光伏发电系统谐波问题分析报告201826

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1、光伏发电中的谐波问题分析随着世界经济的快速发展和人口的不断增长， 以及煤炭、石油和天然气等化 石能源 的日渐枯竭，能源危机已成为世界各国共同面临的课题。 与此同时，大量 使用化石能源 造成的生态环境破坏， 也成为制约社会经济发展的瓶颈。全球因此 都在积极开发利用新 能源，太阳能及光伏发电技术的诸多优点，使光伏发电受到 了全世界的青睐，并在近几 年保持着高速增长 1-2。目前，发达国家以“太阳 能屋顶计划”和并网发电为基本 形式，积极推广光伏产业，但与发达国家相比， 我国的光伏产业还处于初级阶段3- 6。因此对并网型光伏系统的研究必将成为 光伏发电技术研究的重点之一。并网光伏系统作为一种分散式发

2、电系统， 以及光伏发电本身的一些特点，使 得并网 光伏系统对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响， 如孤岛效 应、无功平衡、谐波污染等7。谐波污染是光伏并网系统安全可靠运行必须解 决的一 个问题，光伏系统中的谐波主要是在光伏并网逆变的逆变过程中产生的， 它会使功率因 素恶化、电压波形畸变、增加电磁干扰，对电网造成危害；并且， 当光伏逆变器轻载运 行时，逆变器输出的谐波含量会明显增大，在20%额定出力以下时，电流谐波总畸变率（THD会超过5%因此对光伏并网系统中的谐波进行快速、准 确的测量是很有必要的。1. 谐波简介电力系统中的电流电压非正弦波形都可以被分解为一个频率与其相等的正 弦波形

3、和 若干频率为其频率的整数倍的正弦波。频率与原波形相等的部分被称为 基波，而频率为 原波形整数倍的部分被称为谐波，频率的倍数就是谐波次数。电力系统中的谐波绝大多数是奇次谐波。2. 谐波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

4、、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），产生谐波的主要设备是逆变器和升压变压器等。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。图1光伏发电原理并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的直流电能转换成交流电 能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关

5、重要的作用。 随着投 入应用的并网逆变器日益增多，其输出的并网电流谐波对电网电压的污染也不容忽视。 按照GB/ T 19939-2005所要求，光伏并网逆变器的总输出谐波电流应小于逆变器额定输 出的5%各次谐波也应限制在表1所列的百分比之内：奇次谐波畸变限值偶次谐波谐波限值3次至9次4.0%2次至8次1.0%11次至15次2.0%10次至32次0.5%17次至21次1.5%23次至33次0.6%3.谐波危害3.1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

6、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，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。3.2 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。3.3 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

7、中形成谐振， 并又施加到电网中。3.4 对电机的影响 谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电 压使得 电机绝缘损坏。3.5 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。3.6 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。3.7 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

8、，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。4.谐波治理 由于无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐 波有放 大的可能，耗费多、体积大等。不同于LC无源滤波器，采用有源滤波（APF,如图2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图 2 有源滤波器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

9、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。5.西驰 APF 介绍 西驰电气及产品介绍 公司介绍西安西驰电气股份有限公司，坐落于有“西部硅谷”之称的西安国家级高新 区草堂科 技园，是一家专业从事电力电子产品研发、 制造、 销售的高新技术企 业，现有控股公司 6 家（西安西驰电子传动与控制有限公司、 深圳西驰电气技术 有限公司、西安西驰电能技 术有限公

10、司、 西安西驰自动化系统工程有限公司、 西 安西驰成套设备有限责任公司、成 都西驰电气有限责任公司）。近年来，公司不 断加快产学研一体化步伐，依托西安交通大 学和电力电子研究所等科研单位建立 了自己的工程技术中心，并与美国艾默生电气公司建 立了战略合作伙伴关系， 建 立了以可控硅SCR和IGBT等功率器件为主体的技术平台。主要产品：电能质量：XCAPI有源滤波、无源滤波、SVG无功补偿等；电机控制类：CM （软起动器（柜）、CM高压软起动装置、CFC变频器（柜）、CFV高 压变频器、CZW直流无刷控制器、CPC调功器；自动化系统集成、 PLC 自动化系统、无负压供水设备及电动车控制器等。 公司

11、现有占地一万平米的生产制造基地，拥有一支高素质的专业人才队伍。 利用国家创新基金建立高低压电机起动与变频调速试验站， 高低温老化室，低压 电器产 品检测系统，拥有国际一流的检测仪器以保证产品的高可靠性。 目前公司 已通过 IS09001 管理体系认证，取得了中国CCC和欧盟CE认证。产品通过国家电力电子产品检测中心和 苏州电器研究所、西安高压电器研究所检验。公司在全国 32 个省及直辖市建立了办事处和服务机构，并针对全球客户 设立了海 外事业部，构建的全方位保障系统，力争为全球客户提供高效、迅捷的 服务。目前产品以 广泛应用于电力、冶金、建材、石化、市政、水利等行业。产 品行销中国大陆及海外市

12、 场。XCAP!有源滤波器的基本原理XC-APFt源滤波器系统结构示意图如图4.1所示。有源滤波器XC-APF并联在电网Source和负载Load之间。负载Load是一个非线性负载，其负载电流上含有大量的谐波成 分。XC-APF通过外部电流互感器，实时检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载 电流中的谐波成分，然后输出PWM&号给内部IGBT,使得逆变器产生一个和负载谐波电流大 小相等，相位相反的谐波电流ish注入到电网中，使得流入电网的电流为纯净的正弦波 电流，从而达到滤波的目的。电源APF图 4.1 有源电力滤波器系统结构示意图XC-APF有源电力滤波器功能特性有源电力滤波器的通用功

13、能可对各次谐波进行动态补偿；不易受电网阻抗及电网频率变化的影响;可同时对无功功率进行动态补偿； 可以补偿系统不平衡； 所需贮能元件容量不大。XC-APF有源电力滤波器的优点整套装置应不但具有谐波滤除功能，还应具有谐波检测，谐波电流、电压数据、 频谱图查询及显示功能。有源滤波装置应带故障自诊断功能，能对所发生的故障类型及故障位置提供中文 指示，能在就地显示，便于技术人员和检修人员能辨别和解决所出现的问题。 散热方式采用强制风冷方式，散热风机采用直流风机。响应时间（mS :符合变化响应时间w 40us;全部响应时间w 10ms （该响应时间 为自滤波器检测到各谐波分量到产生精确有效的反向谐波分量的

14、完整闭环控制过 程时间）。滤除谐波次数：最大滤波频谱宽度可达250次，能够提供选择性消除特定次谐 波能力，可直接设置选择性消除多种特定次数谐波；三核控制平台：采用两枚美国Texas Instruments公司的32位浮点数字信号处理器（DSP TMS320F28335与一枚美国ALTER公司的CYCLONE系列现场可编 程逻辑门阵列（FPGA,构成了强大的三核控制系统，内嵌智能TTA皆波检测算 法，谐波计算次数可高达51次，运行频率高达150M保障谐波分离计算的高速与 准确！高速多通道外部采样系统：内嵌三枚美国Texas Instruments公司的双端输入高速12位数模转换芯片（ADS855

15、8，高达土 10V模拟量输入、1. 25us采 样周期，强大的信号采样能力是装置精确、稳定、可靠运行的保障！原装进顶级功率模块：原装进口 EasyPAC-IGB模块，采用第四代IGBT技术， 三电平拓扑结构，具有更低的电感设计和更低的开关损耗，最高开关频率可达 30kHZ体积更加小巧，功率密度成倍增加，是模块化APF得以实现的硬件基石！ 完善的温度控制：实时监测三相功率器件的温度，当温度超过设定阈值 1时自动降容输出，当温度超过设定阈值2时，发出过温警报，自动关闭 停止补偿强大的控制算法：西驰电能模块化APF采用全数字控制，谐波电流检测算法采用 最高效的基于时域变换的谐波检测算法（TTA算法）

16、，快速精确分离每一次谐波电流瞬时值，补偿响应时间大大提高，真正做到 10ms 全响应。电流控制部分采用目前最先进的谐振调节器（PR）电流控制算法，能够保证电流跟踪的实时性和精确性。良好的人机交互体验：西驰电能模块化APF采用5寸LC敢晶显示触摸屏，多机 并联时柜门采用10寸触摸屏，系统电压、电流、THD PF等电能质量参数一目了 然、且支持在线更改运行参数、丰富的保护监控功能、良好适应了不同的运行现 场。可靠的风冷系统：采用国际一流直流风机品牌，连续运行故障率极低， 且具备强劲的故障检测功能和智能风量控制，适应苛刻的工作环境，为 APF装置的散热保驾护航！多模块柜内并联运行时，具有智能启动和休

17、眠功能，根据负载率的大小，自动唤 醒或休眠模块单元，当模块仅有部份投入运行时，系统根据设定的时间参数，控 制模块定期的轮换投入、轮换休眠。确保了每个模块都工作在最佳的工作状态、 提高整个设备的使用寿命和温度特性。方便快捷的远程监控操作功能：西驰APF模块可选配远程通讯功能，使整台装置 能够通过手机远方操作、修改运行参数、查询工作状态等，当模块有故障时可自 动向管理员手机发送故障信息，方便设备的维护与管理，只要装置所处位置具有 手机信号，无论管理员身在何处皆可对装置进行监测、维护与控制。能够全天侯安全稳定地独立运行，不影响系统中其他设备的正常工作，不危害电 网安全。谐波率大于补偿能力时，可根据本体容量输出，继续滤波，不发生超载 或导致设备损坏而退出运行。过载保护：设备自带保护功能，并具备谐波过载抑制功能。6.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 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。