1、简析光伏发电系统中的谐波问题课程论文/研究报告课程名称： 新能源技术 任课教师： 论文/研究报告题目： 简析光伏发电系统中的谐波问题 完成日期： 2013 年 10 月 22 日学 科： 水利工程 学 号： 姓 名： 简析光伏发电系统中的谐波问题 摘要：太阳能光伏发电技术是通过光伏组件将太阳能转化为直流电，再通过并网型逆变器将直流电转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流并进入电网。逆变过程中会产生大量谐波，造成谐波污染。本文简述了太阳能光伏发电系统中谐波产生的原因，分析了谐波对供配电系及其设备和系统运行造成的危害，以及谐波治理的相关方法，最后对电力系统中谐波分析的手段进行了总结。 关键词： 光
2、伏发电，谐波抑制，滤波器，谐波检测 引言：随着全球经济的迅速发展，传统的化石能源随之越用越少，随着而来的是温室效应，酸雨等环境污染问题，所以有必要进行能源结构的调整，为人类的可持续发展寻找出路。当下主流的新能源有风能，太阳能，地热能，生物质等，这些新能源虽然含量巨大，但是能流密度太小，开发起来很不经济，特别是在当前技术条件不成熟的环境下。太阳能光伏发电技术作为一种清洁的能源开发模式，受到了人类的青睐，太阳能光伏发电存在诸多问题，如能量不连续，储能问题，并网问题，谐波污染问题等。本文针对太阳能光伏发电系统中的谐波问题，简述了太阳能光伏发电系统中谐波产生的原因，分析了谐波对供配电系及其设备和系统运
3、行造成的危害，以及谐波治理的相关方法，最后对电力系统中谐波分析的手段进行了总结。 1 谐波产生的原因1.1 什么是谐波谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。其中，常数项成为的直流分量；称为一次谐波（又叫做基波）；而 ， ，等依次称为二次谐波，三次谐波，等等。1.2 谐波的产生在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(如：电阻)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。在电
4、力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。谐波源是产生谐波的根本原因。常见的谐波源有：传统的非线性设备（变压器、旋转电机、电弧炉等）、现代电力电子非线性设备（荧光灯、电子控制装置和开关（电源）、晶闸管控制设备（整流器、逆变器、变频器、静止无功补偿装置、高压直流输电设备等）。随着电力电子设备在电力系统中的广泛应用，电力电子非线性设备在谐波源种类中所占的比例越来越大。在太阳能光伏发电系统中（如图1.1），产生谐波的主要设备是逆变器和升压变压器等。图 1.1 光伏发电原理图 1.2.1 逆变器的谐波发生图1.2
5、单相逆变桥工作原理图1.3 三相逆变器工作原理图1.4 用PWM替代三相正弦波 根据采样控制理论，采用PWM(脉冲宽度调制)技术控制三相逆变桥路的导通与关断，即可实现逆变工作，将直流电电压（电流）转变为正弦电压（电流），实际上逆变器输出的是含有谐波成分的交流电流，其中的谐波含量可以通过提高逆变桥开关的切换速度来减少。同时为了表征实际输出波形与基波分量的差异程度，引入了总谐波系数（THD）的概念。实际电流 总谐波系数 当输出为理想波形时，THD=0. 1.2.2 变压器的谐波产生图1.5 变压器的磁化曲线（无磁滞） 变压器作为一种谐波源，其波形畸变主要与变压器的设计及运行有关，也来自电力变压器的
6、激磁电流。如图2.5所示，当不考虑变压器的铁心磁滞时，由于磁通和激磁电流的非线性关系，所以原边电流并不是纯正弦波，而是非正弦周期电流，其傅立叶级数形式为： 式中表示基波电流的有效值；表示三次谐波电流的有效值。 图2.5中，激磁电流的畸变主要是由高次谐波引起的，特别是三次谐波。可见，变压器的非线性激磁特性是电力系统中的一种谐波源。2 谐波的危害 （1）对线路的影响 对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中，由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘
7、，严重时还会造成短路，甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。 （2）对电力变压器的影响 谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损，对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。 （3）对电力电容器的影响 由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时，谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并又施加到电网中。 （5）对电机的影响 谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生
8、机械震动，产生甚至引起谐波过电压使得电机绝缘损坏。 （6）对继电保护和自动装置的影响 对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低容易引起系统故障或使系统故障扩大。 （7）对通信线路产生干扰。 在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，会在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。 （8）对用电设备的影响 电力谐波会使电视机、计算机的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。3 谐波的抑制 根据太阳能光
9、伏发电产生谐波的特点，可以采用下列方法进行谐波的抑制。 3.1 降低谐波源的谐波含量 （1）变压器的谐波抑制 这可以从以下两个方面来考虑： 改善变压器磁路饱和状况。 变压器的磁路饱和问题主要取决于变压器铁心材料和铁心结构。变压器的铁心是变压器内部的主体结构，是能量传输和转换的媒介。合理的铁心结构设计、按照要求安装、做好日常维护工作，对减小了励磁电流的畸变率，达到了抑制谐波电流的目的都是很有帮助的。 合理选择变压器绕组的联结方式。 由于三次谐波电流只能在星型带中性线绕组和三角型绕组中流通,而不能在星型不带中性线绕组中流通。由于三次谐波电流在变压器的运行过程中是客观存在，所以，若变压器绕组接线方式
10、不当，未为三次谐波电流提供通路时，三次谐波电流只能滞留在变压器铁芯绕组中，导致铁芯绕组发热，增加损耗。 （2）逆变器的谐波抑制 时实电流跟踪谐波谐波抑制方法图1.6 时实电流跟踪谐波抑制方法框图 实时电流跟踪控制技术控制逆变器IGBT，通过调节逆变桥输出提供全部的无功功率和谐波功率来控制电网侧电流，使系统实现并网目标，即通过直接控制输出电流，使之在预设波形附近变化，其中可以把逆变器和交流负荷视为一体。 注入适当的谐波 这种方法即可以提高电压利用率，同时可以实现谐波抑制的目的。 3.2 利用滤波器进行滤波 （1）采用无源滤波 (LC) 图1.7 单调和双调滤波器 图1.8 有源滤波器 无源滤波器
11、安装在电力电子设备的交流侧，由R、L、C组件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。LC无源滤波器(只吸收固定频率的谐波)，它实质上是一种大功率波形发生器，它把谐波源发出的谐波经过采样、180移相后，再完整的复制出来，并送到谐波源的入网点，复制的谐波与谐波源产生的谐波幅值相等，方向相反，并跟随谐波的变化而变化，如此，谐波源产生的谐波就完全被抵消了。 如图2.7所示最常用的单调和双调滤波器。由于投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响
12、；对某些次谐波有放大的可能，耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型；双调谐滤波器可代替两个单调谐滤波器，只有一个电抗器(L1)承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。 （2）采用有源滤波（APF） 不同于LC无源滤波器，如图2.8所示的APF有源滤波器是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，几乎可以滤除所有的高次谐波，实现全部补偿的目的。 有源滤波器由两大部分组成，即指令电流计算电路(电流检测电路)和补偿电流发生电路。补偿电流发生电路由主电路、驱动电路、电
13、流跟踪控制电路三部分组成。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量；补偿电流发生电路则根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生需要的补偿电，图2.8中，APF检测出谐波源负载电流的谐波分量，通过运算输出指令信号由补偿电流发生电路产生的补偿电流与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反， ，因而两者互相抵消，使得电源侧电流中不含谐波，而仅有基波。 该种方法与上述的时实电流跟踪谐波谐波抑制方法本质上是一质的。 （3）防止并联电容器组对谐波的放大 在电网中并联电容器组起改善功率因子和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容
14、器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。 （4）加装静止无功补偿装置 快速变化的谐波源往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡,还可补偿功率因子。4 谐波的分析与测量 （1）带阻滤波法 其基本原理是设计一个低阻滤波器，将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单，精度很低，不能满足谐波分析的需要，一般不用。 （2）带通选频法和FF
15、T变换法（快速傅立叶变换法） 带通选频方法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量，基本原理如图1.9所示。图1.9 带通选频法 利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基本过程是对待测信号(电压或电流)进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。 （3）自适应检测法 基于神经元自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该方法的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。 （4）小波变换检测法 对谐波电流进行动
16、态抑制时，不必分解出各次谐波分量,只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间问题，傅里叶变换就无能为力。小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。这种方法也是基于神经元的。5 总结 随着我国电能质量治理工作的深入开展，谐波的发生、管理与测量，综合动态的谐波治理措施，电网的无功功率补偿问题，是电力企业当前面临的一大课题。太阳能光伏发电技术，特别是并网型太阳能发电系统必须要消除谐波污染，采取有力的抑制谐波的措施，减小谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济
17、损失，这样太阳能这一清洁能源的开采与使用便更有发展空间，对解决全人类的能源危机问题起到重要作用。参考文献1 李丹青，李汗青.浅析变压器谐波的产生、危害和抑制J.机电工程技术，2004年第33卷第8期2 胡俊达，张著彬. 浅析变压器谐波的产生、危害和抑制J.电气时代，2003年第12期3 李传伟.电力系统谐波产生原因及其抑制方法J.电气开关，2008.N0.14 钱双双等.电力变压器的谐波电流分析与抑制措施J. 玉溪师范学院学报(第29卷)，2013年第4期5 李新军等.三相SPWM逆变器的谐波分析及其抑制策略J.防爆电机，2008年第1期，第43卷(总第140期)6 陈世元.电机学M.北京：中国电力出版社，2008年9月第一版7 王湘明等. 实时电流跟踪型并网逆变器谐波抑制方法J. 沈阳大学学报（自然科学版）,2012年10月第24卷第5期
