伏的推广具有一定的指导意义。

1 谐波及谐波产生机理

电力系统中的谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数展开，在得到与基波频率一致的分量外还存在着大与基波频率的分量，这些分量统称为谐波，并且将高于二倍基波频率的谐波分量称为高次谐波。又从广义上讲任何与工频频率不同的的成分均称为谐波，于是又有了“分数谐波”，“间谐波”，“次谐波”等的说法[4]。谐波产生机理是在直流变交流过程中，逆变器的电力电子开关以很高的频率开与关，这种非线性工作模式导致输出波形存在一定的畸变，并且逆变器中的半导体元件的导通和断开需要一定的时间即死区时间，因此需要将不同桥臂的开关错开一定的时间，这样将引入谐波[7-8]。

2 谐波的危害

电力谐波的危害体现在我们生活的方方面面，它影响电力输送系统、影响电力保护装置、影响家用电器，影响通讯设备，谐波对我们的生活造成了严重的影响。

2.1 对输电线路的影响

输电线路的电阻会受到电流频率的影响，且与频率成正比。输电线路中由于大量谐波的存在加之集肤效应的扩张与放大，使电路耗损增加[8-10]，这是电力输送过程中电能损耗较为严重的因素。当电路中存在电容和电感，电路在某一频率时会发生谐振，造成谐波电流放大，导致各种电力电子器件由于过压和过流发热甚至损坏，不仅如此，谐波对电力电缆的影响更加严重，电缆线路对地电容是架空电路对地电容的10—20倍，因此电缆中的电流更容易出现谐波谐振，导致电缆被击穿[4 8 11-12]。

2.2 对继电保护装置的影响

电力系统的继电保护装置高度灵敏，其正常工作各项指标量的确定是以电网基波的量设定的，谐波的各项指标不同于基波，因此继电保护装置对谐波十分敏感，谐波的存在会导致继电器误动，影响电力系统正常供电[9-11]。

2.3 对变压器的影响

电压器是由大量线圈缠绕而成的，谐波电流通过变压器时会产生大量的热，这会对变压器造成严重的危害，导致变压器的绝缘材料的寿命严重缩短，产生的大量的热还会造成变压器的铜损和铁损增加[10]，更严重时会导致变压器烧毁，造成局部区域电力系统瘫痪。

2.4 对精密计量仪器仪表的影响

我国普通居民家用的电能计量仪表（电表）均是以工频50HZ标准正弦波的参数设计的，而与工频不一致的电力谐波导致电表的工作处于非正常状态，对居民用电计量存在较大误差。谐波产生户会因为计量的误差少缴纳电费，而那些普通用户却要在谐波的影响下多缴纳电费[11]。

2.5 对音频图像处理设备的影响

电力电网中的谐波会产生电磁感应现象，如果临近通信线路，则电磁波会对通信讯号产生干扰影响话质[13-14]，谐波还会导致计算机电视机图像严重畸变，屏幕亮度跳变，电路板过热等危害[11-12]。

3 谐波治理的方法

传统的并网谐波治理方法主要有：串联电抗器，有源滤波，无源滤波，增加整流设备的相数等[13 15]；本文主要介绍有源滤波和无源滤波两种技术。

3.1 无源滤波器

针对分布式光伏并网逆变器产生的谐波，可以在逆变后的输出电流线路中加置无源滤波装置。目前无源滤波装置是应用最广泛的滤波装置之一，其突出的优点是结构简单，性能可靠，成本极低，是许多大型谐波产生户的首选。主要的工作原理是将电抗器与电容器串联起来组成LC串联回路并联在电网中，使谐波电流在电网和滤波器之间分流[16]，其行为模式为提供被动式谐波电流旁路通道，要使滤波器起作用还需要将滤波器设定在特定的频率上如：5次，7次，9次等的谐振點上。但是这种谐波抑制策略受电网的影响很大，因为只有滤波电路的阻抗远远小于电网阻抗无源滤波器才能起作用，由于电网阻抗本来就很小，要想达到滤波条件就需要并联多个无源滤波器，不仅如此无源滤波器还对电网背景谐波的变化非常敏感，背景谐波频率稍微偏离滤波器设定频率，滤波效果就会大打折扣[14，17]。

由于LC无源滤波器在电网中形成了串并联回路，这有可能会造成电网中谐波电流放大，加重电流波形的畸变。

3.2 有源滤波器

有源滤波器是在无源滤波器的基础上发展起来的，其滤波效果好，在额定的无功功率范围内滤波效果可以达到百分之百，并且它能对电网谐波进行动态补偿不受电网阻抗的影响。它的工作原理是由电力电子元件组成的电路产生一个与电网谐波同频率同振幅但是相位相反的电流，使之与电网中的谐波电流相抵消。由于受到电力电子元器件的各项限制，加上复杂的工艺，成本极高[16-17]。

3.3 新型治理策略

除了传统的谐波治理策略外，还有许多学者针对不同的方面做了大量的研究。文献[18]针对当前传统逆变器存在的共模漏电流严重，中点电位二次脉动，转换电压二次谐波含量较多的问题设计了一种新型逆变器且在仿真试验中验证了其性能优于传统逆变器；文献[19]从串阻式逆变器拓扑及基本控制架构入手设计了死区效应抑制策略和特定谐波抑制策略，两种策略组合使其发挥各自长处。实验结果也验证了该种策略使谐波含量大幅降低。文献[20]从简单的无源阻尼法入手，采用新的策略确保在有电网背景谐波的影响时逆变器能正常输出标准波形。文献[21]提出了一种基于单周控制的治理策略，在功率输出的同时对公共点处的电流谐波进行补偿，针对不同容量的微电网并联运行情况，提出了多逆变器并联分摊控制的控制策略，并对单周控制存在的问题进行改变，在仿真模拟中也验证了其正确性。

4 结语

电网谐波的存在不仅导致了电能的浪费还影响了电能质量，因此研究谐波的治理对像分布式光伏这样的微型电网的推广以及改善国家能源结构减少对传统能源的依赖推进可持续发展具有重要意义。谐波治理这一项关乎民生而又艰难漫长的工作值得我们持续关注。

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