唐剑媚 刘叶妮 李娟
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摘要：随着当前经济发展不断增加消耗化石能源的量，也带来了严重的环境污染问题，近些年我国也对新能源的发展采取了各种支持手段，为新能源发电技术的发展创造有利条件。现阶段风电和光伏发电是当前装机容量较大，应用较广的新能源，其在发电过程中也存在电压闪变、能量不连续、谐波污染等问题，本文分析了谐波的危害、风光发电产生谐波的原理及风光发电的谐波抑制措施，仅供参考。
关键词：风光新能源；谐波；影响；抑制措施
1.谐波及危害
谐波指电流中包含基波整数倍频率的电流，从数学上分析，对周期性的非正弦电流进行的傅立叶级数分解，大于基波频率的所有电流便是谐波。
谐波的危害：（1）谐波电流频率比基波频率高，因为集肤和邻近效应会使线路的输送容量降低，谐波电流还会使变压器的磁滞、涡流及铜损增加，同时使变压器的变压容量降低；（2）因为谐波会增加电力设备的附加损耗，谐振时会有机械震动产生，而且产生谐波过电压，使设备老化加速，进而导致设备损坏；（3）谐波会使自动装置和继电保护拒动或误动，进而扩大系统故障的范围，进一步降低了电力系统运行的可靠性；（4）当电力线路有谐波电流存在时，因为电磁耦合作用会在邻近通信电路中有干扰电压产生，对通信质量造成影响。
2.风光发电产生谐波的原理
2.1风机发电产生谐波的原理
当前风力发电机常见的主要包括：双馈风力发电机和变速风力发电机驱动交流（同步）发电机。两种发电机相比较，双馈风力发电机对变频器的容量没有较高要求，容易控制，对风速的变化能做到自适应，主要包括恒压或恒功率两种运行方式。目前在大型的兆瓦级以上的并网风力发电机中对双馈绕线型异步发电机运用广泛。因为在其控制和运行中需要电力电子元件，许多并网的风机都会导致电压和电流有谐波产生。本文主要分析了广泛运用的双馈风力发电机的工作原理。双馈风力发电机结构主要包括风轮机、异步发电机、电压源型变流器和电气控制设备（见图1）。
风电中非线性的负载主要包括开关电源、整流器、逆变器等，发电机自身则很少产生谐波。双馈式风力发电机组的转子绕组端接线引向双向功率变换器，定子绕组和公用电网相接，定子绕组和电网接入后其电功率始终向外发出，转子绕组端口电功率流向随着发电机的同步和实际转速的比例而逐步发生变化。AC-DC-AC变流器会始终随着风机的运转而处于工作状态。因为电力电子元件的工作方式是变频的（即交—直—交），在变频中通过对导通角的调整而对直流电压进行调整，再把直流电压调整为交流电。
如图2，当前许多逆变器都采用PWM（脉冲宽度调制）对三相桥路导通与关断进行控制，使直流和交流实现逆变。根据PWM采样理论可知，把直流电压转变成正弦电压，因为使用宽度等幅不同的脉冲来代替三相正弦波，所以实际上逆变器只能输出包含谐波的交流电流。
选择的触发角的点对系统产生的谐振的谐波频率起决定作用，而谐波含量便可通过逆变桥开关切换速度的提升来减少。
2.2光伏发电产生谐波的原理
一般光伏发电系统包括太阳电池板、逆变器、控制器、升压变压器等部分。太阳能光伏发电系统中主要通过逆变器和升压变压器产生谐波。上节已经分析过逆变器产生谐波的原理，下面主要分析升压变压器产生谐波的原理。
变压器也属于一种谐波源，变压器的电流波形发生畸变主要受变压器的电磁变换原理的影响，主要是电力变压器的激磁电流。如果变压器的铁芯没有磁滞，按照磁通和激磁电流间的磁化曲线，磁通变化幅度会随着激磁电流的增大逐渐变小，激磁电流与其产生的磁通关系不是线性的，所以原边电流的正弦波并不完整，是一种含有各类谐波的周期性的电流。高次谐波导致激磁电流产生畸变，尤其是三次谐波。
3.抑制风光发电谐波的措施
根据相关分析可知，各系统的电力电子设备是风力或光伏发电谐波产生的主要原因，而逆变器是最主要的。如果系统中有升压变压器存在，还应注意其产生的谐波问题。为对光伏发电产生的谐波进行有效的控制，首先应把逆变器产生的谐波减少，还可把逆变器开关切换的速度提升。国内外研究人员通过对逆变器控制的不断设计，以期使谐波更好的被消除。
综合分析逆变器的工作原理，并不能完全消除产生的谐波，假如系统产生的谐波对于电能的质量需求仍无法满足，则应采取以下控制措施：
（1）电能通过采用Y/△或△/Y接线输出变压器。工频三相交流电为120°的相位差，而三次谐波应为360°的相位差，即三相相位相同，如果采用△型接法，三次谐波会形成环流而在内阻损耗。同理采用该方法也能消除9次、15次等谐波。所以采用△接法可对流向电网的高次谐波起到一定的防止作用，对整个电力系统造成威胁。
（2）采用滤波器辅助滤波设备，主要包括有源和无源滤波。有源电力滤波器会自带电源，该种电力电子装置主要用于对谐波动态抑制，对无功进行补偿，它可及时补偿不断变化的谐波和无功。有源滤波器可对补偿对象的谐波电流进行检测，并通过补偿装置产生和大小和该谐波相同而相位差180°的补偿电流，实现消除谐波的目的。无源滤波主要分为并联和串联滤波器，串联滤波器的运用较多，串联滤波器的电路是由电感和电容串联组成的LC滤波电路。串联滤波器主要是对串联谐振的原理进行了有效的利用，对于谐振频率的电流阻抗较低，对于和谐振频率发生偏离的电流会迅速增加其阻抗，且阻抗和频率偏离的幅度呈正比。所以设计谐振频率为工频，都把串联滤波器接入三相电路中，因为基波电流受串联带通滤波器的阻抗较小，但对于其他次数的谐波电流却有较大的阻抗，所以只采用一组滤波器就可把大部分频率的谐波滤除。
（3）上述消除谐波的方法主要的利用外部辅助设备起抑制谐波的目的。另外还有一种不利用外部设备对风力发电机谐波进行消除的技术，即只通过对不同种类的风机进行排列使谐波减少。因为型号不同的风机和发电机会产生不同的相位和谐波频率，可通过计算机建模对其对应的谐波电流进行计算，并通过对型号不同的风机的接线排列进行合理的安排，可使部分风机间的谐波相互抵消，但是利用该方法并不能使风机产生的谐波全部被消除。
结语
本文通过分析可知，针对谐波的抑制，可对逆变器的控制机组进行优化或使开关的切换速度增加，还可采用把变压器接线改变、滤波器接入等控制措施。在此过程中需注意，不管采用哪种抑制措施，都应保证采用就地的消除谐波的方式，使电网中传输谐波的影响减少。
参考文献：
[1]吴彧.风光新能源接入对电网的谐波影响及抑制措施分析[J].机电信息，2017（33）：1.
[2]王正.党小峰.新能源发电并网时谐波对配电设备的影响及抑制措施[J].电子世界，2017（04）：122-123.
论文作者:唐剑媚,刘叶妮,李娟
论文发表刊物:《云南电业》2019年6期
论文发表时间:2019/11/28
标签：谐波论文; 电流论文; 逆变器论文; 滤波器论文; 变压器论文; 频率论文; 抑制论文; 《云南电业》2019年6期论文;