电力电子化配电网分布式谐波治理及其稳定性分析

电力电子化配电网分布式谐波治理及其稳定性分析

朱锋  黄佳

山东泰开电力电子有限公司  山东泰安   271000

摘要:随着电力电子化配电网的快速发展，分布式能源接入成为不可避免的趋势，但也引发了谐波问题的日益突出。本文深入探讨了电力电子化配电网中的谐波问题，并提出了分布式谐波治理技术以及对系统稳定性的分析方法。针对电子设备引入的非线性元件和分布式能源接入导致的复杂谐波问题，探讨了主动滤波技术、无功补偿技术和谐波抑制器技术等谐波治理方法的原理和应用场景。同时，通过线性和非线性稳定性分析，深刻了解了谐波治理对系统动态特性的影响。

关键词： 电力电子化配电网；谐波治理；分布式能源

1电力电子化配电网谐波问题分析

1.1谐波产生机制

在电力电子化配电网中，谐波产生机制是引起电流和电压波形畸变的根本原因之一，电子器件，如整流器、逆变器等，引入非线性元件，导致电流和电压波形出现谐波成分，这主要包括整流器的换相过程、电容器充放电、逆变器的开关动作等，这些非线性元件导致了系统中包含多个频率的谐波成分，从而影响了电力系统的正常运行。

1.2谐波对电力系统的影响

谐波对电力系统产生广泛而深远的影响，谐波引起了电流和电压波形的失真，可能导致设备过载、损坏以及系统功率因数下降。谐波可能引起电能计量错误，从而影响电力计费的准确性。谐波还可能在系统中引发共振现象，增加系统的振荡风险，对稳定性产生负面影响。

1.3分布式能源引入对谐波问题的影响

随着分布式能源接入电力电子化配电网的逐渐增多，谐波问题变得更加复杂且显著，分布式能源系统中的逆变器和整流器等电子设备引入了额外的非线性元件，进一步加剧了谐波产生的复杂性。逆变器的开关过程和电能的交流到直流的转换都可能导致谐波的注入，分布式能源系统通常涉及多个并行运行的逆变器，其相互作用可能导致共振和交叉耦合的谐波效应，使谐波问题更加显著，不仅影响局部系统，还可能对周围电力网络造成扩散效应。
  2 分布式谐波治理技术

2.1主动滤波技术

主动滤波技术是一种先进的谐波治理方法，通过在电力电子装置中引入可控的电流源，主动地产生与谐波相位和幅值相反的电流，从而实现谐波的抵消。主动滤波器的核心原理是通过实时监测电网的谐波成分，然后采用逆相位的电流注入系统，使得谐波得以抵消或减小，这种方法能够在实时动态条件下进行谐波抑制，适用于电力电子化配电网中非线性和动态变化的负载。主动滤波器的控制策略主要包括谐波检测、电流注入和滤波器参数调整，通过传感器实时监测电网中的谐波水平，得到相应的谐波特征信息。根据监测结果，主动滤波器通过电流注入，生成与谐波相反的电流，实现谐波的主动抵消，滤波器的参数可以根据系统实时状态进行动态调整，以适应电网负载和谐波水平的变化。主动滤波技术的实现方式通常涉及先进的数字信号处理和实时控制算法，需要高性能的处理器和灵活的控制器，该技术的优势在于其对谐波的实时响应和高效抑制能力，为电力电子化配电网中分布式谐波治理提供了一种先进而可行的解决方案。

2.2无功补偿技术

静止无功补偿技术是一种通过电容器或电感器等静止元件的连接，以补偿系统中的无功功率，从而提高功率因数的技术。静止无功补偿装置能够在电力电子化配电网中稳定电压和电流，同时减少无功功率的流动。电容器通过存储和释放电能，电感器则通过储存和释放磁能，两者相结合可以实现对系统中无功功率的静止调节，这种技术主要适用于稳态条件下的无功补偿，对于电网中频繁变化的无功需求有一定局限性。相对于静止无功补偿，动态无功补偿技术更加灵活，能够实时响应系统动态变化，该技术主要通过电子器件，如静止无功发生器（SVG）或可控无功补偿器（STATCOM）等，实现对电力系统中无功功率的动态调节。

2.3 谐波抑制器技术

谐波抑制器是一种专门设计用于抑制电力系统中谐波的装置，其工作原理基于对特定频率谐波的实时监测和主动抑制。通常，谐波抑制器包括传感器、控制器和滤波装置，传感器用于监测电网中的谐波水平，将采集到的谐波信息传输给控制器，控制器根据监测结果生成对应的反谐波电流信号，并通过滤波装置将该信号注入电网中，与谐波相消或减小。这样，谐波抑制器通过实时响应谐波的变化，主动地抵消电网中的谐波成分，维护电网的谐波水平在可接受范围内。

谐波抑制器技术广泛应用于电力电子化配电网中，特别是在存在大量非线性负载和分布式能源系统的情况下。在工业生产中，大量非线性负载如变频器、电弧炉等引入了谐波，谐波抑制器可应用于工业电网，维护系统稳定性和设备正常运行。商业建筑中的电子设备和办公设备也可能引起谐波问题，谐波抑制器可用于减小电网中的谐波，保障建筑电力质量。配电网中大量分布式能源系统和电力电子设备的存在，谐波抑制器是确保系统谐波水平符合标准的关键技术，有助于提高电网的稳定性和可靠性。

3分布式谐波治理的系统稳定性分析

3.1谐波治理对系统动态特性的影响

谐波治理在电力电子化配电网中的实施直接影响系统的动态特性，其中系统的响应速度和稳定性是至关重要的方面。谐波治理技术，如主动滤波器和无功补偿装置，能够有效抑制谐波，改善电压和电流波形，特别是在面对负载变化和电力电子设备切换时。通过减小谐波对系统的影响，降低系统的振荡风险。在电力电子化配电网中，频繁的谐波可能引起系统的不稳定，谐波治理技术的应用能够有效减小这种不稳定性，通过降低电压和电流谐波，谐波治理有望提高系统的动态稳定性，减少电力电子设备切换引起的振荡。

3.2 稳定性分析方法

线性稳定性分析是一种常用的方法，用于评估系统在小扰动下的响应和稳定性，在谐波治理的背景下，线性稳定性分析通过建立系统的线性化模型，考察谐波治理对系统的稳定性产生的影响，这种方法涉及到系统的传递函数、特征值和频率响应等参数的计算，从而评估谐波治理技术对系统的频域和时域特性的影响。

与线性稳定性分析不同，非线性稳定性分析考虑系统在更大扰动下的行为。在电力电子化配电网中，系统常常面临非线性负载和设备的切换等复杂情境，非线性稳定性分析通过模拟系统的非线性特性，探讨在大幅度扰动下系统的稳定性，这包括了系统的极限环、周期轨迹和分岔现象等。对于谐波治理而言，非线性稳定性分析能够更全面地考虑系统的实际运行情况，帮助揭示谐波治理技术在复杂动态环境中的性能表现。

总结

电力电子化配电网中，分布式谐波治理技术对系统的谐波问题起着关键作用，谐波的产生机制包括电子设备引入的非线性元件，而分布式能源系统的接入更加复杂化了谐波问题。主动滤波技术通过实时监测谐波并主动抵消，无功补偿技术通过静止和动态手段调整无功功率，谐波抑制器技术通过实时反馈和抑制手段削减谐波，这些技术在谐波治理方面展现了出色的性能。通过线性和非线性稳定性分析方法，可以深入了解谐波治理对系统动态特性的影响，评估系统的稳定性，在整体上，分布式谐波治理技术在提高电力电子化配电网稳定性和可靠性方面具有巨大潜力，为实现高效能源分布和系统运行提供重要支持。

参考文献：

[1]王洪庆,王敬华,杜政奇. 基于分布式储能谐波阻抗调节的微网电压控制 [J]. 电力电子技术, 2023, 57 (12): 109-112.

[2]吕建勋. 电力电子化配电网分布式谐波治理及其稳定性分析[D]. 燕山大学, 2023. DOI:10.27440/d.cnki.gysdu.2023.001894.