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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18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 要在传统电网建设中，随着当代人日益增长的电力需求，电网的建设周期越来越长，投资规模也日益增加，其可靠性则是提出了更高的要求。因此，分布式电源接入电网的形式逐渐成为一种电网建设的主流趋势。例如，新能源中的光伏发电与风力发电都是新能源中常见的分布式电源。但是由于风力以及太阳能是具有自然属性的能源，其随机性
2、较强，因此该类能源所输出的电能也是随机变化的能源之一，因此这类能源所产生的电能并入电网后会产生一系列电能质量问题。故本文针对此类问题，着手于新能源电源的谐波畸变、三相电力不平衡等问题展开讨论，并且提出一定的解决方案，以求对于分布式电源的发展提供一定的思路。关键词：谐波治理；分布式电源；新能源一、 研究的背景与意义从传统意义讲，新能源分布式发电一般包含染料电池、微型燃气轮机、风力发电装置以及光伏发电装置等。其优势在于灵活性以及可靠性，同时由于属于新能源发电其经济性也得到了一定的提升，故分布式发电装置一般配属在分布式负荷附近，特殊情况则直接并入电网。其劣势在于，单机发电规模通常远小于传统发电，容量
3、一般介于10KW到70MW之间1。我国现行的主流技术方面来说，分布式电源一般通过特定的电力电子器件并入电网，但是由于该类器件的关断频率较高，在向电网输送电能的同时，也注入了谐电波电流。因此在分布式电源并网前需要对于谐波进行整定。例如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，通常新能源分布式电源包含光伏发电组件、风力发电组件、生物发电组件以及燃料电池等，这些电源共同的特
4、点是无法直接输入工频电压，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2。在理论上来说，所谓的交流电力信号是指频率固定的完美正弦信号。但是由于现实中受到各种因素的影响，电力公司很难保证输出的电力信号处于完美状态，其实际输出的电压、电流通常会存在一定偏差，这也就是理论上所说的谐波畸变3。由于传统电力设备比较简单，设计之初通常采用线性期间，因此对于 整个用电设备来说，谐波问题影响并不严重。可是随着近些年智能设备的崛起，这些用电装置通常包含大量的非线性电子器件，这类器件对
5、于供电设施的电力质量要求普遍较高，故减少电力系统谐波畸变也成为当今电力系统中的一个重要课题4。由于新能源发电属于借助一定的自然资源进行发电，而由于自然资源自身的随机性，故新能源电源输出的电力资源通常并非50HZ的交流电，例如风力发电机组有时会输出高达数千赫兹的交流电而光伏发电通常输出为直流电。因此这些分布式电源所产生的电能必须经过特定的整流装置才能送入电网，否则是降低类输电网络中的电能质量，甚至会威胁到用户的用电安全。5二、 分布式电源2.1 风力发电风力发电机组通常由风力机和发电机两个部分组成。其原理在于利用风速产生的风力作用与风力机的叶片上，产生转矩驱动轮毂，同时通过齿轮箱以及刹车盘等相关
6、装置与异步电机的转子相连，从而产生电能。我国常用的风力式分布电源单个机组容量通常在几百瓦到几十千瓦之间，而组装机组的分布式电源则在100KW到70MW之间。风力发电的优势在于其发电过程中产生污染较小，同时由于我国大部分地区风力资源丰富，因此风力发电在我国应用范围较为广阔。同时风力发电的主要缺陷在于收气候影响较大，安装以及维护成本较高同时由于风力发电随机性太强，可能会导致电网稳定性变差。其拓扑结构如图2-1所示：图2-1 风力发电并网系统结构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。现阶段我国主要的太阳能
7、发电技术由两类组成即：太阳能发热发电以及太阳能光伏发电。其中太阳能光伏发电属于国际上的主流太阳能发电方式，其技术以德国为代表表现的颇为成熟。其容量范围最为广阔，通常可以在3w到900kw之间自由变动。传统的光伏发电系统组成通常包含太阳能电池板、蓄电池、逆变器、控制器等相关设备组成，其原理为利用半导体材料将太阳能直接转化为电能。其优势在于规模灵活、受地域限制较小、维护成本较低等。但是由于受光照影响严重，因此该类分布式电源的缺陷体现在输出受到季节以及气候影响，与用户需求相左（例如连续阴雨天气不能持续发电此时用户更为需要电能照明或者取暖），同时由于我国现阶段研究能力有限，核心技术并不成熟，因此该项技
8、术大多对于进口需求较高，故其投资成本出于较高水平。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 燃料电池燃料电池发电的本质是将化学能转化为电能的一种分布式发电方式，与风力以及光伏发电不同之处在于，该类发电属于不可再生能源发电，其发电容量范围通常在10KW道70MW之间。我国现阶段常见的燃料电池的主要燃料为氨气，利用氨气与氧气结合产生直流电。故燃料式分布电源与光伏电源组成类似，需要通过逆变装置才能完成并网任务。同传统发电相比，燃料电池发电的优势在于污染小、能源利用率高；同光伏以及风力发电相比燃料电池的优势在于功率输出相对平稳但是由于其化学能本身限制，该类分布式电源存在安全隐患较大
9、。其结构如图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的工作原理与传统发电机组相同，都是用过燃烧煤炭或者天然气等可燃物推动涡轮转动发出高频交流点，然后通过变频器将其转化为可用电能。而由于其容量通常在几百千瓦之下，故称奇为微型燃气轮机。该种分布式电源的最大优势在于体积小、发电效率高维护成本低。但是由于发动原理为燃烧不可再生能源，其污染相比于前面三种更为严重。另一方面来说，由于我国火力发电技术较为成熟，因此这种微型燃气轮机发电技术也是我国最为成熟的分布式发电技术，在我国也是应用最为广泛的分布式发电技术，其并网系统原理如图2-4所示：图2-4 微型燃气轮机并网系统结构
10、分布式电源的接入，改变了我国原有电网的潮流分布，同时也对于我国电网的电压、线损、电能质量等方面提出更为严格的要求。其中整治电网中的谐波就是较为重要的一项课题。近些年来，随着分布式电力技术的发展，分布式电源的种类也逐渐向多元化发展，在其为我国电网提供大量电能的同时，也为我国电网的稳定性提出了巨大的挑战。故如何将复杂的分布式电源接入电网同时保证用电质量也成为了我国电网现阶段急需解决的问题。而解决这一问题的最为简洁的途径则在于 严格控制分布式电源的发电质量。而衡量一个电源的发电质量的重要指标之一就是谐波的处理，因此研究分布式电源对于电网谐波的影响意义重大。三、 分布式电源对电网谐波的影响分布式电源对
11、于电网运行的影响只要包含以下几个方面：1、对电压的影响。由于分布式电源的接入，其容量以及安装位置会影响到附近各个节点处的电压量，其不仅会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，同时也会降低馈线上的有功功率。此外其主要影响体现在两个方面即：(1)增大当地负荷的协调运行难度。分布式电源的有功功率输出量通常受到复杂的自然环境影响，随机性较大（如风力发电机组或光伏发电）。而这些随机因素并入电网后也会产生一定的影响，从而增加了当地负荷的协调运行难度。(2)电源输出量不稳定，在理论上讲，分布式电源的输出量通常是随着负荷上来而提升
12、，可是部分分布式电源受气候影响太大（如连续阴雨天气下，光伏发电机组），因此在负荷增加时会出现电源输出降低的情况，如果此过程中协调不当，必定使得系统电压产生较大波动。2、对损耗产生影响。由于分布式电源在负荷的附近进行介入，会影响到在用户附近的功率流通。其影响因素通常包含负荷容量、接入位置以及运行方式。 3、对故障电流产生影响。分布式电源在并网以后，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。4、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，并且由于受到生产工艺的影响，电子器件工作时出现电压波动
13、、三相不平衡以及电压偏差通常不可避免。 我国于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准6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234567891011120.3878643
14、96226441921162813643322134152411118.5167.112264013208.4156.46.85.19.34.3351527.7125.18.83.84.13.15.62.672.516138.1135.49.34.14.33.35.92.7126129.66.09.66.06.83.03.22.44.32.0并网后的分布式电源，系统谐波影响因素通常包含接入位置、机组容量、以及分布式电源的类型。通常来说，如果分布式 电源的发电方式为同步或者异步电机，其谐波含量通常较小（如微型燃气轮机发电）。但是当分布式电源经过电子器件进行整定时，由于电子器件本事就是常见谐波源，
15、因此该类型的分布式电源还是会对电力系统造成谐波污染。另一方面，由于分布式电源并网后对于电网频率影响较小，通常极少参加系统的频率调节，因此在通常的含分布式电源的潮流计算中通常为了计算简单认为分布式电源运行在有用功率恒定的模式下，其无功功率由电源容量发电形式等影响因素确定。 通常分布式电源与电网接口有三种方式即异步发电机方式、同步发电机方式以及电力电子设备方式。本文以电力电子设备接口模型为例进行相关分析。在最为常见四种分布式电源中，燃料电池以及光伏发电通常来说系统产生的是直流电，需要用逆变装置将直流电转化为交流电才能完成并网，这也就所谓的DA转换；而微型燃起轮机发出的是高频交流电通常需要用变频器进
16、行转换才能接入电网。而分布式电源的稳态模型通常取决于接口所采用的控制策略，通常可以分为电流控制以及电压控制两大类别。电流控制通常是指通过变换装置控制并网输入的电流，在潮流计算中将分布式电源节点视为恒流源，即PI节点通常来说光伏发电系统以及蓄电池等直流电源通常视为PI节点；电压控制与电流控制则相反，通过变换装置控制并网输入的电压，保证电压恒定，因此在潮流计算中分布式电源通常视为恒压源，即PV节点，通常微型燃气轮机等交流发电系统视为PV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
17、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
18、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。五、结束语从能源角度讲，分布式电源接入大电网来说是一种有利的补充，也是我国电力发展的一个重要方向。但是大量分布式电源接入电网后，产生
19、的一系列问题也为电力工提出了新的挑战，如何在分布式电源接入电网的同时保证电力传输质量，是我国现阶段所有电力工作者面对的重要问题之一。故本从我国四种常见的分布式电源出发，通过研究这四种电源产生的谐波对于电网的影响，从而提出一系列解决方案。但是由于笔者能力有限，本次研究并未针对所有分布式电源，对于并不常见的分布式电源（如潮汐发电以及地热发电等发电方式）是否适用还待进一步研究。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(
20、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，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
21、导、提供无私帮助。另外要郑重感谢我的指导老师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，我的导师都非常细心、耐心地指导我，使得问题迎刃而解。在其的传授下，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。而其严谨的治学态度，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。再次向我的导师致以崇高的敬意。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。