分布式电源对电网谐波的影响 (1).docx

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1、 继续教育学院毕业论文（设计）山东大学继续教育学院毕业论文(设计)题 目 姓 名 学 号 年 级 专 业 学习中心 指导教师 填表日期 山东大学继续教育学17目 录摘 要3一、研究的背景与意义4二、分布式电源5三、分布式电源对电网谐波的影响8四、分布式电源对电网谐波影响的控制措施10五、总结11参考文献12谢 辞13 摘 要由于传统的大电网建设周期长、投资大、可靠性保障技术越来越复杂以及电力负荷的持续快速增长等因素，分布式电源直接接入电网的形式越来越引起人们的关注。风电和光伏发电都是常见的分布式电源。风能和太阳能都是清洁的、无污染的可再生能源，风力发电和光伏发电等分布式电源为应对能源短缺、促进

2、经济发展提供了有力的支持。风速的随机波动和光照强度的随机变化是这类能源的自然属性，因此风力发电和光伏发电所输出产生的电能也是随机变化的。将它们并入配电网后，将引起一系列的电能质量问题，如电压波动与闪变、三相不平衡、谐波畸变等。本文针对含分布式电源并网对电网谐波的影响进行了分析。关键词：分布式电源；谐波；电网一、 研究的背景与意义分布式发电主要包括微型燃气轮机、燃料电池、太阳能光伏电池以及风力发电装置等。分布式发电一般直接在配电网进行配置或分布在负荷附近，发电经济性、灵活性高，运行安全可靠，可以并网运行，也可以独立运行，能够满足不同场合下的用户需求或支持原配电网的运行。其单机发电规模一般都较小，

3、容量大约几十千瓦到几十兆瓦。分布式电源一般通过电力电子器件并网，电力电子器件的开通和关断频率较高，经常会向系统注入谐波电流。不同的分布式电源并网方式不同或控制策略不同，对电力系统谐波的影响也不一样。如果分布式电源采用同步发电机或异步发电机并网，那么发电机端电压可以认为不含谐波分量，即极端电压是纯正弦的，系统不会因为此类分布式电源产生谐波，一般热电联产的机组会采用这种并网方式。当分布式电源采用变流器进行并网时，由于变流器的整流、逆变或者变频作用，会向电网注入有规律的谐波，此类分布式电源一般包括风力发电机组、光伏发电、微型燃气轮机、燃料电池、蓄电池、生物质能发电等等，这些电源共同的特点是无法直接输

4、入工频电压，须经过电力电子器件处理，才能输出可以供用电设备使用的电能。分布式发电系统是配电网中的主要谐波源之一，如果不采取相应的滤波措施，可能会导致系统谐波含量超标，影响系统安全稳定运行1。理想情况下，电力供应总是为用户端提供完美的正弦电压信号。但供电公司往往很难保持这种理想的状态，实际的电压、电流波形总是与标准的正弦波存在偏差，即谐波畸变。谐波畸变存在于电力系统已经很多年了。在过去，由于当时电力设备的设计比较保守，配电变压器普遍采用中性线接地的星形联结方法，谐波还不是一个严重的问题。近年来，由于电力电子装置等非线性设备的大量增加，加重了配电网络中谐波畸变问题的严重性。当分布式电源为工频热电联

5、产机组，即传统的同步发电机和异步发电机，其电势可认为是纯正弦的，不含谐波分量，则引入系统中不会产生谐波问题。当分布式电源为高频微型燃气轮机、光伏发电系统、风力发电机组、燃料电池、蓄电池时，这些电源一般不能直接输出工频50Hz的交流电，而是输出高达数百、数千Hz的交流电或直流电，则需要通过电力电子器件构成的变流装置转换后送入电网。因此，分布式电源中的电力电子设备就成为配电网中潜在的谐波源，可能会带来严重的谐波污染2。二、 分布式电源2.1 风力发电风力发电是一种将风能转换为电能的清洁发电方式，属于利用可再生能源进行发电的分布式发电范畴，因其无污染、应用范围广、规模效益显著等优点，被视为最具有发展

6、前巧的分布式发电。从能量转换的角度可将风力发电机组分为风力机和发电机两个部分。风速作用在风力机的叶片上产生转矩驱动轮毂转动，通过齿轮箱高速轴、刹车盘和联轴器再与异步发电机转子相联，从而发电运行。通常情况下，独立运行的风力发电系统机组容量在几百瓦到几十千瓦之间，而并网运行的单台风电机组的装机容量在数百千瓦到数兆瓦之间。风力发电技术在新能源应用领域已经比较成熟，经济指标逐渐接近清沽煤发电。而目前其存在的缺陷主要是：地域性强、能量比较分散、受气候影响大；安装、维护较难；风速的随机性引起并网风电场输出功率的变化会给电网的安全稳定运行带来一些不利影响。其拓扑结构如图2-1所示。图2-1 风力发电并网系统

7、结构2.2 太阳能发电太阳能光伏发电是一种将太阳能转化为电能的清洁发电方式，与风力发电相同，也属于利用可再生能源进行发电的分布式发电范畴。太阳能发电技术主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电两种。在国际上，分布式光伏发电技术已经很成熟，其典型的容量范围一般在几瓦到几百千瓦之间。光伏发电系统一般由太阳能电池板、蓄电池、控制器、DC/AC并网逆变器、太阳能跟踪控制系统组成，利用由半导体材料做成的光伏电池的光电效应直接将太阳能转化为电能。光伏发电具有不消耗燃料、规模灵活、不受地域限制、清洁无污染以及维护简单等优点。光伏电池的不足在于它的输出功率容易受到日照强度和光伏电池结温的影响，不易调度，而且投资成本

8、较高等6。 其结构如图2-2所示。图2-2 太阳能发电并网系统结构2.3 燃料电池燃料电池是将化学能转换为电能的一种分布式发电方式，属于利用不可再生能巧进行发电的分布式发电范時，其典型发电容量范围为几十千瓦到几十兆瓦，燃料电池的工作原理是利用碳氧源，在压力和催化剂的作用下产生氨气，并使氨气与空气中的氧气结合产生直流电。因此，同分布式光伏发电系统类似，燃料电池需要通过DC/AC逆变器进行交直流转换后才能并网。与传统发电方式相比，燃料电池的优点在于燃料的利用率高、无排放、无振动、无噪声、输出功率平稳可靠以及适应负荷的变化能力强等。 燃料电池一般是由预处理装置、燃料电池堆和并网逆变器H部分构成，具体

9、结构图如图2-3所示。图2-3 燃料电池并网系统结构2.4 微型燃气轮机微型燃气轮机是指容里在数百千瓦下，可燃性气体或液体（天然气、汽油、柴油、甲烷）为燃料，可同时产生热能和电能的一种分布式发电设备，属于利用不可再生能源进行发电的分布式发电范畴。其发电效率达30，若采用热电联产的方式，效率能达到75。微型燃气轮机的工作原理与普通祸轮机类似，通过燃气燃烧推动祸轮转动，同时带动永礎式发电机旋转，发出高频交流电，最后通过交-直-交变换器转换为工频交流电，微型燃气轮机的优点是体积小、效率高、污染小和运行维护简单等。它是目前最成熟、最具有商业竞争力的一种分布式电源，其并网发电系统的并网结构如图2-4所示

10、。图2-4 微型燃气轮机并网系统结构分布式电源的接入电网改变了电网的原有潮流分布，同时对电网的电压、网损、电能质量及系统的保护及调度运行等产生重大影响。对电网谐波的音响是其中一个较为重要的方面。近年来，随着分布式发电技术的迅速发展，分布式电源的类型越来越多，在电网中的渗透率也越来越离，这无疑使得电网的管理和运行更加复杂，给电网的电压稳定等带来巨大挑战。因此，面对越来越多的分布式电源接入电网这一复杂状况，研巧和分析分布式电源接入对电网谐波产生的影响具有重大意义4。三、 分布式电源对电网谐波的影响随着越来越多的分布式电源逐渐并网运行，同样也会对配电网产生一定负面的影响，主要概括为以下几个方面： 1

11、、对电压产生影响。当分布式电源接入电网以后，由于它的安装位置及容量会影响到沿馈线的各个负荷的节点处的电压量。因此它不仅会向系统输出无功，同时也能够减少在馈线上所传输的功率。除此之外，随着分布式电源的不断引入，会造成电压的严重波动，其主要体现在以下的两个方面点： (1)当分布式电源的电压或者功率的输出量，在很大的一部分程度上是会受到复杂的自然环境的影响，因此呈现出随机变化的特性，与当地的负荷协调运行的难度相当大； (2)分布式电源的输出量，在理论上讲，是要随着当地负荷的上升来及时的进行上升，倘若在此过程中协调不当，必然会使得系统电压有所波动。 2、对损耗产生影响。由于分布式电源在负荷的附近进行介

12、入，会影响到在用户附近的功率流通。分布式电源在很大程度上是受到运行方式、接入位置以及负荷的容量三个因素的影响。 3、 对系统保护产生影响。传统辐射性电网潮流的流动的方向一般都是从变电站的电源端发散的流向用户，因此在继电保护的配置上不存在方向性的选择。随着分布式电源并网的介入后，会使得在部分节点处潮流流向发生变化，因此在电力系统的继电保护配置上，需要加上具有方向判别性的元件。但传统的继电保护的保护屏所配置的自动重合闸以及线路开关上所配置的熔断器，其本身并不具备方向性，倘若使用方向性的敏感元件继电器用来替换，这在经济上由于花费太多，现实中是不允许的。 4、对故障电流产生影响。分布式电源在并网以后，

13、在线路故障时，会提升故障电流的数值。因此接入位置、容量、系统的接口方式与运行模式等都会对故障电流造成不同程度的各种各样的影响。 5、对电能质量产生影响。分布式电源本身常常采用电力电子元件实现并网运行，而且在电力电子元件正常工作时出现电压偏差、三相不平衡和电压波动等问题都是无法避免的。 我国于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准电能质量：公用电网谐波，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值，见表2.1和表2.2。其中，各次谐波电压含有率为，电压总谐波畸变率为。式中，为第n次谐波电压有效值，为基波电压有效值。表2.1 公用电网谐波电压(相电压)极限值电网标称电压/kV

14、电压总谐波畸变率（%）奇次偶次0.385.04.02.06-124.03.21.635-72.53.02.41.21262.01.60.8表2.2 公用电网谐波电流允许值标准电压谐波次数及最大电流值234567891011120.387864396226441921162813643322134152411118.5167.112264013208.4156.46.85.19.34.3351527.7125.18.83.84.13.15.62.672.516138.1135.49.34.14.33.35.92.7126129.66.09.66.06.83.03.22.44.32.0分布式电源并

15、网后对系统谐波的影响取决于分布式电源的类型、容量以及接入位置等因素。若分布式电源通过同步发电机或异步发电机并网，其产生的谐波电流含量较小，对系统造成的谐波污染很小，而当分布式电源经过电力电子变换器接入电力系统时，由于电力电子器件是电力系统常见的谐波源，因此，该类型的分布式电源会对系统造成谐波污染。通常分布式电源并网后极少参与系统频率调节，因此在含分布式电源的潮流计算中，可认为分布式电源运行在有功功率恒定的模式，而其无功功率和电压的运行模式需根据分布式电源的容量、发电形式、接口方式等具体情况来确定。分布式电源与配电网互联的接口一般有3种形式：同步发电机、异步发电机、电力电子设备。下面以电力电子设

16、备接口模型为例进行分析3。 随着大量电力电子设备的引入，分布式电源可经过电力电子变换器并入电网运行，如燃料电池、光伏发电系统和微型燃气轮机等。其中，燃料电池和光伏发电系统发的是直流电，需要DCAC的逆变器来转换成交流电；而微型燃气轮机发出的是高频交流电，需要通过ACDCAC或ACAC变频后才能接入电网。这种分布式电源的稳态模型取决于其变换器接口所采用的控制策略，可分为电流控制和电压控制。电压控制变换器能控制交流输出侧的电压幅值，所以，通过电压控制变换器接入电网的分布式电源在潮流计算中处理为PV节点，如燃料电池、微型燃气轮机。电流控制变换器并网控制的是输入电网的电流，则在潮流计算中将采用电流控制

17、变换器为接口的分布式电源视为向电网输入电能的恒电流负荷，即PI节点，如光伏发电系统、蓄电池都可视为PI节点。四、 分布式电源对电网谐波影响的控制措施谐波问题是电力系统中影响电能质量的重要问题，一直以来就受到了各界的关 注，随着分布式电源的发展以及主动配电网的出现，配电网中的谐波问题也越来越严重。如何有效地抑制谐波是研究谐波问题的最终目的，本文针对当前抑制谐波的各种措施进行了归类总结，并根据抑制措旋的实施难度和实际效果做了简要的分析。谐波的问题是影响分布式电源大面积推广的重要因素，如何解决谐波问题也是当前有关分布式电源研究的热点之一。综合来说，谐波的治理可以分为三大类，一类是受端治理(针对用电设

18、备)，二是被动治理(针对传播过程)，三是主动治理(针对谐波源)。受端治理是指增强对谐波敏感设备的抗谐波能力。主要的技术手段有：(1)合理规划配电网，选择谐波源接入更高一级电压的电网；(2)专门设计电容器支路串联电抗器的参数，优化电容器的配置；(3)对重要的设备增加谐波保护装置。受端治理的改善程度非常有限，对于谐波畸变率较高的场合作用效果不明显。被动治理是指加装滤波器以阻碍谐波的传播过程。其技术手段大概有以下几种：(1)在谐波源附近安装无源滤波器，阻断谐波的传播；(2)在谐波源处安装并联 型或串联型的有源滤波器；(3)安装由无源滤波器和有源滤波器组合而成的混合滤波器。主动治理主要是优化谐波源内部

19、结构，如运行状态或控制参数，以达到减少输出谐波的目的。对于分布式电源主要是使用谐波更少的变流器，比如脉波数更多的变流器、PWM变流器5。五、结束语在能源方面，分布式电源作为传统集中式大电网的补充，得到越来越多专家的肯定。但是在大量的分布式电源接入配电网以后，一系列的复杂问题摆在了人们的面前。分布式电源加入配电网后，会对配电系统的潮流分布以及谐波潮流都产生了极大的影响，因此对于谐波潮流的计算成为当今正确的分析与研究谐波潮流影响的一个极其重要的手段。 参考文献1 Francisco C.De La Rosa. 电力系统谐波M. 北京: 机械工业出版社, 2009.2 裴玮,盛鸥,孔力,齐智平. 分

20、布式电源对配网供电电压质量的影响与改善J. 中国电机工程学报, 2008,28(13):152-l 57. 3 赵立飞,严俊,黄阮明. 分布式电源并网问题的探讨J. 沈阳工程学院学报(自然科学版), 2006,2(3):240-242.4 张俊芳,姚强,杭银丽. 分布式电源对配电网谐波分布影响的研究J. 电气应用, 2011,9:61-65.5 许德志,汪飞,毛华龙等. 多并网逆变器与电网的谐波交互建模与分析J. 中国电机工程学报, 2013,33(3):64-70.6 赵争鸣,建政,孙晓英等. 太阳能光伏发电及其应用M. 北京: 科学出版社, 2005:20-26.谢 辞时间如流水，逝者如斯

21、，求学生涯即将结束，在此，将我最真挚的感谢献给各位老师和同学，感谢你们给予我悉心教导、提供无私帮助。另外要郑重感谢我的导师XXX在学习期间对我的悉心教导和精心培养，在学习过程中遇到问题时，X老师都非常细心、耐心地指导我，使得问题迎刃而解。在他的传授下，我逐渐能以科学的思维方式思考问题和解决问题，这是我今后工作和生活中的一比宝贵财富。而他严谨的治学态度，渊博的专业知识、求实创新的科研精神，朴实无华的生活作风，不仅给我留下深刻印象，更时刻影响着我，是我学习的榜样。再次向X老师致以崇高的敬意。其次我要感谢我的家人，我的爸爸妈妈，多年的求学生涯，你们始终是我最坚强的后盾，虽然我一直一个人在外地生活，但因为有你们的关心与照顾，我才足够坚强，才能够顺利完成学习任务，你们的爱将永远伴随着我前行，激励我迎接新的挑战。在论文撰写过程中，我的最大收获是对自己意志力的锻炼、学会如何把控和安排时间、如何在庞大的论文数据中快速获取有效信息。这些经验都对于我今后的工作有很大影响，在工作中如何快速过滤掉无用信息并获取让自己成长最快的信息非常重要。最后感谢各位评委的批评指正，我将继续为论文的完善做努力。