关于小型水力发电系统的并网研究

【论文关键词】：水力发电;并网;谐波

【论文摘要】：随着我国的发展，能源危机成为制约我国经济发展的重要因素，可再生能源受到人们的重视，其中水力发电是人们利用最为广泛的可再生能源。文章针对水力发电系统逆变器的谐波污染，提出了治理措施。

前言

近年来，可再生能源并网发电技术成为研究热点。作为可再生能源发电系统中的关键环节，并网逆变器及其控制技术越来越受到关注。逆变器并网发电运行的主要控制问题是逆变器输出正弦波电流(即并网电流)控制技术，要求并网电流能实时跟踪电网电压频率、相位和并网容量给定的变化，且电流的总畸变失真要低，以减小对电网的谐波影响。其控制目标是实现正弦电流输出和相位控制，使逆变器工作在单位功率因数并网模式。
前的并网逆变器采用的功率开关器件多是IGBT，就可以实现很高的开关频率，一般开关频率为2kHz~15kHz。然而功率开关器件的高开通关断频率却会产生高次谐波，注入到电网中，产生谐波污染，这将对电网上的其他电磁敏感的设备产生干扰。所以我们就需要在电网和变流器之间接上谐波滤波器。
目前最常用的方法是在并网逆变器和交流电网之间串联输入电感来降低高次谐波的含量。但是当逆变器开关频率很高时，要想得到满意的滤波效果，就需要很大的电感值，从而花费过高，电感体积太大，并且大电感还将使得系统的动态响应变差。文章采用LCL滤波器来解决L滤波器所存在的问题。

一、水力发电系统简介

水力发电系统由发电机、AC/DC转换、PWM逆变器、LCL滤波器组成。发电机使用异步电机，异步电机并网发电是利用电网提供以同步转速转动的旋转磁场,在转差率为负值的工况下,其磁力矩与转速方向相反,力矩方向与转速方向相同,磁力矩作负功,机械力矩作正功(转化为电能),向电网输出电能。常用作发电的一般为三相鼠笼式异步电机,三相绕线式异步电机和单相电容式异步电机也可作为发电使用,但技术性指标差。电能经PWM逆变器后变为正弦调制波，这时的电能含有大量的高次谐波，为了减少谐波污染，加入LCL滤波器。

二、系统谐波危害

并网系统的电能质量主要取决于输出电流的质量，为了能够给电网提供高质量的电能，并网逆变器的电流控制发挥了重要的作用，因此，对并网发电用三相逆变器研究就显的尤为重要。
由于三相PWM逆变器具有功率因数高，效率高等诸多优点，因此在可再生能源的并网发电中得到广泛应用。但是三相PWM逆变器在其开关频率及开关频率的整数倍附近，产生的高次谐波注入到电网中，会产生谐波污染，这将对电网上的其他电磁敏感的设备产生干扰。
谐波对电力系统和其它用的设备可能带来非常严重的影响，主要危害可归纳为：
在电力危害方面：
（1）使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用频率增加电网损耗。零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波造成零线过热，甚至引发火灾。
（2）谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。
（3）谐波容易使电网与补偿电容器之间产生串联并联谐振，使谐振电流放大几倍甚至几十倍，造成过流，造成电容器以及与之相连的电抗器、电阻器的损坏。
（4）降低产生、传输和利用电能的效率。
在信号干扰方面：
（1）谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护的熔断器等。同时也会导致电气测量仪表计量不准确。
（2）谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的设备和系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。
所以，减轻直至消除这些危害，对于供电和用电设备的节能降耗，乃至于对整个能源利用率的提高，都具有极其重要的意义。由于LCL在抑制谐波方面具有的优点，因此研究LCL滤波器具有很重要的现实意义。

三、并网逆变器矢量控制

控制电路的目的就是控制并网逆变器六个开关管的通断，产生与正弦波等效的一系列等幅不等宽的矩形脉冲波形，等效的原则是每一区间的面积相等。如果把一个正弦半波分作n等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴所包围的面积都用一个与此面积相等的等高矩形脉冲来代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合，而宽度是按正弦规律变化。这样，由n个等幅而不等宽的矩形脉冲所组成的波形就与正弦半周等效。同样，正弦波负半周也可用相同方法与一系列负脉冲波来等效。

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