分布式電源接入崇明電網(wǎng)的諧波分析

范 兵，王 輝，楊東升

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240；2.上海市崇明電力公司，上海 202150）

0 引言

上海市政府2005年制定的崇明三島總體規(guī)劃（2005—2020年），明確了崇明建設(shè)現(xiàn)代化生態(tài)島區(qū)的總體目標(biāo)為“上海可持續(xù)發(fā)展重要戰(zhàn)略空間”；2008年市政府進(jìn)一步要求把崇明島建設(shè)成為世界級(jí)的生態(tài)島，并適時(shí)頒布了《崇明生態(tài)島建設(shè)綱要》。

配合上海市政府對(duì)崇明生態(tài)島的建設(shè)規(guī)劃，島域內(nèi)的能源消費(fèi)，趨向于“綠色”消費(fèi)，實(shí)現(xiàn)零排放。而崇明島有著得天獨(dú)厚的各種生態(tài)優(yōu)勢(shì)，擁有豐富的風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能、潮汐能等能源資源；在地理位置上處于具有相對(duì)封閉、大小適中的地域環(huán)境。崇明島電網(wǎng)屬于相對(duì)獨(dú)立的電網(wǎng)，符合上海市促進(jìn)智能電網(wǎng)與新能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略。因此，崇明島是一個(gè)分布式電源建設(shè)的理想場(chǎng)所。

在發(fā)展崇明島分布式能源的規(guī)劃建設(shè)中，近期規(guī)劃（2015年）風(fēng)能發(fā)電為207.5MW、光伏風(fēng)電為51MW、生物質(zhì)能發(fā)電為9MW，約占崇明島域總負(fù)荷（預(yù)測(cè)最高負(fù)荷為625MW）的40%；遠(yuǎn)期規(guī)劃（2020年）風(fēng)能發(fā)電為2 910MW（陸上風(fēng)電為460MW、海上風(fēng)電為2 450MW）、潮汐能發(fā)電為240MW、光伏風(fēng)電為105MW、生物質(zhì)能發(fā)電為12MW，約占全島域飽和負(fù)荷1.2GW的270%。對(duì)于分布式電源的大量接入，勢(shì)必會(huì)對(duì)崇明島域的電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)影響，為此有必要研究分布式電源接入崇明電網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響，尤其是如何加大治理入網(wǎng)后的電網(wǎng)諧波問(wèn)題。

1 分布式電源的特點(diǎn)

分布式發(fā)電（DG）是指為滿足終端客戶的特殊需求、接在客戶側(cè)附近的小型發(fā)電系統(tǒng)。分布式電源（DR）是指分布式發(fā)電與儲(chǔ)能裝置的聯(lián)合系統(tǒng)，而將分布式能源在內(nèi)的電力系統(tǒng)稱為分布式能源電力系統(tǒng)［1］。當(dāng)分布式發(fā)電采用并網(wǎng)方式時(shí)，一般不需要儲(chǔ)能系統(tǒng)，分布式電源也就等同于分布式發(fā)電。大量的分布式電源接入崇明電力系統(tǒng)，構(gòu)成了典型的分布式能源電力系統(tǒng)。

1.1 公共接入點(diǎn)

1）380V陳家鎮(zhèn)某辦公樓宇光伏場(chǎng) 通過(guò)切換開(kāi)關(guān)接入供電客戶，同時(shí)通過(guò)10kV配變與電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)。光伏場(chǎng)電源與電網(wǎng)電源作為客戶的雙電源供電模式，光伏場(chǎng)電源為常用電源，電網(wǎng)電源作為客戶的備用電源，常用電源與備用電源可通過(guò)手動(dòng)或備自投裝置實(shí)現(xiàn)供電切換，該光伏場(chǎng)的發(fā)電電量不上網(wǎng)。

2）10kV前衛(wèi)光伏場(chǎng) 通過(guò)10kV衛(wèi)1光伏場(chǎng)專線接入35kV前衛(wèi)變電站的10kV一段母線，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，額定容量為1.042MW。

3）35kV前哨風(fēng)電場(chǎng) 通過(guò)35kV風(fēng)哨377、風(fēng)哨378專線分別接入前哨變電站35kV一段、二段母線，而后實(shí)現(xiàn)與220kV陳家鎮(zhèn)變電站的聯(lián)網(wǎng)。風(fēng)機(jī)共有13臺(tái)，單機(jī)容量為1.5MW，由德國(guó)GE公司生產(chǎn)，為4級(jí)雙饋發(fā)電機(jī)，總?cè)萘繛?9.5MW。

4）110kV前衛(wèi)風(fēng)電場(chǎng) 通過(guò)110kV中前1119專線接入220kV中雙港變電站的110kV三段母線，實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。風(fēng)機(jī)共有30臺(tái)，單機(jī)容量為2MW，雙饋發(fā)電機(jī)，由上海電氣風(fēng)電設(shè)備公司生產(chǎn)，總?cè)萘繛?0MW。風(fēng)電場(chǎng)35kV系統(tǒng)母線上同步投運(yùn)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置。

1.2 運(yùn)行特性

根據(jù)2012年1月4日采集的數(shù)據(jù)，從圖1、圖2可以看出，崇明島域內(nèi)的太陽(yáng)能與風(fēng)能資源利用率較好。盡管當(dāng)日光照強(qiáng)度不大，但光伏場(chǎng)發(fā)電有功出力仍可達(dá)到0.7MW，最大出力可達(dá)到額定發(fā)電容量的63.2%；在一般風(fēng)力下，前哨風(fēng)電有功出力可達(dá)到16.8MW，基本上可達(dá)到額定發(fā)電容量的86.2%；前衛(wèi)風(fēng)電場(chǎng)有功出力可達(dá)到45.3MW，接近設(shè)計(jì)容量的75.5%。

圖1 前衛(wèi)光伏場(chǎng)發(fā)電曲線

圖2 前哨和前衛(wèi)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電曲線

1.3 能源特點(diǎn)

分布式能源發(fā)電可促進(jìn)崇明島資源的節(jié)約利用，有利于崇明島域內(nèi)的環(huán)境保護(hù)，在局部時(shí)段島域內(nèi)可實(shí)現(xiàn)碳的“零”排放。同時(shí)，分布式電源的發(fā)展，也有利于提高崇明電網(wǎng)的安全供電。發(fā)展分布式能源具有良好的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、節(jié)能性、安全性和可靠性。截至2011年年底，崇明電網(wǎng)中的分布式能源已經(jīng)達(dá)到80.54MW，占2011年度崇明電網(wǎng)最高負(fù)荷308MW的26.1%。2012年預(yù)計(jì)再新增風(fēng)電裝機(jī)容量40MW。

2 分布式電源的諧波分析

2.1 治理諧波的重要性

分布式發(fā)電一般以同步發(fā)電機(jī)、異步發(fā)電機(jī)或電力電子逆變器等3種方式并網(wǎng)［2］。光伏場(chǎng)接入系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，采用電力電子逆變器技術(shù)實(shí)現(xiàn)與系統(tǒng)的并網(wǎng)，勢(shì)必對(duì)電網(wǎng)和供電客戶產(chǎn)生諧波污染。而變速風(fēng)電機(jī)的變流器始終處于工作狀態(tài)，將產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波電流的大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，也就是與風(fēng)速大小有關(guān)。在正常運(yùn)行狀態(tài)下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的結(jié)構(gòu)及其濾波裝置狀況，同時(shí)與電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。因此，對(duì)電網(wǎng)中主要母線的諧波影響評(píng)價(jià)是十分必要的［3］。

2.2 諧波電流的允許值

風(fēng)電場(chǎng)注入電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)的各次諧波電流，應(yīng)滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB／T 14549—93）要求，并按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的方法，根據(jù)公共連接點(diǎn)的最小短路容量、供電設(shè)備容量以及分析風(fēng)電機(jī)組向公共連接點(diǎn)注人諧波電流的估算及用電協(xié)議容量進(jìn)行換算。

表1 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值

2.3 諧波電流的測(cè)量分析

2011年9月2日10：45至翌日10：45，在前衛(wèi)變電站35kV側(cè)，衛(wèi)1光伏場(chǎng)輸電線回路使用FLUKE1760電能質(zhì)量分析儀對(duì)前衛(wèi)太陽(yáng)能光伏場(chǎng)進(jìn)行在線測(cè)量。測(cè)得前衛(wèi)變電站10kV一段母線最小短路容量為47MVA，客戶協(xié)議容量為1.042MW，諧波電壓總畸變率統(tǒng)計(jì)匯總?cè)绫?所示。

由表2可看出，光伏場(chǎng)引起的電壓諧波畸變率（THD）95%概率值達(dá)到了1.36%，但是未超出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)4%的限制。從表3可看出各次諧波電壓中以3，5，7，11次較大。從表4可看出，電流諧波主要含有3，5，7，11次等低次諧波，其中，以5次諧波最為明顯。

表2 諧波電壓總畸變率%

表3 A相諧波電壓含有率%

表4 A相諧波電流值A(chǔ)

2011年12月20日至30日，利用安裝在中前1119線回路中的PQM303A型電能質(zhì)量在線測(cè)量裝置，通過(guò)使用廣州領(lǐng)步電氣技術(shù)有限公司的PQMCSV5軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，中雙港站110 kV三段母線最小短路容量取400MVA，諧波電壓主要為3，5，7，11，13次，參見(jiàn)表5。諧波電流成分主要為2，3，5，13次，參見(jiàn)表6。諧波電壓最大畸變率為1.56%，目前滿足4%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，參見(jiàn)表7。

對(duì)上述案例中的數(shù)據(jù)，利用Ih＝IGB（Sr／SJ）和Ihi＝Ih（Ii／It）1／a［4］進(jìn)行回歸計(jì)算，電流中的實(shí)際各次諧波電流含量均小于國(guó)家規(guī)定的限值（見(jiàn)表4、表6），符合接入電網(wǎng)要求。

表5 A相諧波電壓含有率%

表6 A相諧波電流值A(chǔ)

表7 諧波電壓總畸變率%

文獻(xiàn)［6］對(duì)四款風(fēng)電機(jī)組A為750kW定槳失速型機(jī)組；B為2MW變速恒頻全饋機(jī)組；C為2.5MW變速恒頻雙饋機(jī)組；D為運(yùn)達(dá)（WD77－1500A／1.5MW）變速恒頻雙饋機(jī)組的電能測(cè)試報(bào)告進(jìn)行分析和比較，結(jié)果是機(jī)組的類型對(duì)諧波的輸出不起到?jīng)Q定性的作用?？梢缘贸雠c前衛(wèi)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組容量不一致，但型號(hào)一致的前哨風(fēng)電場(chǎng)同樣符合接入電網(wǎng)的要求。

3 諧波的危害

目前，崇明電網(wǎng)中的變電站已趨于無(wú)人值守，而諧波最直觀的危害是對(duì)變電站內(nèi)電力設(shè)備保護(hù)裝置的影響，特別是具有低電壓功能的保護(hù)裝置，容易引發(fā)誤動(dòng)作。例如：某變電站10kV二段母線上的站用變，經(jīng)常報(bào)站用電失電告警，卻在30s內(nèi)恢復(fù)正常，僅2011年8月份統(tǒng)計(jì)，報(bào)站用電失電告警共計(jì)1 289次，出現(xiàn)的時(shí)間段為22：00至5：00。由于該站為無(wú)人值守站，給調(diào)度值班人員和繼保檢修人員的工作，帶來(lái)了巨大的壓力，干擾了電力生產(chǎn)的正常秩序。在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)告警的電壓繼電器進(jìn)行了多次試驗(yàn)后，排除了繼電器故障的可能。為此，通過(guò)FLUKE 1760電能質(zhì)量分析儀在線監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)一專供大客戶的5次諧波電壓和11次諧波電流嚴(yán)重超標(biāo)，分別達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)限值的3.4倍及4.2倍，其他次數(shù)的諧波也發(fā)生了不同程度的超標(biāo)。

諧波會(huì)使某些電能計(jì)量數(shù)值發(fā)生異常。電能計(jì)量數(shù)據(jù)是發(fā)電企業(yè)、輸配電企業(yè)、電力客戶之間進(jìn)行貿(mào)易結(jié)算的依據(jù)，計(jì)量數(shù)值的準(zhǔn)確與否，直接影響到三者的利益以及交易的合理性［7］。一旦發(fā)生因電網(wǎng)諧波引起計(jì)量數(shù)值異常，將會(huì)給供電企業(yè)帶來(lái)難以估量的社會(huì)負(fù)面影響，以及由此帶來(lái)的索賠等經(jīng)濟(jì)損失，必須高度予以重視。

4 治理諧波措施

1）采用電力有源濾波器 在運(yùn)行中直接與諧波源并聯(lián)，除起到濾波外還兼顧無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖饔?。濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便。由于風(fēng)電機(jī)組隨著電子技術(shù)的日漸成熟，電力有源濾波器是治理污染的有效工具，也是目前解決電能質(zhì)量污染的有效措施［8］。

2）采用高次濾波器 對(duì)于整流和換流設(shè)備，可以增加可控硅變換裝置脈沖數(shù)。利用2臺(tái)繞組接法不同（Y，y和Y，d）的變壓器二次側(cè)相差為30°的原理，將2臺(tái)三相6脈沖全波換流器分別接入上述2臺(tái)不同接線方式的變壓器，可以減少高次濾波器的投資。

3）采用高電壓等級(jí)或?qū)＞€供電 完善供電系統(tǒng)的允許方式，盡可能地保持三相負(fù)荷電流的平衡，運(yùn)行中盡量減少變壓器空載，改善電網(wǎng)電壓質(zhì)量，避免運(yùn)行電壓過(guò)高。在存在較大容量的諧波源負(fù)荷的情況下，可以采用提高電壓等級(jí)或?qū)＞€供電的措施。

4）采用優(yōu)良的變流器與發(fā)電機(jī) 選擇合理的變流器和運(yùn)行特性優(yōu)良的風(fēng)機(jī)，而不是選擇風(fēng)電機(jī)組的類型。比起全饋或雙饋式機(jī)組對(duì)諧波指標(biāo)的影響，更加重要的是機(jī)組選用的變流器與發(fā)電機(jī)的特性。

5）采用無(wú)功補(bǔ)償裝置 風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)時(shí)，同步投運(yùn)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVG）等無(wú)功補(bǔ)償裝置。大容量的風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)，需要安裝一定容量的無(wú)功補(bǔ)償裝置，如僅安裝普通的電容器組，則對(duì)風(fēng)電場(chǎng)提供電網(wǎng)的諧波起到了放大效應(yīng)，而SVG能起到補(bǔ)償作用，又能起到抑制諧波的功效。

5 結(jié)論

光伏場(chǎng)和風(fēng)電場(chǎng)接入崇明電網(wǎng)后，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波分量。在電流中諧波分量主要是3，5，7，11，13次諧波，其中最大的諧波電流是5次諧波。測(cè)試結(jié)果表明，目前諧波分量符合國(guó)家規(guī)定的限值。分布式電源并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，并網(wǎng)點(diǎn)的各等級(jí)母線發(fā)生了一定的電壓畸變，但畸變率在國(guó)家規(guī)定的允許范圍內(nèi)。另外，通過(guò)在風(fēng)電場(chǎng)35kV母線連接點(diǎn)處加裝SVG，在抑制諧波的同時(shí)也有效地降低了風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的諧波注入量。

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