光伏電站電能質量評估及諧波治理研究

夏巨龍

（湖南動力源電力勘測設計有限公司，湖南 長沙 410021）

0 引 言

隨著全球經濟的快速發展和傳統石化能源的日趨衰竭，以太陽能光伏、水力、風能、生物質等技術含量較高的可再生新能源產業的開發和利用，成為世界各國重要的能源戰略[1]。據國家能源局統計，截至2020年底，我國可再生能源發電裝機達到9.34×108kW，同比增長約17.5%。其中，水電裝機3.7×108kW（其中抽水蓄能3.149×107kW），風電裝機2.8×108kW、光伏發電裝機2.53×108kW，生物質發電裝機2.952×107kW。太陽能光伏發電裝機容量的年增長速度一直位居前列，預計我國“十四五”期間年新增裝機容量將在70～90 GW內。隨著光伏發電規模不斷擴大，其對接入電網系統的影響越來越得到重視。以電力電子裝置作為能量轉換的太陽能光伏發電系統，電力電子裝置產生的諧波對光伏并網系統的電能質量帶來了較大影響[2-4]。

本文以湖南省常德市特養場100 MW光伏電站項目為設計案例，主要從電力接入系統、諧波電壓電流限值與現狀、諧波計算網絡建模以及濾波器配置方案等幾個方面進行分析，確定本光伏電站的諧波治理方案，確保光伏電站電能質量滿足國家標準和電網公司接入要求。

1 電力接入系統

鼎城區電網擁有220 kV公用變1座（鐵山），主變容量為300 MVA，擁有110 kV公用變7座，主變容量為377.5 MVA，擁有110 kV線路12條，長度為186.5 km，擁有35 kV公用變10座，主變容量為122 MVA，此外擁有35 kV線路19條，長度為245.7 km。

特養場光伏電站項目附近有斷港頭110 kV變電站（2×31.5 MVA）、白鶴山110 kV變電站（1×50 MVA）、祝豐110 kV變電站（2×320 MVA）以及同心220 kV變電站（1×180 MVA）等幾個就近系統變電站，還有斷港頭～浮橋110 kV線路、斷港頭～白鶴山110 kV線路以及斷港頭～祝豐110 kV線路3條110 kV架空線路，具體如圖1所示。

圖1 接入系統示意圖

從送出可靠性、遠景適應性、運行靈活性以及系統潮流分布和經濟性等多方面比較，特養場光伏電站以一回110 kV線路T接至斷港頭～浮橋110 kV線路上電能損失費用最低、實施及過渡容易，作為本光伏電站項目的推薦電力接入系統方案。

2 諧波電壓電流限值及現狀

2.1 計算基準和諧波電壓限制

本項目電網公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）為浮橋220 kV變電站或斷港頭110 kV變電站的110 kV母線，其最小運行方式下的母線短路容量分別為1 608 MVA和882 MVA[5-7]。根據《電能質量公用電網諧波》(GB/T 14549-93)規定，公用網諧波電壓限制如表1所示。

表1 公用網諧波電壓限值

浮橋和太子廟兩座220 kV變電站的背景諧波分別如表2和表3所示，其中浮橋、太子廟變電站的220 kV母線諧波電壓總畸變率分別為0.73%和0.66%。為校核光伏電站對系統的影響，取諧波電壓總畸變率大的浮橋變電站的背景諧波作為同型220 kV變的背景諧波。

表2 浮橋220 kV變電站的諧波電壓總畸變率現狀

表3 太子廟220 kV變電站的諧波電壓總畸變率現狀

2.2 總諧波電流限值

根據《電能質量：公用電網諧波》技術要求，110 kV對應基準容量750 MVA下各次諧波電流允許值見GB/T 14549—1993表2中給出的各次諧波電流限值[8]。實際變電站諧波電流允許值按系統實際的最小短路容量進行換算，即：

式中，Sk1為公共連接點的最小短路容量，單位為MVA；Sk2為基準短路容量，單位為MVA；Ihp為基準短路容量對應第h次諧波電流允許值，單位為A；Ih為短路容量為Sk1時的第h次諧波電流允許值，單位為A。

特養場光伏電站注入系統變電站（浮橋或斷港頭變）的各諧波電流允許值計算為：

式中，Si為特養場光伏電站用戶的用電協議容量，單位為MVA；ST為公共連接點的總供電容量，單位為MVA；Ihi為特養場光伏電站用戶對應第h次諧波電流允許值，單位為A；a為相位迭加系數。

考慮特養場光伏電站的協議容量、浮橋變電站的主變容量或斷港頭變電站的主變容量及PCC點轉供容量，分別計算浮橋PCC點和斷港頭PCC點總供電容量。特養場光伏電站的協議容量為100 MVA，浮橋220 kV變電站的主變容量為360 MVA，斷港頭110 kV變電站的主變容量為2×31.5 MVA，PCC點總的供電容量分別為360 MVA和90 MVA。計算得特養場光伏電站注入浮橋220 kV和斷港頭110 kV變諧波電流限值見表4和表5，可知光伏電站送至斷港頭110 kV變考核條件更為嚴格，故光伏電站電能質量按送斷港頭變進行計算。

表4 特養場光伏電站注入浮橋220 kV變諧波電流限值

表5 特養場光伏電站注入斷港頭110 kV變諧波電流限值

3 諧波計算網絡建模及分析

對于光伏電站，諧波的產生主要是來自逆變器。在諧波計算過程中，根據逆變器廠家提供的諧波含有率建立諧波源模型。特養場光伏電站裝機容量為100 MW（5×19.86 MW），分成5組，每組均為19.86 MW。在諧波計算時，光伏電站按50%出力和100%出力2種情況考慮，電站注入斷港頭變110 kV母線的諧波電流見表6和表7。

表6 電站50%出力時，電站注入斷港頭變110 kV母線的諧波電流

表7 電站100%出力時，電站注入斷港頭變110 kV母線的諧波電流

當光伏電站按50%出力運行時，7次和11次諧波電流為4.20 A和4.10 A，超過了4.12 A和3.02 A的國標限值，5次、13次、17次以及19次諧波電流較大，分別為3.90 A、2.60 A、1.20 A以及1.10 A。當光伏電站按100%出力運行時，7次諧波電流為5.50 A，超過了4.12 A的國標限值，5次、11次以及13次諧波電流較大，分別為4.10 A、1.80 A以及2.30 A。故建議光伏電站采取濾波措施，用于濾除5次、7次、11次、13次、17次以及19次等諧波電流，使得光伏電站產生的諧波電流在各運行情況下均滿足國標要求。

4 濾波器配置方案

根據接入系統報告，光伏升壓站建議裝設容量為20 Mvar的容性無功補償裝置和10 Mvar的感性無功補償。無功補償裝置可采用9+11 Mvar（FC+SVG）方案，根據單調諧波濾波器的要求滿足nXL=Xc/n，則可以濾除n次諧波。其中XL為串聯電抗器基波電抗，Xc為并聯電容器基波容抗，n為諧波次數。

滿足上述配置的單調諧濾波器組對各次諧波達到最好的濾波效果[9,10]。由于特養場光伏電站產生的非線性負荷以5次、7次、11次、13次、17次以及19次等諧波電流為主，建議配置兩組單調諧濾波電容器FC，分別是5 Mvar的5次諧波濾波器和4 Mvar的7次諧波濾波器。考慮設備參數的誤差，為保證失諧情況下仍具有最佳的濾波效果，在實際情況中還需調整濾波器參數，仿真驗證計算結果見表8和表9。

表8 電站50%出力時，電站注入斷港頭變110 kV母線的諧波電流

表9 電站100%出力時，電站注入斷港頭變110 kV母線的諧波電流

在本次計算中，配置一組5 Mvar的5次單調諧濾波器、一組4 Mvar的7次單調諧濾波器，集中安裝在光伏電站升壓站的35 kV母線側。光伏電站在配置5次和7次單調諧濾波器后，5次、7次、11次、13次、17次以及19次等諧波電流得到顯著下降，各種運行方式下的各次諧波電流都能滿足國標要求。

5 結 論

諧波會對光伏電站內電氣設備造成一定的危害，并影響到發電、輸電、配電以及用電等各個電網運行環節，故及時消除諧波對保持電網穩定性具有重要意義。本文通過在光伏電站35 kV母線上配置5次和7次單調諧濾波器后，有效地濾除了各次超標諧波電流，并低于相應的國標限值。本項目已并網發電，通過并網后的電能質量在線監測，無諧波超限的情況發生，故采用增加單調諧濾波器對濾出諧波具有理論和現實意義。