新能源互补电力主网谐波补偿孤岛检测方法研究

新能源互补电力主网谐波补偿孤岛检测方法研究

冯明

中电投新疆能源化工集团阿克苏有限公司  新疆省阿克苏市  843000

摘要：随着化石能源日益枯竭，温室效应愈加严峻，以传统化石能源为主的能源结构逐步向以风能、太阳能、潮汐能等可再生能源为主的能源结构进行转型。在能源转型的大背景下，大量可再生能源接入电网，为进一步提高电力系统能源利用率、增强电网安全稳定性，推进电网的智能化转型建设是电力行业发展的必然趋势。随着能源结构的转型和电网智能化的不断推进，大量电力电子装备的接入增强了电力系统的非线性特性，而可再生能源发电系统的接入给电力系统带来了间歇性和随机性。这些因素导致了电网谐波含量不断增大，尤其是高频次谐波含量占比也逐步增加，使得电网谐波治理问题愈加棘手。

关键词：新能源；电力主网；谐波补偿；孤岛检测；数据采集

引言

能源安全和环境污染问题已成为全球关注的焦点，我国在第75届联合国大会上，率先提出“碳达峰、碳中和”战略目标，电力系统作为各种能源转换、输送的重要枢纽和能源消费平台，对“双碳”目标的实现起着至关重要的作用。为降低一次能源占比，目前由大量分布式新能源接入而形成的新能源电网已逐渐具有规模化和普及化的趋势，然而由于光能和风能资源的难以预测性，新能源发电设备输出功率具有明显的波动性以及随机性，会造成新能源并网点处电压幅值的随机波动，这必然会给电网稳定性带来严峻挑战。同时新能源并网变流器也会向电网注入谐波分量，容易造成电网电压及电流波形畸变，过高的谐波分量会造成变压器、电缆、电抗器等一次设备产生噪声、发热甚至是损坏等问题。同时在电能计量方面，大量的谐波还会导致计量不准确。

1储能系统结构

储能逆变器的拓扑结构及系统的总体架构如图1所示。图中：udc为直流侧电压；igabc、ugabc分别为三相并网电流（取并网电流的正方向为从逆变器流向PCC）、PCC处三相电压；esabc为电网等效三相电压；Cd1、Cd2为直流侧电容；L1、L2分别为逆变侧、电网侧电感；C为滤波电容；RC为滤波电容的串联电阻，用于抑制LCL滤波器的谐振峰；Ls为电网等效电感；igabc(t)、ugabc(t)分别为t时刻三相并网电流、PCC处电压的瞬时值；igabc(n)、ugabc(n)分别为三相并网电流、PCC处电压经过模数转换器ADC（Analog-to-Digital Converter）后采样点n处的值；Ugh、Igh分别为快速傅里叶变换FFT（Fast Fourier Transform）后h次谐波电压相量、谐波电流相量。储能系统由直流电源、逆变器、LCL滤波器和配电系统组成，配电系统包括电网、大量的线性和非线性负载以及新能源发电设备。控制系统由ADC、FFT和谐波抑制装置组成。

2新能源互补电力主网畸变谐波提取

针对利用并网逆变器和电网连接的互补电力主网而言，并网过程中，互补电力单元和电网共同完成本地负载供电，电网约束下公共连接点谐波数量降低。产生孤岛现象后，公共连接点电压谐波分量会逐步显现，并且逆变器的输出电流也会产生改变。电力系统内的谐波并不包含直流分量，取谐波特征时，仅考虑奇次谐波分量即可。下面使用改进插值算法检测新能源互补电力主网内的谐波状态，获得畸变谐波值，为后续谐波补偿步骤提供可靠支撑数据。和传统离散傅里叶变换对比，改进插值算法就是在频域内平移了１／２个谱线间隔，平移过程为：

式中，ｘ（ｎ）为信号通过采样后获得的离散序列；Ｎ为离散序列点个数；ｈ（ｎ）为窗函数；k为频域谱信号。倘若离散序列的点数是Ｎ，为了让方法拥有更好的谐波检测性能，计算中挑选的窗函数要满足Ｐｒｉｎｃｅｎ⁃Ｂｒａｄｌｅｙ条件。不满足条件很容易导致畸变谐波检测失败，挑选符合Ｐｒｉｎｃｅｎ⁃Ｂｒａｄｌｅｙ条件的对称窗函数，其主瓣宽度是矩形窗的２倍，最大旁瓣电平与旁瓣衰退速度都高于矩形窗。

3发电场景下的电能计量方式

新能源电网中，装设分布式新能源发电设备的用户，在其发电量充足时，可向电网输送电能。新能源电网电能计量方案还应考虑用户发电电能的计量。在发电场景下，用户向电网输送的均为新能源电能，必然给电网带来谐波，因此合理的用户发电量计量方案，应该考虑谐波电能计量。用户基波电能可被其他用户所使用，用户所发出的基波电能应得到相应的收益，所以发电场景下的用户电能计量方案必须包含基波电能计量。而谐波电能不能被其他用户所使用，还可能造成其他用户用电设备的损坏，同时占据电网输送容量，导致电网中的基波电能输送减少，造成了电网输电设备资源的浪费。因此，在发电场景下，需要计量谐波电能，并以谐波电能计量数据作为处罚依据，对产生谐波电能的用户进行处罚。在用电场景下，采用全波电能和基波电能进行计量，并通过简单的运算得到谐波电能值。其中基波电能计量值作为计算用户收益的依据，谐波电能计量值作为用户产生谐波污染的处罚依据，显然这是一种更为合理的电能计量方式。

4谐波的影响

电能质量问题中的谐波问题是指输出波形中频率为基波频率整数倍的波形成分，一般需通过对波形进行傅里叶分解后可以看出。谐波的次数Ａ须是基波频率的整数倍。依据电流周期分解得到的傅里叶级数的不同，又将谐波概念可进一步定义为间谐波或者次谐波。逆变器输出电压的谐波主要有两个来源：逆变器自身和电网频率改变时的影响。并网逆变器内部电力电子元件的大量应用，提升了系统的信息化和智能化处理，但也增加了大量的非线性负载，造成波形失，给系统带来大量谐波。除此之外，天气状况变化较大时，谐波波动的范围也会变大。国标《GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求》中指出逆变输出并网电流的总谐波应小于逆变器额定输出电流总谐波的5%。已有文献研究表明，抑制谐波可以通过两种思路来实现，一是通过增加谐波吸收装置，消除逆变输出的谐波电流，如装置有源或无源滤波器；二是抑制逆变过程中谐波电流的产生量，可以通过优化逆变器过程中的控制器，如使用无差拍控制器、滞环控制器等，使其更好的跟踪电网电压波形，抑制谐波电流含量，减少谐波注入。

5谐波电能的电能计量处罚策略

确定用电和发电场景下电能计量方式后，新的计量方案不仅提高了用户电能计量的合理性，同时也提高了发电电能计量的合理性。而如何针对计量得到的谐波电能制定合理的处罚策略，来保证对造成不同程度谐波污染的用户进行相应处罚需要深入探讨。对于分布式新能源发电用户而言，其所产生的谐波电能处罚应能够满足对线性负荷用户以及电网输送谐波电能造成损失的补偿。用户补偿费用主要考虑谐波对用电用户设备造成不良影响而进行的补偿，因此所有用户均应受到补偿。

结束语

本文以光伏发电并网中电能质量问题为研究对象，分析了光伏发电并网的基本原理和结构特点，针对光伏发电并网过程中的电压波动、共模电流、谐波以及其他影响因素深入探究了其具体成因和影响规律，并提出了改善电能质量的可行性方法，对进一步提高光伏发电并网过程中的电能质量具有一定的参考价值。

参考文献

[1]赵军,樊瑞,毛瑞.配电网谐波量测装置配置方法综述[J].山西电力,2020(06):22-27.

[2]孙上元,朱侨杰,杨海亮.浅谈电力线路载波器原理及其对无功补偿的影响[J].机电信息,2020(36):29-30.

[3]杜强,郎泽萌,张小雷,叶继芳.新能源并网对电力系统电能质量的影响[J].电力设备管理,2020(12):120-121.

[4]张传金,赵曰贺,鹿鹏程.基于有效值补偿的谐波检测及其控制方法研究[J].机电信息,2020(36):11-13+15.

[5]邓国学.浅议电力计量中电力谐波的影响与措施[J].应用能源技术,2020(12):37-39.