探析風光新能源接入對電網的諧波影響及抑制措施

　　摘 要：在清潔能源穩步發展背景下，風光新能源的應用受到社會各界廣泛關注，為推動社會可持續發展奠定基礎，使生態環境更為健康，滿足人們日益增長的生活及生產需求，推動市場經濟轉型發展，指引能源產業與時俱進，風光新能源應用價值可見一斑。該通過分析風光新能源接入對電網諧波影響及抑制措施，以期助推新能源行業良性發展。

　　關鍵詞：風光新能源 電網 諧波 影響 抑制措施

　　風光新能源是新時代提供電網運行動力重要資源，基于交流電網工頻單一頻率是其有效分量，為此在風光新能源接入后會產生不同頻率，這些頻率被稱為“諧波”，主要源于基波電流在電壓影響下發生畸變，同時非線性負載如變頻器、整流器、逆變器、開關電源、UPS等亦會影響電網穩定性。然而，當前我國與風光新能源接入電網研究成果較少，未能高效解決諧波問題，影響電網中新能源的應用成效，不利于電網體系朝著節能環保方向發展。基于此，為推動電力事業穩健發展，探析風光新能源接入對電網的諧波影響及抑制措施顯得尤為重要。

　　1 諧波及其危害

　　1.1 諧波

　　諧波最早誕生在聲學領域，在電力系統內于20世紀20年代初期諧波問題引起人們的關注，德國因應用靜止汞弧變流器對電流、電壓帶來一定影響發現諧波問題，使社會各界得以廣泛關注電流波形畸變現象。諧波分為奇次諧波、分量諧波及偶次諧波(見圖1)，其中額定頻率是基波奇數倍如三次、五次、七次等稱之為奇次諧波;額定頻率是基波偶數倍如二次、四次、六次等稱之為偶數諧波;頻率是基波非整數倍稱之為分量諧波。在累積研究經驗前提下得出諧波計算公式：f(t)=a0+(an cosnωt+bn sinnωt)。其中，f(t)直流分量為a0，基波為sin(ωt+Φ2)，在改變常數項基礎上可得到二、三次及更多的諧波，為計算諧波以及解析諧波危害奠定基礎。

　　1.2 諧波危害

　　諧波具體危害可從以下幾個方面進行分析：第一，在基波頻率低于諧波電流頻率前提下，受臨近效應、集膚效應影響電網線路輸送容量隨之減少，在諧波影響下增加渦流、磁滯損耗，使變壓器容量減少;第二，諧波能增加電網系統內電力設備損耗，削減其使用壽命，發生機械振動現象，加速設備老化，追加養護成本，若養護不及時還會使設備出現安全故障，降低電網運行安全穩定性;第三，諧波容易增加電網自動化繼電保護裝置拒動、誤動次數，擴大自動化管控范圍，提升電氣故障發生幾率，影響電網運行成效;第四，受電磁耦合現象影響電網周邊通信系統將被異常干擾，降低通信效率[1]。

　　在風光新能源接入電網后會增加諧波誘發幾率，這就需要人們在明晰諧波危害前提下總結新能源應用經驗，探析抑制諧波相關消極影響措施，為推動電網朝著節能環保方向發展奠定基礎。

　　2 分析風光新能源接入對電網造成諧波影響內因

　　在電網中非線性負載是諧波產生根本內因，在電流通過負載過程中，二者形成非線性關系，形成若干非正弦電流即諧波。基于半導體晶閘管及相關構件具有非線性特性，風機發電、光伏發電及相關裝置脫離正弦曲線，客觀上追加諧波源，使電網出現諧波問題，影響電網運行綜合成效。

　　2.1 電網風機發電誘發諧波問題內因

　　當前常見風機為兩種，即變速風機及雙饋風機，相較于變速風機，雙饋風機對變頻器容量要求不高，操作較為簡便，可以根據風速做出調整，分為恒功率、恒壓運行兩種形態。雙饋風機在兆瓦級別之上電網中應用較為廣泛。基于風光新能源需電力電子元件運行、控制，為此會增加電網中電壓、電流畸變幾率，在此過程中產生諧波影響電網穩定性、安全性。例如，雙饋風機結構見圖2，主要由電壓源型變流器、風輪機等電氣元件構成，該發電機結構中雙向功率轉換裝置與轉子繞組連接在一起，公用電網端連接定子繞組，在其與電網相互連接基礎上產生電功率，另一端轉子繞組需根據發電機實際轉速有所轉變，確保同步運轉，在運轉中變流器AC—DC—AC處于長期工作狀態，為調整電壓可轉變導通角，實現直流、交流電壓相互轉化目標，并在此過程中產生諧波。

　　2.2 電網光伏發電誘發諧波問題內因

　　控制器、逆變器、電池板、升壓變電器等是組建常見光伏發電系統主要構件，其中升壓變壓器、逆變器是產生諧波重要構件。作為諧波源之一的變壓器受電磁變換因素影響，加之電網內變壓器存在激磁電流，在變壓器不存在鐵芯前提下，以激磁電流、磁通形成磁化曲線為依托，電流變化會引起磁通幅度發生調整，磁通與激磁電流是非線性關系，為此正弦波并不完整，呈周期性變化狀態同時富含多類諧波，繼而受電網高次諧波影響產生激磁電流畸變現象[2]。

　　3 抑制風光新能源接入對電網造成諧波影響措施

　　通過分析風光新能源接入對電網造成諧波影響內因可知，無論是風機發電還是光伏發電均會對電網穩定性、安全性帶來負面影響，這就需要電網工作者秉持自省、反思精神，立足新時代電網節能、高效、安全、環保發展實況，探析抑制風光新能源接入對電網造成諧波影響措施，旨在提高新時代電網供電服務質量。

　　3.1 調整接線方式

　　具有輸出電能功效變壓器應運用△/Y或Y/△接線方式，120°為工頻相位差，360°則為三次諧波作用下產生的相位差，為此應運用△連接方式，在內阻上產生諧波損耗，為解決諧波損耗問題，可分別在九次、十五次等產生諧波的位置上運用相同接線方式避免諧波對電網帶來的負面影響，規避電網內流入高次諧波，使電網系統更為安全穩定[3]。

　　3.2 應用輔助過濾裝置

　　在風機發電及光伏發電進程中逆變器是諧波產生主要裝置，同時升壓變壓器亦會產生諧波，為此需從源頭控制諧波，除通過配置及調整開關來規避諧波消極影響外，還可應用輔助過濾裝置——濾波器。其中，濾波器無源濾波大致分為串聯及并聯濾波器兩類，后者較為常用，主要由LC濾波電路、電容構成，在串聯諧波原理支持下使諧振頻率阻抗隨之降低，可增加偏離諧振頻率阻抗，阻抗與頻率偏低幅度成正比。基于此，根據電網運行需求，以規避諧波消極影響為基礎將相關頻率設計成工頻形式，將串聯濾波器接入電網內，成為電路一部分。基于該裝置可對基波產生較小阻抗，對其他諧波產生較大阻抗，為此可在應用一組裝置前提下完成濾波任務，避免大部分諧波對電網帶來的不良影響。作為自帶電源裝置的有源電力濾波器是可以補償無功、動態抑制新型裝置，該電力電子設備可針對變化諧波予以補償，相關補償呈靈動性、實時性、發展性，針對諧波電流進行及時檢測，以便調整補償機制，在補償裝置支持下產生同諧波相等且相差180°相位的補償電流，達到消除電網內諧波的目的。

　　3.3 應用技術措施消除諧波

　　無論是調整接線方式還是應用輔助裝置，均需在原有電網內添加特殊元件，雖然這些元件對電網流通帶來的影響較小，但需電網投入一定成本予以敷設，同時需做好相關裝置養護工作，追加電網運行成本，為此研究學者加大諧波去除技術研究力度，在無需額外敷設前提下消除濾波，使風光新能源得以高效接入電網。例如，技術人員可根據電網運行情況做好風機合理排列工作，通過調配各類風機安裝位置減少諧波，考量風機類型、諧波頻率、不同相位對電網運行效果產生的消極影響，應用信息化建模技術手段運算得出諧波電流數據，以此為由調整風機接線順序，使風機能互相抵消部分諧波，這對于諧波電流較小電網較為適用，但無法全部消除諧波，為此技術人員需根據電網運行需求融合若干技術手段，旨在消除電網諧波，提高電網供電服務質量[4]。

　　4 結語

　　綜上所述，為使我國電網運行系統更為穩定需關注諧波問題，在接入風光新能源前提下通過調整接線方式，應用輔助過濾裝置，應用技術措施消除諧波，加強電網運維，降低電氣設備因諧波問題受損幾率，控制電網運營成本，在滿足新時代人們日益增長的用電需求基礎上，推動電網系統朝著節能環保、安全穩定、科學高效方向發展。

　　參考文獻

　　[1] 吳彧.風光新能源接入對電網的諧波影響及抑制措施分析[J].機電信息，2017(33)：1-2.

　　[2] 時圣堯.風光互補并網發電監控及評估系統[D].東北大學，2016.

　　[3] 王志新，孫耀杰，史偉偉，等.光伏發電控制關鍵技術開發和產業化應用[D].上海交通大學，2018.

　　[4] 申健.風光聯合發電系統并網運行技術的研究[D].大連交通大學，2017.

　　推薦閱讀：《水電能源科學》(Water Resources and Power)屬于工業技術類學術性刊物，創刊于1983年，教育部主管，中國水力發電工程學會、華中科技大學主辦，武漢國測三聯水電設備有限公司、鄭州大學水科學研究中心協辦主要報道水、電、能源及相關學科的新理論、新技術、新方法及工程應用成果。