光伏并网对电网谐波的影响及抑制

李超

【摘  要】近年來，我国对电能的需求不断增加，电网建设越来越多。本文以光伏发电原理和它的数学模型为基础，分析研究了带有LCL滤波器的光伏逆变器的电路模型，并且根据滤波器参数的推导公式，对其设置合理的参数。针对LCL型光伏并网逆变器存在的谐振问题，选择了电容支路串联电阻的阻尼控制策略。最后用MATLAB/simulink进行了仿真，从并网电流、电压波形质量方面验证了它们具有良好的谐振抑制效果。

【关键词】LCL滤波器;光伏并网;谐波抑制

1电力电子系统和电源自身原因而产生的谐波

（1）发电机的三相绕组很难在绕制中做到完全对称。（2）铁心要做到大小完全均匀一致，也是非常困难的等结构及制造的因素。上述的2种因素，使得电力电子系统电源基波U、谐波E在同一时间出现，但数值很小，在研究电力电子系统谐波问题时往往就忽略了。变压器产生的谐波是在输配电系统中主要因素，因为铁芯在饱和的时候，是非线性器件，是呈非线性磁化曲线，饱和程度和波形畸变成比例关系，由于工业设计一般考虑经济性，磁化线在近饱和区域就是磁性材料处于工作区域，因而就会有谐波I的出现。输配电设备装置和电源就算产生谐波，可是这2个方面出现的谐波往往都是占不大的比例。

2并网光伏电站的建模

在电力系统综合分析软件ETAP的环境下，搭建仿真模型。文献概述了先进的电力系统仿真软件ETAP的功能和特点。文献提出了在ETAP中的两种等值方法，由于数据测量点的不同，所搭建的模型也不尽相同。如图1所示，太阳能光伏电池经过逆变器、变压器后并入电网的两种等值模型。若在变压器前测量数据，则需要在搭建模型时，在光伏电站等效电网与并入电网的母线之间加升压变压器。但此时，就需要考虑变压器损耗以及其产生的谐波;若将整个发电、逆变以及升压即整个光伏电站作为一个整体，只需要测量接入电网母线测的数据，不需要考虑变压器损耗，在仿真中可减小其他数据误差，对整个变电站而言，更为精确。光伏电站的等效电网模型中需要数据参数有：额定电压（RatedkV），控制模式（Mode），短路额定值（SCRating），谐波（Harmonic）。

3谐波的影响及抑制

光伏产电并网会产生谐波干扰。所以从光伏并网系统的需要出发，在其中设置滤波器，它可以使入网电流满足实际需要，而且还使逆变器输出电压中的THD得到了有效的控制。图1为LCL型光伏并网系统的拓扑结构。

4光伏发电系统的电气结构

光伏电站系统主要组成：太阳能电池组件、直流汇流箱、逆变器、升压变压器。太阳能光伏电池是将照射在半导体材料上的太阳能转化为电能的发电设备。其原理是逆变器是把方阵输出的直流电转化成与电网电力相同电压和频率的交流电，同时还起到调节电力的作用。根据逆变桥的相数、逆变器功率变换的级数和输入、输出方式的不同，其可分成不同的种类。在光伏发电并网系统中，将太阳能电池组件接收来的太阳辐射能量，经过直流汇流箱、逆变器、升压变压器后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流后，直接或通过变压器接入电网。以大量的电力电子元器件组成的光伏逆变器，在逆变时产生的谐波，是光伏电站主要的谐波源。

5电网中谐波的分析方法

电网中谐波的分析方法和技术检测是全方位分析电网中电子电力系统谐波问题，像电子电网中电子电力系统谐波的检测、电子电力系统谐波源的分析、电子电力系统谐波的抑制、电子电力系统畸变波形的分析等，而电子电力系统谐波的检测是一个很重要方面。但随机性、非平稳性、分布性等多方面因素可能造成电子电力系统的谐波，假如要实现精确即时的电子电力系统谐波的检测不是一件非常简单的事情，所以，随着全世界交流电力系统的飞速进步，多种谐波检测方法也雨后春笋般涌现出来，像基于傅氏变换的频域分析法、模拟滤波检测法、基于瞬时无功功率理论的检测方法等。目前小波分析在谐波检测中的应用分析主要有以下收获：（1）基于小波变换的多分辨分析，是把电磁信号分解成很多的f块低频段上后当作基波分量，不同谐波f高，利用软件分析谐波的变化。（2）利用小波变换与a=y-b×x相融合同换卡尔曼滤波的时变谐波跟踪方法，将不同种谐波的时变幅值投影在正交小波基张成的子空间里，再把a=y-b×x猜算它小波系数，将时变谐波的幅值猜算情况转变成常系数猜算，最后形成最快速度的跟踪。（3）把小波变换的小波包让他能把f空间分的更细，使电子电力系统中的高次谐波投影到很多地方上，会产生f高、奇异高次谐波信号的特点来对谐波进行分析。（4）利用正交小波分解，观测原信号的每一个分解不同的结果，得出不同分量的检测谐波信号，结果就达到快速跟踪的目的。小波变换的理论与应用分析还不完善，主要是谐波测量方还需要不断完善，在现场中的实际应用也有待进一步提高。人工神经网路系统技术从发展以来，最开的就是基于神经网路系统的检测方法，而且随着发展的电子电力神经网路系统，主要是在电子电力系统中也是非常广泛的应用，像负荷预测和谐波检测以及优化调度与预测等，且在电力电子系统工程技术应用上获得了较大成果。模型的组建、样本的选择和算法的确定等许多情况都选用基于神经网路系统的检测方法，神经网路系统实现谐波和iq的检测对周期性以及非周期性I有速度快，稳定的跟踪能力，对f高随机影响也会有比较好的能力识别。

6 仿真波形

如下图2及3所示。无阻尼调节控制下并网运作，a、b两相之间电流、电压毛刺较多，畸变明显;而利用无源阻尼调节后，波形毛刺降低，更加平滑。谐振能够造成波形的畸变，而无源阻尼调节策略能够有效减小这种现象。

7结束语

综上所述，在含有多个光伏电站的电网中，面对这样的复杂问题，建议在电力系统规划初期，对产生谐波污染的设备，应在ETAP中对其造成的影响进行谐波潮流计算，为抑制谐波污染提供理论依据。利用这样的思想，若在系统中建设新的发电厂或变电站，可先利用ETAP进行谐波评估，了解系统的谐波状况，改变建设方案，采取有效措施降低系统中的谐波畸变程度，提高电能质量。

参考文献：

[1]雷一，赵争鸣，袁立强，等.LCL滤波的光伏并网逆变器阻尼影响因素分析[J].电力系统自动化，2012，36（21）：36-40.

（作者单位：国网山西省电力公司晋城供电公司）