微电网谐波特性分析及影响研究

2021-08-11韩子娇张稼楠董鹤楠

东北电力技术 2021年6期

韩子娇，苑舜，张稼楠，郑旭，董鹤楠

(1.沈阳工业大学电气工程学院，辽宁沈阳 110870；2.国网辽宁省电力有限公司，辽宁沈阳 110006；3.国家能源局东北监管局，辽宁沈阳 110006；4.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳 110006)

随着电力工业的发展，传统的集中供电模式已经不能满足电能传输的灵活、环保、高效利用，而微电网技术采用集中和分散相结合供电模式，能够克服传统集中供电模式的缺点[1]。微电网既可以并网运行(并网型微电网)与大电网相互支撑，也可孤立运行(独立型微电网)，脱离大电网构建成一个独立系统，实现发用电相平衡[2-4]。孤岛运行模式下的微电网，由于大多类型的微源接入微电网需采用逆变控制技术，微电网的系统内部含有大量电力电子设备，因此微电网具备完整的控制策略、发配电机制以及保护功能，能够实现发电侧中不同类型电源之间的调度优化功和功率平衡，脱离大电网时可完备自身系统的稳定性。当微电网并网运行时，可将内部多个微源视为一个整体，作为局部电力系统，参与整个大电网的调度[5-6]。

在整个交流电力系统发展过程中，从最开始汞弧变流器引起的电压、电流的波形畸变到现代电力电子装置在电力、交通等多个工业部门中的广泛应用，波形畸变和谐波问题一直是电力系统研究以及工程应用所关注的重点。谐波带来的危害必须予以充分重视，尤其是在整个电力系统中越接近公共耦合点，谐波产生的影响越大[7]。文献[8]指出在微电网并网运行中大量全控型电力电子器件使用及多种非线性负荷投切，能够导致电压波形产生严重畸变、谐波含量增加。在孤岛运行时，由于失去传统电网的支撑，此问题表现得更为严重[9]。另外，随着电力电子设备的普及，在进行电力系统谐波分析研究时，电力电子设备已经成为不能忽视的谐波源。此外，考虑包括用户侧其他非线性设备，其大规模接入微电网影响电网安全运行，带来的电能质量问题不能忽视[10-11]。相对于传统电网结构，由于微电网自身结构的不同，系统网架结构比较脆弱，更容易引起电能质量问题[12]。

本文的主要工作首先对谐波产生的机理以及谐波的来源进行分析和总结，首先搭建三相交流电路的仿真模型，分析非线性负荷接入时的谐波影响。同时在国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院开展微电网半实物仿真试验，对采用对等控制内部并且含有模拟风机、储能电池、光伏电源等微源的微电网开展试验，在并网、离并网转换、离网运行模式下进行测试，在不同的负荷投切下得到不同运行工况的谐波数据。进而分析出微电网在非线性负荷干扰下不同运行状态下谐波的特性。

1 谐波产生机理

在交流供电系统中，通常希望电压电流波形能够呈现完整的正弦波，但如果发生波形畸变，供电电压波形超过规定的谐波限值，会造成电能传输利用效率降低、电气设施绝缘老化、局部谐振等危害，严重时可能会造成工程事故，影响微电网的稳定运行[13]。电力系统谐波的产生多源于电力系统中复杂的内部阻抗以及系统内部和负载中的谐波源。在进行谐波产生机理分析中，非线性负荷引起谐波过程由图1所示。

图1 非线性电阻引起的电流畸变

从图1可以看出，所采用的电阻作为无源元件，设定其V-I特性曲线是非线性变化的，v(t)是标准的正弦波形，将v(t)作为激励源施加在电阻元件两端，流过线路和电阻元件的电流波形产生了很大的畸变[14]。当电压出现波动时，响应电流可能发生成倍的变化。如果在微电网中，注入的谐波电流经过系统中复杂的阻抗时，会进一步引起电压谐波。微电网的非线性负载多是负载侧的整流器件、电弧设备等这些非线性设备。

在进行谐波定义和谐波分析时，需要引入傅里叶级数，对于T=2π/ω的非正弦波形可视为不同频次的正弦波叠加的，在满足狄里赫利条件，可以分解成n组频率为nω/2π正弦波形。在分解的不同频率正弦波分量之中，n为1的分量，为波形的基波，n>1的分量称为谐波分量，我国交流供电的频率也就是规定的基波频率f=50 Hz，不同次的谐波频率一般是50 Hz的整数倍。谐波幅值随着次数n的增加而变小，导致的影响也随之变小，畸变的波形叠加如图2所示。

图2 畸变波形的傅里叶级数表示

在考虑特定次谐波的影响时需要引入n次谐波含有率(HRUn)的概念，可以用来表示某特定次谐波的影响，具体表示为h次谐波的方均根值与基波有效值之比。在考虑总谐波影响时引入总谐波畸变率(THD)的概念表示电压波形谐波畸变的严重程度，GB/T14549《电能质量公共电网谐波》对总谐波电压THDU畸变率做了详细的规定。对于各次谐波Uh(h≠1)取方均根值，与基波之比。表示如下：

(1)

对于限制谐波标准的制定和修订可以为治理谐波提供依据，目前多个国家和学术组织都已致力于此项工作。GB/T14549—1993对不同电压等级的的总谐波畸变率明确的限制规定，通常在考虑不同次谐波对电力系统影响时，基于偶次谐波和奇次谐波治理方式以及影响，偶次谐波制定的限制要严于奇次谐波，各次谐波电压含有率的限制标准也有所不同，具体见表1所示。

表1 公共电网谐波电压

2 微电网中的谐波特性分析

2.1 微电网谐波源分类

传统电力系统谐波产生的原因多为发输配过程中内部产生谐波或者是负载侧的电力电子设备、非线性设备的接入。微电网系统区别于传统的电力系统，不同类型的微源内部含有大量的逆变整流装置，在整个微电网系统中，微源含有的大量电力电子设备是主要的谐波污染源，其次是用户侧用电设备如变频器、整流设备、电弧性设备等，负载中的大量非线性负载是微电网系统中必须要引起重视的谐波污染源。对比两者，非线性负载所占比重较大[15-16]。经过上述谐波产生机理的分析，非线性负载引起电流的畸变，能够向微电网系统中注入大量的谐波电流，流经系统阻抗时会进一步产生电压波形畸变、降低功率因数问题，更为严重的情况，如果加装电容器在参数合适时会引起系统局部谐振，进一步放大了微电网中的谐波电流。此外，谐波能够导致一些电力设备比如电机、变压器等设备在绕组和铁芯中产生附加损耗，引起设备过热、震动、噪声等。可能导致设备的损坏，引起微电网整个系统的溃裂[17-18]。在用户侧常见的非线性负荷三相电力电子变流器设备及电弧性设备。

a.三相电力电子变流器

三相电力电子变流器的构成具体包括变压器、滤波、整流模块等。广泛应用于电力、交通、化工等多个工业部门中。考虑用户变流器的具体用法，在接入电网进行分析时，对接入的负载、高频DC/DC模块等可简化为一个非线性电阻，此外内部整流电路在整流过程中也会产生的波形畸变。目前电力电子变流器是不可忽视的谐波源，如 6脉动PWM整流电路其交流侧谐波电流主要为 6k±1 次，k=1，2，3，…，即 5 次、7次、11次、13次，且谐波次数越高，其有效值越小，影响最大的是5次、7次、11次谐波。

b.电弧性设备

电弧性设备主要包括电焊机、电弧喷涂机、电弧炉等，电弧作为高温热源在喷镀、焊接、冶金等方面得到广泛的应用。电弧设备的使用特性为电弧在引弧阶段需要由电弧设备提供高压低流，在燃弧阶段需要设备提供高流低压。电弧的V-I特性曲线是非线性的。电弧视为一个理想的电气元件，是典型的非线性电阻，在接入微电网进行分析时是典型的谐波污染源，产生的谐波无序，相对较为复杂。

2.2 微电网谐波特性分析及仿真

针对微电网的谐波特性，本文在MATLAB中搭建三相交流电路，交流侧为三相220 V、50 Hz的正弦交流电压，交流侧阻抗为R1=21 Ω，L1=0.7 mH，C1=0.41 mF；负载侧中阻感的R=0.02 Ω，L=0.1 mH；初始给定的电压值是540 V，模型如图3所示。

图3 三相交流电路负荷模型图

仿真总时长设定为2 s，投入带125 kW普通负荷的三相电流及电压波形如图4所示。

(a)电流变化曲线

设定运行至1 s时，重点对含有非线性负荷的微电网进行仿真，具体分析离网运行情况下的波形图，投入非线性负荷，其仿真波形如图5所示。

图5 非线性负荷投入前后电压变化图

对比投入非线性负荷1 s投入前后的电压波形，对电压波形进行FFT分析，具体的谐波情况如图6所示。

(a)投切前

从图6可以看出，投入非线性负载前后谐波电压分别为THD=0.95%和THD=1.77%，投切非线性负荷后，电压波形的畸变率出现明显的增加，即非线性负荷影响了微电网电压质量，产生一定量的谐波。

3 微电网谐波影响研究

根据搭建的MATLAB仿真模型验证了非线性负荷投入能够对电能质量产生一定的影响。在国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院微电网实验室进行进一步的分析，开展微电网运行试验以及半实物仿真试验验证上述搭建模型的正确性以及开展微电网谐波测试，在并网、离并网转换、离网运行模式下得到投入常规负荷和非线性负荷谐波数据，获得谐波数据，对谐波特性做出分析。

国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院微电网实验室是辽宁省清洁能源消纳重点实验室的一部分。含有光伏电源、模拟风机、锂电池储能等不同类型的微源，负载侧包括可编程RLC负载、直流充电桩，具体的结构接线图如图7所示。

图7 微电网结构接线图

试验研究的重点是在负荷投切过程中，在并网、离网运行两种不同的运行状态下，分析其电压波形，对比正常负荷和非线性负荷的各次谐波情况。

3.1 正常负荷微电网运行工况

a.并网运行工况下，正常负载投入，其电压波形及如图8所示。

图8 并网时PCC点电压曲线(正常负载)

并网时基波与各次谐波的PCC点实测数据如图9所示。

(a)基波

并网运行模式下，投入常规负载，A、B、C三相基波电压分别为233.68 V、234.35 V、233.12 V，以A相为例，总谐波电压畸变率为0.82%，主要的三相谐波3次、5次、7次谐波有效值为0.55 V、0.75 V、0.88 V，总体波形畸变不明显。

b.离网运行工况下，投入常规负载，其电压波形如图10所示。

图10 离网时PCC点电压曲线(正常负载)

常规负载下基波与各次谐波的PCC点实测数据如图11所示。

(a)基波

并网运行工况下，常规负载投入运行，A、B、C三相基波电压分别为218.77 V、218.97 V、218.92 V，未出现三相不平衡状况。以A相为例，总谐波电压畸变率为1.01%，主要的三相谐波3次、5次、7次谐波有效值为0.60 V、1.86 V、0.89 V，总体波形畸变不明显，5次谐波分量较大。

c.并网转离网转换工况下，常规负载投入，其电压波形如图12所示。

图12 并离网转换时PCC点电压曲线(正常负载)

离并网转换时基波与各次谐波的PCC点实测数据如图13所示。

(a)基波

并网转离网运行时，正常负载投入运行时，A、B、C三相基波电压分别为229.41 V、230.07 V、229.38 V，三相电压有效值大致相当，未出现明显的三相不平衡状况。分析以A相为例，总谐波电压畸变率为0.97%，主要的3次、5次、7次谐波有效值为0.55 V、1.65 V、0.55 V，总体波形畸变不明显。5次谐波次谐波分量较大。

3.2 非线性负荷微电网运行工况研究

a.并网运行工况下，非线性负荷负载投入，PCC点处的电压波形如图14所示。

图14 并网时PCC点电压曲线(非线性负载)

并网基波与各次谐波的PCC点实测数据如图15所示。

(a)基波

并网运行时，非线性负载投入运行，A、B、C三相基波电压分别为233.35 V、235.64 V、235.33 V，三相电压有效值大致相当，未出现明显的三相不平衡状况。分析以A相为例，总谐波电压畸变率为0.91%，主要的3次、5次、7次谐波有效值为0.32 V、1.04 V、0.55 V，总体波形畸变不明显。5次谐波的谐波分量较大。

b.离网运行时，正常负载投入，其PCC点处电压波形如图16所示。

图16 离网时PCC点电压曲线(非线性负载)

离网时基波与各次谐波的PCC点实测数据如图17所示。

(a)基波

离网运行模式下，投入非线性负载运行，A、B、C三相基波电压分别为218.20 V、234.68 V、236.37 V。分析以A相为例，总谐波电压畸变率为2.01%，主要的3次、5次、7次谐波有效值为4.12 V、1.20 V、0.93 V。波形畸变率增加，3次谐波的谐波分量较大。

c.并网转离网转换工况下，正常负载投入，其PCC点电压波形如图18所示。

图18 并网转离网时PCC点电压曲线(非线性负载)

并网转离网工况下基波与各次谐波的PCC点实测数据如图19所示。

(a)基波

并网转离网运行工况下，非线性负载投入运行，A、B、C三相基波电压分别为226.24 V、219.71 V、218.97 V，三相电压有效值大致相当，未出现明显的三相不平衡状况。分析以A相为例，总谐波电压畸变率为1.51%，主要的3次、5次、7次谐波有效值为2.82 V、1.34 V、0.64 V，波形畸变率增加。谐波主要为3次谐波分量。

3.3 数据分析

根据本文试验，可以得到微电网不同运行工况下的谐波数据主要包括线性、非线性负荷谐波电压波形及各次谐波情况，通过对这些数据进行汇聚和整理，进一步分析不同负荷在不同运行的产生谐波情况，见表2、表3、表4所示。

表2 不同运行工况下含线性负载的微电网谐波数据

表3 不同运行工况下含非线性负载的微电网谐波数据

表4 不同运行工况不同负载状况的微电网谐波数据

从表中数据可知，在微电网无论处于何种运行情况下非线性负荷的谐波畸变率THD大于线性负荷的谐波畸变率。并网运行情况下的谐波特征为5次谐波占比较大且非线性负荷谐波影响最大，对于3次谐波和7次谐波，非线性负荷THD比线性负荷小；离网运行情况下的谐波特征为3次谐波占比较大且非线性负荷的谐波影响最大，非线性负荷投入产生的5次谐波占比较小；并离网转换运行情况下，3次谐波占比较大且非线性负荷谐波影响最大，线性负荷和非线性负荷的5次、7次谐波影响大致相当。谐波离网运行时谐波所受影响最大，其次是并离网转换，最后是并网运行。