小型屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)的諧波分析＊

王建秋， 廖華， 李景天， 李石周， 謝明達(dá)

（云南師范大學(xué) 太陽能研究所，教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650092）

1 引 言

隨著國家對(duì)太陽能利用的日益重視，如何更好地開發(fā)和利用太陽能成為新能源發(fā)展戰(zhàn)略的趨勢之一［1］.光伏與建筑一體化系統(tǒng)是近十多年來在城市中推廣應(yīng)用的一個(gè)重要太陽能發(fā)電項(xiàng)目.建筑物能為光伏系統(tǒng)提供足夠的面積和良好的光照條件，不需要占用土地面積.就地取材就地使用的模式與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，避免了傳輸和配電過程中的電能損失，大大降低了傳輸和配電過程的投資和維護(hù)成本，更容易被用戶所接受.

在理想的情況下，電力系統(tǒng)向用戶供應(yīng)的是具有標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的電壓；但在實(shí)際中，所提供的電壓波形會(huì)由于一些原因而偏離正弦波形，產(chǎn)生諧波.我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率（在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率）整數(shù)倍的正弦波分量，稱為高次諧波.產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備（又稱為非線性負(fù)荷）供電的結(jié)果.這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波，導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電力質(zhì)量變壞.因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一.其產(chǎn)生的危害主要有：（1）諧波電流會(huì)增加變壓器的內(nèi)部器件損耗，例如銅損和鐵損，直接影響著變壓器的使用容量和壽命.（2）導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)受損，由于三次諧波的特殊性，在中性線上疊加后產(chǎn)生了較高的諧波電流和諧波電壓.顯然高次諧波電流的存在使線路外表面電流密度加大，從而導(dǎo)致傳輸系統(tǒng)發(fā)熱.（3）一些電子設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量要求較高，工作時(shí)都處于低電壓水平，就很容易受到諧波的干擾而影響使用效果等.所以，必須把電壓諧波與電流諧波控制在一定的范圍內(nèi)，盡量降低諧波畸變率.本文通過測試?yán)ッ魇幸粋€(gè)小型屋頂光伏系統(tǒng)的輸出數(shù)據(jù)，對(duì)其諧波進(jìn)行了分析研究，并與國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了對(duì)比.

2 光伏系統(tǒng)概況

該屋頂光伏系統(tǒng)安裝在昆明市，其緯度（φ）為25°12′，斜面日均輻射量約為15 333kJ／m2，日輻射量（Ht）為14 194kJ／m2，其最佳傾角為φ＋0°［2］.采用的是4×9片晶體硅太陽電池組件，系統(tǒng)的安裝總?cè)萘繛?.02kWp，其結(jié)構(gòu)簡圖如下：

圖1 屋頂光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.1 The structure diagram of rooftop PV system

光伏系統(tǒng)的主要組成部分有1太陽能電池方陣，2阻塞二極管，3控制器，4逆變器，5并網(wǎng)控制器，6電量計(jì)算裝置，7公用電網(wǎng)，8蓄電池組，9直流負(fù)載，10交流負(fù)載［3］.該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是：與公用電網(wǎng)緊密相連，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接向電網(wǎng)供電.本文對(duì)該屋頂光伏系統(tǒng)的電能質(zhì)量進(jìn)行測試、分析研究，對(duì)表示電能質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)——諧波進(jìn)行了測試及計(jì)算.并研究了該系統(tǒng)的電壓諧波和電流諧波，計(jì)算其電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率.

3 系統(tǒng)測試及分析

3.1 電壓諧波測試及分析

表1為該系統(tǒng)的19次諧波電壓測量結(jié)果，其中基波電壓V1為247.5V.測試頻率為50Hz.在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在.

表1 屋頂光伏系統(tǒng)各次諧波電壓（相電壓）Table 1 The harmonic voltage of rooftop PV system

h次諧波電壓含有率HRVh［4］：

式中Vh—第h次諧波電壓；V1—基波電壓.

根據(jù)上式計(jì)算得到表2，其中HRV1為100%.

表2 屋頂光伏系統(tǒng)各次諧波電壓含有率（HRVh）Table 2 The harmonic voltage containing rate of rooftop PV system（HRVh）

此系統(tǒng)的系統(tǒng)頻率為50Hz，電壓V1在230V附近，根據(jù)《GB／T24337—2009電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)間諧波》［4］中諧波電壓含有率與間諧波次數(shù)關(guān)系數(shù)值表，參照電網(wǎng)標(biāo)稱電壓奇次諧波電壓含有率低于4.0%，偶次諧波電壓含有率低于2.0%.電壓總諧波畸變率要求低于5.0%.與表2里的HRVh相比較，除了3次諧波以外，均低于國家標(biāo)準(zhǔn).

電壓總諧波畸變率THDV：

式中VH為諧波電壓含量，其計(jì)算式為：

3.2 電流諧波測試及分析

由于諧波滿足傅立葉級(jí)數(shù)的原理，周期函數(shù)都可以展開為常數(shù)與一組具有共同周期的正弦函數(shù)和余弦函數(shù)之和.本次測量選用的頻率為50Hz，就可以得到周期函數(shù)f（t），而在測試點(diǎn)，就可以用下式來表示：

其中

在間斷點(diǎn)處，可以推出

即為f（t）的直流分量.

令

當(dāng)n＝1時(shí)，C1為基波幅值，依次類推.

以下是對(duì)應(yīng)表1的19次諧波電流，其中I1為7.11A.

表3 屋頂光伏系統(tǒng)各次諧波電流Table 3 The harmonic current of rooftop PV system

與《GB／T14549—1994電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》［5］的諧波標(biāo)準(zhǔn)允許值對(duì)比，該光伏系統(tǒng)的諧波電流符合國家標(biāo)準(zhǔn).

其中，第h次諧波電流含有率HRIh：

式中Ih—第h次諧波電流；I1—基波電流.

根據(jù)上面的公式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到表4

表4 屋頂光伏系統(tǒng)各次諧波電流含有率Table 4 The harmonic current containing rate of rooftop PV system

套用電壓含有率的分析方法，計(jì)算電流總諧波畸變.

電流總諧波畸變率THDi：

式中IH為諧波電流含量，其計(jì)算式為：

4 結(jié) 論

經(jīng)過上述測試分析，獲得如下結(jié)論：

該屋頂光伏系統(tǒng)的總諧波電壓含有量基本符合國家標(biāo)準(zhǔn)；

3次諧波電壓含有率5.404%高于標(biāo)準(zhǔn)值（4%），說明該系統(tǒng)在處理該次諧波方面還有欠缺；

諧波電流符合國家標(biāo)準(zhǔn).電壓總諧波畸變率（THDV）與電流總諧波畸變率（THDi）分別為5.435%與5.867%，略微大于國家標(biāo)準(zhǔn)（5%）.

該屋頂光伏系統(tǒng)在諧波處理方面還存在一定問題需要解決.

［1］孫啟利，胡志華，廖華，等.HIT太陽電能研究現(xiàn)狀［J］.云南師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，32（2）：35－38.

［2］周志敏，紀(jì)愛華.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］劉鑒民.太陽能利用原理—技術(shù)—工程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［4］國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T24337－2009，電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)間諧波［S］.2009.

［5］國家標(biāo)準(zhǔn) GB／T14549－1994，電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波［S］.1994.