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光伏发电系统谐波抑制方法探讨

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摘要:随着社会经济的快速发展,能源危机和环境污染问题越来越严重,寻找可替代能源迫在眉睫。此时,太阳能光伏产业应运而生,光伏发电在其中占有非常重要的位置。然而,光伏并网发电系统中的谐波污染非常严重,谐波治理刻不容缓。简要分析了谐波产生的原因及其危害,概述了3种治理谐波的主要措施,具体阐述了在并网前安装无源电力滤波器和有源电力滤波器的方法,分析了各自的优缺点,提出了统一控制光伏并网和有源滤波的策略,并对未来太阳能光伏并网发电系统中的滤波方式进行了展望。

关键词:光伏发电;谐波抑制;无源滤波器;有源滤波器

进入新世纪以来,传统能源消耗日益增长,化石能源面临枯竭的危险,当前最主要的任务就是寻找新能源来替代污染严重的化石能源。新能源主要来源于太阳,因为太阳能取之不尽、用之不竭,所以,它受到了人们的高度关注。当今社会科技发展迅猛,一些新技术、新理念也应用到了太阳能行业,再加上世界各国的大力扶植,太阳能光伏发电产业借此机遇也得到了快速发展[1]。光伏并网发电是太阳能大规模开发利用的必然趋势,具有高环保、低噪声、适用范围广等优点,备受社会的青睐。但是,光伏并网带来的谐波污染问题越来越严重,不仅导致电能质量不断下降,还引起了不必要的能量损耗。如今,在光伏并网系统中,消除谐波和提高电流波形质量成为了重点研究内容。

1谐波的产生与危害

随着人们生活水平的不断提高,大量的非线性负载逐渐出现在电力系统中,许多电能质量问题也随之产生,比如谐波问题。在太阳能光伏发电系统中,电力电子设备的应用越来越广泛,而且在产生谐波的谐波源种类中,这些非线性设备所占的比例越来越大。所以在太阳能光伏发电系统中,由大量电力电子设备组成的逆变器是产生谐波的主要设备[2]。波形是衡量电能质量的一个主要指标。谐波成分的出现不仅会影响设备的安全运行,还会对通信线路造成干扰以及其他不良影响。

2谐波治理措施

目前,主要有3种治理谐波的措施:①主动治理,采取一些措施让系统源头不产生谐波;②受端治理,主要是提高受谐波影响设备的抗干扰能力;③被动治理,在并网前安装滤波装置,阻止谐波注入电网。目前,在选择治理谐波方法时,主要采用被动治理的方法。下面简单介绍几种滤波方法。

2.1无源滤波器

在太阳能光伏发电系统中,一般在逆变器与并网侧之间安装无源滤波器,由电阻R、电感L和电容C构成回路。为了阻止高次谐波流入电网,可以通过计算来选择电感L、电容C的参数,当回路中谐波频率与高次谐波频率相同时,即达到消除谐波的目的。无源滤波器就相当于一种波形发生器,先采集谐波信息,然后再输出一种幅值相等方向相反的谐波,从而抵消谐波源产生的谐波。传统的无源滤波器有L型滤波器、LC型滤波器、LCL滤波器[3]。目前,一些新型无源滤波器也相继出现,但大都是在传统滤波器的基础上改进而来的。无源滤波器结构简单,容易控制,稳定性好,便于维护。但是,无源滤波器只能消除某一固定级的谐波,如果线路中含有很多级次谐波,需要针对每次谐波设计一种滤波器,这样会导致有效材料的过多消耗,不符合经济性原则。

2.2有源滤波器

有源滤波器主要分为2部分,即指令电流运算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3部分组成,各部分缺一不可,协同工作。滤波器的工作流程是,先检测电路中的谐波和无功,然后经过一系列运算产生足以抵消电路谐波和无功的谐波和无功。如图1所示,有源电力滤波器检测出谐波源负载电流iL的谐波分量iLh,通过运算输出指令信号i*C,而由补偿电流发生电路产生的补偿电流iC与负载电流中的谐波分量iLh模值相等、方向相反,iLh=-iC,这样两者就可以互相抵消,负载侧电流中只有基波,不再含有谐波。有源滤波器可以实时进行谐波补偿,不仅能够达到消除谐波的目的,还能够进行无功补偿。由于基波是由交流电源直接加到变流器上的,而变流器也提供大部分的补偿电流,这样就要求变流器拥有足够大的容量,这也是很多有源电力滤波器单独使用时的主要缺点。

2.3统一控制光伏并网发电和有源滤波

目前的光伏并网发电装置和有源电力滤波器各有各的优势,但不足之处也很明显。由于光照强度是不断变化的,光伏发电装置在晚上并不能工作,处于闲置状态,利用率比较低。而有源电力滤波器的造价比较高,如果只是用来抑制谐波和进行无功补偿,会造成资源的极大浪费。对比分析光伏并网发电系统与有源电力滤波器的拓扑结构和控制方法,发现它们都向电网提供能量,前者提供有功电能,后者提供无功电能和各种谐波,它们只是提供的电能不同而已。鉴于此,可将并网控制与文中提到的并联混合型有源滤波器统一控制[4]。图2为光伏并网和有源滤波统一控制策略图,在这种控制方式下,最大功率跟踪主要依赖于光伏阵列输出电压Vpv和输出电流ipv。根据这2项指标数据,经过一系列运算生成光伏并网发电有功指令电流*cqi,同时,为了使每项指标清晰可见,需要将负载电流中的无功电流分量*icp与谐波电流*ich分量分离。此时,无功电流和谐波电流检测单元就将发挥其分离2部分分量的作用,根据2部分分量电流合成指令电流,最终由电流控制器完成光伏并网发电和无功及谐波电流补偿。其中,iL为负载电流,es为电网电流,*ic为补偿电流,iC为电网电流。

3结束语

由于谐波产生的源头复杂多样,在选择谐波治理方法时,需要考虑设备结构、效率、精度、成本和稳定性等因素。主动治理和受端治理的应用领域比较窄,而被动治理方法应用领域广泛,是目前治理电力谐波问题时采用的主要方法之一。正如文中所述,为了消除谐波,我们可以在光伏发电系统中安装无源电力滤波器和有源电力滤波器。根据两者各自的优缺点,可将有源滤波器与无源滤波器协同使用,无源滤波器可以解决一些有源滤波器不能解决的问题。除此之外,光伏并网逆变器和有源滤波器有许多相同点,所以,可以确定一种统一控制光伏逆变与滤波的策略。

参考文献:

[1]刘文洲,西灯考,蔡长青,等.太阳光伏发电系统MPPT综述[J].长春工程学院学报(自然科学版),2016,17(3):39-41.

[2]黄欣科,关雅娟,王还,等.光伏发电系统低功率运行并网电流谐波抑制研究[J].太阳能学报,2015,36(2):414-421.

[3]吴春华.光伏发电系统逆变技术研究[D].上海:上海大学,2008.

[4]仝其丰,李田泽,史春玉,等.具有谐波补偿功能的光伏并网发电系统研究[J].国网技术学院学报,2016,19(4):16-24.

作者:西灯考 单位:长春工业大学电气与电子工程学院

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