分布式能源配电网的谐波特性及治理研究

韶关市擎能设计有限公司 李婉霞

引言

电能从生产、传变、传输到消耗四个过程均可能导致谐波的产生，谐波的存在会增加电能从产生到消费整个过程的附加损耗，导致设备过热，降低设备效率和设备使用寿命。同时，它还将影响到保护设备动作的正确性，测控装置及测量仪表指示和计量准确性，干扰通信系统的正常运行。

为了提高供电电能质量，减少谐波污染，人们在早期使用结构简单、低成本的无源电力滤波器抑制谐波，但其存在的严重缺陷已被证实，如过滤功能受电网阻抗和频率的影响严重，且与电网阻抗极易产生串/并联谐波。

1 主动谐波管理技术

常见的光伏、风电、分布式储能等DER都是利用三相换流器实现并网的，且它们使用的三相换流器结构和控制策略相同，常采用通过闭环控制并网的有功和无功功率的控制策略(PQ控制策略)，文中仿真基于此控制策略完成。

由于光伏和风电自身间歇、波动的特性，并网时其换流器并非工作在额定功率下，而分布式储能要实现“削峰填谷”作用，其换流器也常工作在非额定功率下。所以，本节同时研究光伏、风电、分布式储能等DER给ADN带来的谐波方面的影响。主动谐波治理是从谐波源自身出发，在源头上抑制、消除谐波，其主要的办法如下。

1.1 运用脉冲的宽度进行调理

选用脉冲的宽度进行调理可以使整流器上的谐波削弱，将波形转化成正弦波，在整流的过程中，其电路的模型如图1所示，在运用脉冲的宽度进行整流时，其整流的负载不高，并且网测功率的因数是比较高的。

图1 脉冲宽度整流的电路模型

1.2 提高变流装置的相数和脉冲数

对变流装置进行改造，使之形成规定的移向角，运用换流变压器，能够降低谐波，一般可以运用十二脉波进行电路的整流，其电路如图2所示。

图2 十二脉波整流电路

1.3 采用高功率因数的变流器

将变频器设置成矩阵式的，也可以运用不同方向的变流器，这样能够使变流器产生的谐波向四周分散，矩阵变流器的结构如图3所示。

该滤波器能在电网运行中吸收谐波，实现了自由功率补偿机制，滤波装置由谐波电容器和电抗器组成，并与谐波源并联。一般来说，由周边产生的谐波会有公用电网，可以连接到滤波器，它能及时地吸收电网运行时的谐波，但也可以实现免费的电力补偿，设备的维护并不复杂。

图3 矩阵变换器的结构图

2 谐波检测方法

谐波检测办法的实时性和精度影响有源电力滤波器的谐波管理效果，多见的谐波检查办法主要如下。

传统的傅立叶FFT算法。选用快速傅立叶改换，从改换后的电流信号中除掉基波重量，再对余下重量进行反改换，即可得到谐波电流的时域信号。

改善的傅立叶级数法。其理论依据是经过傅立叶改换核算电流基波重量，从负载电流中减去基波重量。具体做法是：修正了傅立叶级数方程，得到了一个带有滑动窗口的回归方程，选择了两个不同的循环序列来存储每个采样子周期计算的正余弦系数，数据值实时被更新，从而正余弦的总和也得到了更新。

定期检查方法。在此方法中，实际电路中的相负载等效于每个相的等效电导，电路中的功率以等效电导消耗，没有其他能量损失。基于等效电导率，可以计算出当前的重量。

瞬时无功功率法。本文将相位电压和电流转换为两相正交系统，计算瞬时有功功率和无功功率。低通滤波后得到直流分量，得到两相波的电流。通过从基波中减去电流，减去基本波数，得到谐波电流。

3 谐波控制策略及其控制方法

随着工业生产过程越来越复杂，工业负载引起的不再是单一的谐波问题，需要在抑制谐波的时候补偿大量无功功率、抑制电压闪变。同时，电力电子技术的发展也促进了谐波治理新技术的涌现。

传统配电网通过增加电网容量裕度和调整电网结构以保证电网安全、稳定运行，高渗透率分布式能源(distributed energy resource，DER)并网容易引起电网电压越限、双向潮流问题。若通过调整电网结构频繁投切分布式电源解决，成本太高；且电力负荷增长率低，增加电网容量裕度显然不科学。

在此背景下，国内外学者提出借用信息与通信技术和控制理论实现电网的主动控制，以解决高渗透率DER接入的问题，并于2008年在国际大电网会议(CIGRE)上提出了主动配电网(ADN)的概念，指出ADN可以通过灵活的网络结构来管理潮流。DER基本构成是:分布式电源(DG，包括光电PV、风电WPG等)、分布式储能、可控负荷(电动汽车EV、响应负荷RL)。

3.1 工业整流负载规划与抵偿一体化技术

3.1.1 高压侧整流体系抵偿技术

在进行工业整流负载规划时，一方面尽量下降负载谐波含量和提升功率因数，另一方面思考谐波与无功综合抵偿。此种技术的特色是有载调压使整流装置触发角处于较小状态，提升功率因数，构成12脉波下降谐波。

3.1.2 低压侧整流体系抵偿技术

对于电解电镀用的大功率高频开关电源，前级整流构造通常选用不可控整流或晶闸管相控整流方法，导致大量谐波，严重污染电网。传统解决计划是在公共母线侧装置有源滤波器组，一般来说，器件的谐波含量为5、7、11、13次，以滤除谐波，补偿无功功率。被动功率滤波方法体积大、成本高、缺陷多、滤波能力有限，但简单可靠。今天的解决方案是使用高频PWM整流器，而不是无法控制的整流器。电解电镀为直流电源供电，有效地降低了电网侧电流的谐波含量，提高了功率因数。

4 谐波治理技术的发展趋势

工业供电质量要求越来越高，许多分布式发电接入电网、智能电网的建造和开展等因素赋予了谐波管理技术新的开展方向和内容，主要体现在以下两个方面。

谐波治理将在谐波源处进行。谐波主动管理技术将会得到不断的重视，许多工业负载在进行计划时将采纳适宜的低谐波技术计划，以降低谐波带来的负面影响，以及管理谐波带来的额定成本。

中高压谐波按捺技术的前进及使用。现在在国内低压配网(380V)侧的谐波按捺技术已进入工业实用化进程，有关技术逐步成熟。但在6kV、10kV等中高压配网谐波管理技术的使用研究还须进一步完善，特别是输电系统的谐波抑制技术。

5 结论

电网运行的过程中，会产生大量的谐波，导致电力系统的效率下降，并会导致设备故障。因此，在电网运行管理中，通过对谐波检测和控制，实现线性滞环电流控制和电流控制方法，如谐波检测的过程中，可以使用傅里叶级数法和瞬时反应法，使谐波的检测更准确。