分布式电源谐波机理与抑制技术综述
2021-09-23陈通李杰
陈通 李杰
摘 要:分布式电源作为一种环境适应性强的清洁能源,具有就近利用率高、供电灵活等特点,但因其传播特征复杂,分散性强,使电网面临着新的谐波问题。首先,概述了分布式电源谐波的危害及其产生原因,指出电力电子装置是造成分布式电源谐波的重要因素之一;其次,对光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机系统和燃料电池系统4类电源产生的谐波机理进行综述,分析得出不同分布式电源产生谐波的主要影响因素;然后,梳理了针对这4类电源所产生谐波的抑制技术研究现状,指出分布式电源谐波抑制技术研究和应用中存在的问题;最后,展望了谐波抑制技术未来的研究方向。研究成果可为研究分布式电源谐波抑制技术和减少谐波造成的危害提供参考。
关键词:电力电子技术;谐波抑制;光伏发电系统;风力发电系统;微型燃气轮机系统;燃料电池系统
中图分类号:TM71 文献标识码:A DOI:10.7535/hbgykj.2021yx04013
Review on harmonic mechanism and suppression technology of distributed generation
CHEN Tong,LI Jie
(PowerChinaHebeiElectricPowerEngineeringCompanyLimited,Shijiazhuang,Hebei050031,China)
Abstract:Asacleanenergysourcewithstrongenvironmentaladaptability,thedistributedgenerationhasthecharacteristicsofhighutilizationrateofenergyandflexibilityofpowersupply.Butitalsobringsnewharmonicproblemstothepowergridbecauseofitscomplexpropagationandhighdispersibility.Firstly,thedangersandthecausesofdistributedgenerationharmonicaresummarized,anditispointedoutthatpowerelectronicswitchingdeviceisoneofthemostimportantfactorsofdistributedgenerationharmonicdamage.Secondly,theharmonicmechanismsofphotovoltaicpowergeneration,windpowergeneration,microgasturbineandfuelcellaresummedup,andthemaininfluencefactorsofgeneratedharmonicsofthedifferentgenerationformsareanalyzed.Then,theharmonicsuppressiontechnologiesoffourtypesofpowersupplyarecarded,andtheproblemsinsuppressiontechnologyresearchandapplicationarepointedout.Finally,theresearchdirectionofharmonicsuppressiontechnologyinthefutureareprospected,whichprovidesareferenceforstudyingtheharmonicsuppressiontechnologyofdistributedgenerationandreducingtheharmfrompowerharmonic.
Keywords:powerelectronicstechnology;harmonic suppression;photovoltaic power generation system;wind powergenerationsystem;microgasturbinesystem;fuelcellsystem
分布式电源是发电功率为千瓦至五十兆瓦的小型个体式电源,具有环境适应性好、能源就近利用率高、供电灵活等特点[1],可以作为独立的电源系统直接向用户送电,也可以并入电网实现对电网的削峰填谷作用。虽然分布式电源具有诸多优点,但其产生的谐波对配电网的影响不容忽视。
由于分布式电源数目较多,各个谐波源产生的谐波也不相同,其传播特征复杂,分散性强,具有较强的功率浮动性和随机性,因此产生的影响也复杂多样,主要影响与危害包括[2-4]:1)分布式电源并入电网时,相关参数随时变化,不利于电网运行的稳定性;2)分布式电源靠近用户,会对就近用户的电能质量造成一定影响,同时使人们受到谐波电磁辐射的危害;3)分布式电源的并网电压等级低,阻抗标幺值较高,故而受谐波电流影响较大,谐波过电压问题突出;5)谐波会严重影响相关电气设备,危及绝缘,破坏保护设备的保护性能。
分布式电源产生谐波的主要原因是配电系统中的电力电子装置(如变频器,逆变器等),其对电压型交流回路具有重要影响,工作电流与电压不成正比时,易在输入侧出现谐波[4]。同时,分布式电源中采用了许多非线性电力电子开关器件如IGBT及MOSFET 等,这些开关器件的频率高于传統电网开关器件的频率,其开关时均可产生谐波分量,并网时则会向电网系统注入大量的谐波电流[5]。此外,三相不平衡、直流偏磁等原因也会增加谐波的产生。
当前分布式电源正处于蓬勃发展时期,未来将会有大量的分布式电源并入电网系统,为了减少谐波的影响与危害,笔者归纳研究了各类分布式电源产生谐波的机理与其抑制技术,以期能够为抑制谐波的相关研究提供参考。
1 分布式电源谐波机理及影响因素概述
分布式电源发电是一种区别于传统的新型发电方式,技术手段主要包括光伏发电、风力发电、微型燃气轮机发电、燃料电池发电等[6],针对这4种电源的发电机理与发电特征,探讨谐波不稳定的影响因素,可为谐波抑制技术研究打下基础。
1.1 光伏发电系统谐波机理及其影响因素
分布式光伏发电系统是目前最具开发价值的可再生能源发电方式之一,分为全额上网及余电上网的模式[7-8]。光伏发电系统的基本结构如图1所示,光伏组件在一定的外界光照与温度条件下将光能转化为电能,并通过逆变器将直流电逆变为交流电,再通过并网控制器检查网侧電压与逆变器输出电压,均达到要求后并网。
逆变器作为光伏发电系统的入网端口以及DCAC逆变的关键设备,所发出的电流经常包含大量的谐波[9-10]。张俊芳等[11]和张战彬等[12]分别基于多逆变器光伏并网小信号仿真模型和含光伏发电系统的电网谐波机理研究,得出逆变器台数的增加会造成谐波量的增加。另外,数个光伏发电系统并联时,各自产生的谐波电流相角均不相同,叠加后其矢量和对配电网的影响更大,并且以低次谐波为主。而电网中的滤波器主要针对高次谐波,所以光伏逆变器的低次谐波电流会通过采样注入控制系统。程龙[13]和叶琳浩等[14]指出光伏发电系统易受光照和环境温度影响,从而向电网输入大量谐波,引起各接入点电压畸变。光伏发电系统渗透率的增大会加剧流入并网点的谐波电流,进而影响配电网运行,当渗透率大于30%时,馈线上部分节点电流谐波畸变率会大于国际限制。同一光伏发电系统并入配电网后,接入点距配电网距离的增加会导致线路谐波阻抗的增加,因此其输入配电网的谐波电流会随着接入点距配电网距离的增大而增加[15-17]。
1.2 风力发电系统谐波机理及其影响因素
风力发电系统由于污染小、工程时间短、运营成本低等优势,已成为当前新能源技术开发的重要领域。风力发电系统主要包括2个过程:第1个过程是将风能通过风力机变为机械能,第2个过程是将机械能通过发电机变为电能[18],基本结构如图2所示。
随着大量的风电装置接入电网,由电压源换流器所带来的谐波问题越发突出[19],其输出阻尼不足所造成的谐波不稳定问题也相继出现[20-24]。电缆分布电容、无功补偿装置、风速等引起的谐波谐振问题也引起了更广泛的关注[25-27]。贺冬珊等[28]认为直驱风电机组中的换流器生成的谐波电流与产生功率近似为线性关系。段志强等[29]指出双馈异步风电机组(DFIG)和变流器共同构成风电系统中由定子、转子开槽和绕组的分散式布置,导致气隙磁势中包含了不同频率的谐波,并在定子侧主要产生3,5,7,9次谐波。高亮等[30]认为风力发电系统谐波主要由发电机气隙内的谐波磁势和转子中的AC-DCAC变流器产生,由于变流器开关频率较低,使得输出电流中含有大量低次谐波,并通过对DFIG 谐波特性展开研究,获得了4种风况下的谐波特性结论,其中以随机风况下的电流畸变率最为严重,基本风况下的电流畸变率最小,谐波主要为低频率波。李庆等[31]指出直驱风电机组并网变流器受外部电网环境的影响,得出中频谐波电流是由于电网环境中k 次谐波和内部调制死区中k 倍工频谐波的耦合作用而产生,共同构成(6k±1)次变流器并网谐波。
1.3 微型燃气轮机系统谐波机理及其影响因素
微型燃气轮机系统作为新型的分布式电源,拥有环保低碳、可靠性高和可控性灵活等优势[32-33]。微型燃气轮机系统产生的高频交流电通过内部ACDC-AC转变后得到频率稳定的正常用电,再通过逆变模块实现并网[34],基本结构如图3所示。
由于微型燃气轮机系统采用的变频器,其整流侧因二极管组成的整流桥具有非线性特性,会产生谐波电流。另外,逆变侧因正弦脉宽调制波(SPWM)控制的IGBT等全控型器件组成的桥式电路会输出矩形波,最终造成谐波电流注入电网。肖小清等[35]通过对孤网运行时微型燃气轮机系统输出线电压中谐波的测试,表明由于电力电子装置的影响,电压的总谐波畸变率超过了国家标准,且主要为3,5次谐波。并网逆变器输出的工频电压中也含有谐波,其中开关频率及其附近频带的谐波含量较高[33,36]。付俊波[37]搭建了微型燃气轮机系统仿真模型,并基于该模型对其电能质量特性开展了PQ控制方式下的仿真分析,结果表明由于开关的频繁动作,大量电力电子装置的接入和线路中电容电感的非线性导致输出电流存在一定畸变。
1.4 燃料电池系统谐波机理及其影响因素
燃料电池系统具有干净、稳定、效率高和机动性好等优点[38],是当前具有发展价值的新能源发电技术之一[39]。燃料电池系统是直接将化学能变为电能而非热能的发电装置,内部由阴极、阳极和两极之间的电解质共同组成,通过水的电解逆反应产生电能,基本结构如图4所示。
虽然燃料电池系统提高了电网可靠性,但也带来了谐波污染问题。程站立等[40]以质子交换膜燃料电池系统(PEMFC)为例建立了仿真模型,仿真结果表明PEMFC直流电压经过逆频器后产生了大量整数次谐波和分数次谐波。付俊波[37]对燃料电池系统模型进行了分析,指出在实际使用中燃料电池系统的电源特性比较复杂,引起燃料电池系统输出功率变化的因素较多,不同负载下输出的电压电流不易控制,极易给电网注入谐波。I.NCI等[41]对燃料电池系统并网存在的技术难题进行了归纳,指出谐波电流主要来自于非线性负载,是燃料电池系统中最大的电能质量问题。PALAR 等[42]以固体氧化物燃料电池系统为研究对象并建立了仿真模型,指出燃料电池系统经过DC-AC 变化后,输出的三相电压含有部分谐波。
2 分布式电源谐波抑制技术
2.1 光伏发电系统谐波抑制技术
针对光伏发电系统易受照度和温度影响的问题,通常会采用最大功率点跟踪(MPPT)方法予以解决。有研究者基于该方法提出了一种极值搜索控制策略[43],通过滤波和驱动信号以实现控制某些未知或不确定信息的目的,其动态响应好,跟踪速度快,但适合峰值点较少的局部跟踪。SUNDARESWARAN等[44]提出了一种人工蜂群策略用以对最大功率点的搜索,具有算法简单、鲁棒性强和适用多极值点跟踪等优点,但是由于需要多次迭代计算,收敛时间长,因此该方法也存在易陷入局部跟踪的问题。AMROUCHE 等[45]提出将模糊逻辑控制(FLC)应用到MPPT 中,在FLC 中将误差量作为输入,以此改变输出电压或者占空比,从而提高跟踪速度和动态性能,但其模糊控制规则依赖于对光伏发电系统P-D曲线分析的准确性,需要设计人员具有较丰富的光伏系统运行特性经验。还有一些学者将人工神经网络(ANN)与MPPT 相结合,在ANN中将光伏阵列(电压和电流)和环境参数(照度和温度)作为输入,将电压或者最大功率点的占空比作为输出[46],以此提高跟踪策略的环境自适应性和跟踪精度。针对电力电子装置带来的谐波,程龙[13]基于多个并联分布式光伏并网引起的谐波问题,对基于LCLLC的混合型有源滤波器进行治理,并采用了一种改进型PI+PR 控制算法,可以实现对低压侧并网母线的宽频域谐波的治理,但未考虑三相不平衡和背景谐波的情况。余畅舟等[47]对于LCL 型和LC型逆变器并联谐振问题进行了研究,还对电网特性导致的谐振和并联逆变器共模谐振展开了分析,分别提出了各自的抑制策略,但未深入考虑不同类型、参数逆变器并联的情况。赵耀等[48]以光伏并网逆变器为例,介绍了一种基于同步采样FFT算法的前馈控制与反馈控制相结合的谐波补偿控制器,消除了栅栏效应产生的误差,且算法简单,实用性强。
2.2 风力发电系统谐波抑制技术
近年来学者们围绕风况、不同风机类型和电力电子装置展开了一些研究,通常电力电子装置和风机类型是一并研究的。张志刚等[49]在直驱风电系统机侧采用了二极管中点钳位型三电平变流器,对机侧谐波电流进行抑制,并考虑了中性点电压不平衡所带来的影响,该变流器可有效降低发电机电流谐波,但结构复杂、元器件较多,不利于实验和工作时的运行监测。徐君等[50]针对DFIG提出了一种基于定子谐波电流闭环控制的矢量控制法,以抑制因电网低次谐波所引起的定子諧波电流,但该方法仅对定子电流中5,7次谐波进行了抑制,具有较大局限性。芮晓明等[51]基于差动风电系统关键部件运行特性,建立了模糊控制规则,以保证风电机组在额定风速下保持最大风能利用率,由于控制规则是基于实际经验建立的,需设计人员对风电机组特性有较深经验。姚骏等[52]则提出了基于准比例谐振(quasi-PR)控制器降低并网负序电流和谐波电流的控制方法,该方法可明显减少电网电压或发电系统注入的低频谐波电流,但对低频扰动抑制能力较低。唐凡森等[53]针对电网电压干扰逆变器输出电流的问题,设计了一种兼具抵消谐波和抑制直流干扰功能的比例谐振积分(PRI)方法,可有效减少并网时的谐波和并网电流中的直流扰动。高骏等[54]则采用比例-积分-谐振(PIR)调节转子电流内环的DFIG 双闭环控制法,该方法可消除定子输出电流中的5,7次谐波。
2.3 微型燃气轮机系统谐波抑制技术
当前中国微型燃气轮机系统技术水平较低,市场应用不够广泛,相关领域的研究主要以前景分析和并网控制为主,谐波抑制技术研究较少。相关的谐波抑制技术主要围绕变频装置和并网逆变器控制策略2个方面。王圣朝[55]针对微型燃气轮机系统的起动和电能变换展开了研究,电能变换部分通过采用三相VSR 双闭环控制和PWM 逆变器双闭环控制,取得了良好的电能变换效果,减少了谐波电流的输出,但文中未对微型燃气轮机发电运行情况开展进一步研究。李超[56]对微型燃气轮机系统并网逆变器谐波检测方式进行了研究,利用DSP的快速运行速度消除谐波检测延时的影响,从而实现对谐波的瞬时检测,以达到良好的谐波抑制。HIMABIND等[57]在微型燃气轮机系统发电系统中设计了一种基于Venturini法的矩阵变换器,可在输入电压波动时有效减少输出电压、电流中的谐波含量。
2.4 燃料电池系统谐波抑制技术
燃料电池系统谐波抑制技术的研究主要围绕变频器、并网逆变器和负载3部分。KWON 等[58]提出了一种二次谐波抑制技术,通过在DC-DC变换器中使用第二类电流控制器,以降低零序电压操作过程中纹波电流量,从而减少谐波的产生。CAO等[59]基于对多输入DC-DC 转换器的研究,提出了针对低频谐波的频率自适应滤波法,通过模拟频率跟踪电路对谐振频率的调节,以补偿谐波频率变化的影响,实现谐波抑制。KWON 等[58] 和CAO等[59]研究仅对固定频率或范围的谐波进行了抑制,无法实现对高频谐波的抑制。陈沐泽等[60]针对三相电压不平衡时负序分量的无静差调整问题,提出了燃料电池系统的并网逆变器功率控制法,可在三相电压不平衡状态下对电流进行有效控制。MEHTA 等[61]介绍了一种嵌入式有源滤波器,通过滤波器与并网逆变器的结合,实现由一个并网逆变器补偿负载谐波电流的功能,但该方法控制方式复杂且增加了装置成本。JURAD等[62]研究了一种采用模糊控制的磁通量调制方法,用于对逆变器输出电压的闭环控制。该方法具有快速灵敏的反馈,并能降低系统稳定运行状态下的总谐波畸变率。张翔铭[63]根据燃料电池系统的特性和负载变化,构建了基于变频器的稳压与谐波抑制系统。通过调整有源滤波器的补偿电流系统结构,可有效降低输出电流的谐波含量。
3 问题与展望
未来分布式电源不仅可直接并入电网,还可作为微网发电基础负责孤岛供电或间接并网。不同控制策略都会导致谐波分杈情况的出现,当出现高频分杈时,谐波畸变率将变得很大;逆变器和非线性负载之间还存在耦合的谐波,当逆变器正常工作时,逆变器侧和负载侧的电压谐波会随着网侧电气距离的增大而增大。基于多种滤波器、逆变器等电力电子装置所产生的谐波,学者们研究了各类发电方式的抑制技术。一方面采用最大功率点跟踪(MPPT)法、矢量控制法等方法抑制减少谐波的产生;另一方面用过改良变流器、控制器等电力电子装置来减低谐波带来的危害。除此之外,在分布式电源谐波抑制技术研究工作中还有许多问题值得进一步探讨和研究。
3.1 关于光伏发电系统谐波抑制技术
光伏发电系统具有强烈的随机性和间歇性,其采用非线性电力电子装置作为并网接口,给电网带来复杂的间谐波问题。目前光伏发电系统多采用MPPT技术解决因光照、环境温度不规律变化所带来的影响,但该技术不适合于多峰值范围的跟踪,且峰值过多后易导致计算速度下降。虽然有学者在MPPT技术的基础上应用模糊控制和神经网络控制等技术,但需要设计人员有着较丰富的光伏系统运行特性经验以确保结果的准确性。
间谐波作为非整数次工频分量,具有频谱复杂和时变的特点。传统的谐波分析方法较难适用于间谐波问题的分析,需建立光伏发电系统的间谐波分析模型,对间谐波产生机理和特性进行分析,定性得出光伏间谐波的分布规律和影响因素。在建模分析中需重点考虑不同场景、季节条件下光照和温度的变化所带来的影响,以进一步提高光伏发电系统谐波抑制技术的环境自适应性。
3.2 关于风力发电系统谐波抑制技术
风力发电系统的谐波抑制技术多围绕发电机控制技术和并网逆变器控制技术开展研究,针对不同风速、风类型影响的研究缺乏深入性研究,特别是最大风能追踪技术中的谐波抑制技术。提高风力发电系统的环境自适应性,实现最大风能的捕获仍是当前亟需解决的问题。
后续可结合不同风机类型和风机的不同运行状态,总结不同地域环境风速、风类型对系统谐波影响的规律,定量地分析风力发电系统的动态和功率特性,建立风力机气动系统模型,并探究风力发电系统谐波谐振现象,研究谐振点与谐波的关系,为经济、有效地解决谐波问题提供技术支持。
3.3 关于微型燃气轮机系统谐波抑制技术
目前微型燃气轮机系统的谐波抑制研究多结合逆变器控制策略一并开展,谐波源的分析多集中于电力电子装置,对微型燃气轮机系统受原动机影响产生的谐波以及对谐波中间谐波和次谐波的研究较少。
后续可对原动机气源不稳定时发电机产生的谐波机理进行研究,研究发电机谐波抑制技术,对原动机不同运行方式下自身振动所造成的谐波机理进行研究,确立谐波分布规律;对谐波中的间谐波和次谐波进行深入研究,明确其来源,发展相关抑制技术。
3.4 关于燃料电池系统谐波抑制技术
影响燃料电池系统电源特性的因素众多,但相关研究较少,缺少对其谐波源的深层次认识,特别是对化学能转换为电能过程中是否存在谐波影响的分析研究较少。目前关于燃料电池系统的大多数研究仅对固定频率或范围内的谐波进行了抑制分析,对高频谐波的抑制研究有待丰富。燃料电池系统动态响应慢,在大功率负载下更易产生谐波,目前仍缺少针对该问题的有效解决措施。
未来可对燃料电池的能量转换过程进行研究,分析影响转换过程的稳定性因素(如外界温度等),及其对谐波产生的影响,并在不同负载条件下,对多频域的谐波抑制技术进行研究,从而提升燃料电池的供电能力和电能质量。
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