分布式电源接入崇明电网的谐波分析

范 兵，王 辉，杨东升

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；2.上海市崇明电力公司，上海 202150）

0 引言

上海市政府2005年制定的崇明三岛总体规划（2005—2020年），明确了崇明建设现代化生态岛区的总体目标为“上海可持续发展重要战略空间”；2008年市政府进一步要求把崇明岛建设成为世界级的生态岛，并适时颁布了《崇明生态岛建设纲要》。

配合上海市政府对崇明生态岛的建设规划，岛域内的能源消费，趋向于“绿色”消费，实现零排放。而崇明岛有着得天独厚的各种生态优势，拥有丰富的风能、太阳能、地热能、生物质能、潮汐能等能源资源；在地理位置上处于具有相对封闭、大小适中的地域环境。崇明岛电网属于相对独立的电网，符合上海市促进智能电网与新能源相关产业发展战略。因此，崇明岛是一个分布式电源建设的理想场所。

在发展崇明岛分布式能源的规划建设中，近期规划（2015年）风能发电为207.5MW、光伏风电为51MW、生物质能发电为9MW，约占崇明岛域总负荷（预测最高负荷为625MW）的40%；远期规划（2020年）风能发电为2 910MW（陆上风电为460MW、海上风电为2 450MW）、潮汐能发电为240MW、光伏风电为105MW、生物质能发电为12MW，约占全岛域饱和负荷1.2GW的270%。对于分布式电源的大量接入，势必会对崇明岛域的电网运行带来影响，为此有必要研究分布式电源接入崇明电网对电能质量的影响，尤其是如何加大治理入网后的电网谐波问题。

1 分布式电源的特点

分布式发电（DG）是指为满足终端客户的特殊需求、接在客户侧附近的小型发电系统。分布式电源（DR）是指分布式发电与储能装置的联合系统，而将分布式能源在内的电力系统称为分布式能源电力系统［1］。当分布式发电采用并网方式时，一般不需要储能系统，分布式电源也就等同于分布式发电。大量的分布式电源接入崇明电力系统，构成了典型的分布式能源电力系统。

1.1 公共接入点

1）380V陈家镇某办公楼宇光伏场 通过切换开关接入供电客户，同时通过10kV配变与电网联络。光伏场电源与电网电源作为客户的双电源供电模式，光伏场电源为常用电源，电网电源作为客户的备用电源，常用电源与备用电源可通过手动或备自投装置实现供电切换，该光伏场的发电电量不上网。

2）10kV前卫光伏场 通过10kV卫1光伏场专线接入35kV前卫变电站的10kV一段母线，实现与系统的联网，额定容量为1.042MW。

3）35kV前哨风电场 通过35kV风哨377、风哨378专线分别接入前哨变电站35kV一段、二段母线，而后实现与220kV陈家镇变电站的联网。风机共有13台，单机容量为1.5MW，由德国GE公司生产，为4级双馈发电机，总容量为19.5MW。

4）110kV前卫风电场 通过110kV中前1119专线接入220kV中双港变电站的110kV三段母线，实现与系统的联网。风机共有30台，单机容量为2MW，双馈发电机，由上海电气风电设备公司生产，总容量为60MW。风电场35kV系统母线上同步投运静止无功补偿装置。

1.2 运行特性

根据2012年1月4日采集的数据，从图1、图2可以看出，崇明岛域内的太阳能与风能资源利用率较好。尽管当日光照强度不大，但光伏场发电有功出力仍可达到0.7MW，最大出力可达到额定发电容量的63.2%；在一般风力下，前哨风电有功出力可达到16.8MW，基本上可达到额定发电容量的86.2%；前卫风电场有功出力可达到45.3MW，接近设计容量的75.5%。

图1 前卫光伏场发电曲线

图2 前哨和前卫风电场发电曲线

1.3 能源特点

分布式能源发电可促进崇明岛资源的节约利用，有利于崇明岛域内的环境保护，在局部时段岛域内可实现碳的“零”排放。同时，分布式电源的发展，也有利于提高崇明电网的安全供电。发展分布式能源具有良好的经济性、环保性、节能性、安全性和可靠性。截至2011年年底，崇明电网中的分布式能源已经达到80.54MW，占2011年度崇明电网最高负荷308MW的26.1%。2012年预计再新增风电装机容量40MW。

2 分布式电源的谐波分析

2.1 治理谐波的重要性

分布式发电一般以同步发电机、异步发电机或电力电子逆变器等3种方式并网［2］。光伏场接入系统运行时，采用电力电子逆变器技术实现与系统的并网，势必对电网和供电客户产生谐波污染。而变速风电机的变流器始终处于工作状态，将产生大量的谐波电流，谐波电流的大小与输出功率基本呈线性关系，也就是与风速大小有关。在正常运行状态下，谐波干扰的程度取决于变流器装置的结构及其滤波装置状况，同时与电网的短路容量有关。因此，对电网中主要母线的谐波影响评价是十分必要的［3］。

2.2 谐波电流的允许值

风电场注入电力系统公共连接点的各次谐波电流，应满足国家标准《电能质量公用电网谐波》（GB／T 14549—93）要求，并按国家标准所规定的方法，根据公共连接点的最小短路容量、供电设备容量以及分析风电机组向公共连接点注人谐波电流的估算及用电协议容量进行换算。

表1 注入公共连接点的谐波电流允许值

2.3 谐波电流的测量分析

2011年9月2日10：45至翌日10：45，在前卫变电站35kV侧，卫1光伏场输电线回路使用FLUKE1760电能质量分析仪对前卫太阳能光伏场进行在线测量。测得前卫变电站10kV一段母线最小短路容量为47MVA，客户协议容量为1.042MW，谐波电压总畸变率统计汇总如表2所示。

由表2可看出，光伏场引起的电压谐波畸变率（THD）95%概率值达到了1.36%，但是未超出国家标准4%的限制。从表3可看出各次谐波电压中以3，5，7，11次较大。从表4可看出，电流谐波主要含有3，5，7，11次等低次谐波，其中，以5次谐波最为明显。

表2 谐波电压总畸变率%

表3 A相谐波电压含有率%

表4 A相谐波电流值A

2011年12月20日至30日，利用安装在中前1119线回路中的PQM303A型电能质量在线测量装置，通过使用广州领步电气技术有限公司的PQMCSV5软件进行统计分析，中双港站110 kV三段母线最小短路容量取400MVA，谐波电压主要为3，5，7，11，13次，参见表5。谐波电流成分主要为2，3，5，13次，参见表6。谐波电压最大畸变率为1.56%，目前满足4%的国家标准，参见表7。

对上述案例中的数据，利用Ih＝IGB（Sr／SJ）和Ihi＝Ih（Ii／It）1／a［4］进行回归计算，电流中的实际各次谐波电流含量均小于国家规定的限值（见表4、表6），符合接入电网要求。

表5 A相谐波电压含有率%

表6 A相谐波电流值A

表7 谐波电压总畸变率%

文献［6］对四款风电机组A为750kW定桨失速型机组；B为2MW变速恒频全馈机组；C为2.5MW变速恒频双馈机组；D为运达（WD77－1500A／1.5MW）变速恒频双馈机组的电能测试报告进行分析和比较，结果是机组的类型对谐波的输出不起到决定性的作用。可以得出与前卫风电场机组容量不一致，但型号一致的前哨风电场同样符合接入电网的要求。

3 谐波的危害

目前，崇明电网中的变电站已趋于无人值守，而谐波最直观的危害是对变电站内电力设备保护装置的影响，特别是具有低电压功能的保护装置，容易引发误动作。例如：某变电站10kV二段母线上的站用变，经常报站用电失电告警，却在30s内恢复正常，仅2011年8月份统计，报站用电失电告警共计1 289次，出现的时间段为22：00至5：00。由于该站为无人值守站，给调度值班人员和继保检修人员的工作，带来了巨大的压力，干扰了电力生产的正常秩序。在现场对告警的电压继电器进行了多次试验后，排除了继电器故障的可能。为此，通过FLUKE 1760电能质量分析仪在线监视，发现一专供大客户的5次谐波电压和11次谐波电流严重超标，分别达到了标准限值的3.4倍及4.2倍，其他次数的谐波也发生了不同程度的超标。

谐波会使某些电能计量数值发生异常。电能计量数据是发电企业、输配电企业、电力客户之间进行贸易结算的依据，计量数值的准确与否，直接影响到三者的利益以及交易的合理性［7］。一旦发生因电网谐波引起计量数值异常，将会给供电企业带来难以估量的社会负面影响，以及由此带来的索赔等经济损失，必须高度予以重视。

4 治理谐波措施

1）采用电力有源滤波器 在运行中直接与谐波源并联，除起到滤波外还兼顾无功补偿的作用。滤波装置结构简单、运行可靠、维护方便。由于风电机组随着电子技术的日渐成熟，电力有源滤波器是治理污染的有效工具，也是目前解决电能质量污染的有效措施［8］。

2）采用高次滤波器 对于整流和换流设备，可以增加可控硅变换装置脉冲数。利用2台绕组接法不同（Y，y和Y，d）的变压器二次侧相差为30°的原理，将2台三相6脉冲全波换流器分别接入上述2台不同接线方式的变压器，可以减少高次滤波器的投资。

3）采用高电压等级或专线供电 完善供电系统的允许方式，尽可能地保持三相负荷电流的平衡，运行中尽量减少变压器空载，改善电网电压质量，避免运行电压过高。在存在较大容量的谐波源负荷的情况下，可以采用提高电压等级或专线供电的措施。

4）采用优良的变流器与发电机 选择合理的变流器和运行特性优良的风机，而不是选择风电机组的类型。比起全馈或双馈式机组对谐波指标的影响，更加重要的是机组选用的变流器与发电机的特性。

5）采用无功补偿装置 风电机组投运时，同步投运静止无功补偿装置（SVG）等无功补偿装置。大容量的风电场投运，需要安装一定容量的无功补偿装置，如仅安装普通的电容器组，则对风电场提供电网的谐波起到了放大效应，而SVG能起到补偿作用，又能起到抑制谐波的功效。

5 结论

光伏场和风电场接入崇明电网后，会产生一定的谐波分量。在电流中谐波分量主要是3，5，7，11，13次谐波，其中最大的谐波电流是5次谐波。测试结果表明，目前谐波分量符合国家规定的限值。分布式电源并网发电时，并网点的各等级母线发生了一定的电压畸变，但畸变率在国家规定的允许范围内。另外，通过在风电场35kV母线连接点处加装SVG，在抑制谐波的同时也有效地降低了风电场对电网的谐波注入量。

［1］刘振亚.智能电网技术［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［2］李 超，王正仕，陈辉明，等.可抑制5次谐波的分布式发电系统并网设计［J］.电网技术，2007，31（15）：66－68.

［3］韩肖清，张 健，等.风电场谐波分析与计算［J］.太原理工大学学报，2009，40（5）：541.

［4］程浩忠，艾芊，等.电能质量［M］.北京：清华大学出版社，2006.

［5］戴晓洪.史洪寅，等.电力谐波对电能计量的影响分析［J］.电力学报，2006，26（1）：98－99.

［6］杨 靖，许国东，等.并网风电机组输出电能闪变和谐波指标的比较与分析［J］.新能源及工艺，2010，（6）：40.

［7］粟时平，刘桂英.基于d－q矢量控制技术的新型静止全能补偿器［J］.长沙电力学院学报（自然科学版），2000，15（2）：44－46.

［8］陈 恺，王如玫.电力系统谐波治理与有源滤波器［J］.华东电力，2008，36（8）：57.