光伏電站接入電網前諧波評估及治理分析

國網湖北省電力有限公司武漢供電公司 余 俊

為應對全球化氣候變化，2020年9月22日習近平主席在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上宣布，中國將力爭于2030年前實現碳達峰，努力爭取2060年前實現碳中和。構建以可再生新能源為主體的新型電力系統是實現“雙碳”戰略目標的重要舉措，也是應對全球化石能源枯竭的關鍵策略[1]，構建以新能源為主體的新型電力系統是電力行業轉型升級的內在要求。近年來，隨著電力電子技術、控制技術、數字挖掘與分析技術等的廣泛應用，我國新能源發電滲透率快速提高，同時儲能、電動汽車規模不斷擴大，使得電網結構更為復雜、電網運行機理更難以掌握。

隨著光伏、風電為代表的可再生新能源滲透率不斷提高，伴隨著海量電力電子器件接入系統，使得電網電能質量更受關注，特別是諧波、電壓暫降等問題。光伏、風電等可再生新能源自生出力的間歇性和不確定性，進一步加劇電網電能質量問題[2-4]。以光伏發電為例，可采用分布式、集中式等方式發電，光伏PV 板基于光生伏打效應將太陽能轉換低壓直流電，隨后低壓直流電能通過逆變器變換后接入變壓器提升電壓等級以便并網或就地使用，這其中光伏逆變器使用電力電子設備進行逆變，因此對光伏發電，特別是集中式光伏電站表現的諧波水平影響較大，集中式光伏電站直接接入電網很可能引起電網諧波放大甚至超標。

為此，基于光伏電站電氣結構開展并網前的諧波發射水平評估對于電網側至關重要，同時基于評估結果開展治理分析可有效指導光伏電站接入前諧波治理設備規劃。本文以某實際在建的光伏電站為對象開展諧波發射特性的仿真分析，根據諧波電壓、電流特性采用SVG 濾波+無源濾波的方案進行治理，最終可以保證光伏電站接入電網時諧波指標滿足要求。

1 光伏電站諧波仿真分析

光伏電站諧波源主要是逆變器，逆變器中大量使用電力電子器件將直流變換為交流，為此首先需要獲得逆變器諧波頻譜，再基于光伏站內拓撲及系統拓撲進行仿真。同時還需考慮集電線路、變壓器等電氣設備的影響。

1.1 逆變器諧波特性

光伏電站使用的逆變器容量為196kW，選擇已并網運行的使用相同型號逆變器某光伏電站開展諧波測試，在額定功率下其諧波電流頻譜如圖1所示。從圖中可知，三相各次諧波電流存在較大差異，以2次、3次及25次最為明顯，為了平抑該差異，仿真時使用三相平均值表征逆變器的諧波發射特性。在逆變器的2～25次諧波電流中，以2次、11次、19次含有率表現最為突出，其中2次諧波電流含有率為0.8%，11次諧波電流含有率為0.7%，19次諧波電流達到了1.0%，因此逆變器的諧波發射特性不能忽略。使用聚類算法對逆變器諧波電流發射特性進行分析，最優聚類類型為3，得到以2次、7次、18次為聚類中心的三類聚類結果。

圖1 額定功率下的逆變器諧波頻譜

1.2 光伏并網諧波特性

所仿真光伏電站通過110kV 送出線路接入電網系統某變電站的中壓側，通過仿真得到系統側變電站中壓側的諧波電壓（不考慮系統側自生諧波），其電壓頻譜如圖2所示，該站中壓側諧波電壓以22次最大，含有率為1.846%，已超過國標限值1.6，除5次外其他諧波電壓未出現超標，但25次諧波電壓也達到了1.387%。

圖2 并網站諧波電壓頻譜

此時，110kV 送出光伏線路的電流波形呈現顯著的鋸齒狀，諧波畸變就位嚴重（圖3），通過FFT變換計算獲得電流頻譜后，發現其22次、25次諧波電流幅值較大且22次諧波電流超標。

圖3 光伏送出線路電流波形

考慮到濾波設備加裝于光伏升壓站低壓側，即35kV 側，仿真獲得升壓站35kV 側的諧波電流頻譜如圖4所示，其中22次諧波電流幅值最大，其次為25次。

圖4 光伏站35kV 側諧波電流頻譜

將圖3與圖1相比對比，不難發現圖1中的逆變器的22次諧波電流含有率較小，因此逆變器不是引起35kV 側及220kV 送出線路22次諧波電流幅值超標的原因。綜合光伏電站的電氣結構，認為極大可能是系統阻抗引發該現象。為了驗證該分析，精細化收集光伏站內PV 板、集電線路及變壓器等阻抗信息后，獲得系統阻抗特性（圖5），其在22次附近存在諧振點，因此對22次附近諧波電流放大。

圖5 光伏站系統阻抗

2 諧波治理

2.1 諧波危害

光伏電站并網后對系統諧波產生較為顯著的污染，特別是以22、25次為中心的諧波電流超標問題，若不采取治理手段可能帶來多方面的危害，主要體現如下。

影響電能表計量精度，當諧波功率與基波功率方向一致時，電能計量結果為基波電能與諧波電能之和，反之則為基波功率減去諧波功率；繼電保護裝置的影響，可能引起系統中各類保護裝置誤動或拒動，特別是以微機保護、綜合自動化裝置為主體系統中表現最為突出，嚴重時造成區域系統崩潰、擴大故障區域；對系統設備影響，具體表現為加速設備絕緣老化，降低設備使用壽命。

線路發熱，在三相對稱系統中三次諧波相位相同，通過中性線疊加后產生3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，從而導致中性線溫度升高。同時，當高頻電流通過導線時線路外表面電流密度加大，導致線路發熱，影響基波電能傳輸效率。

由于系統中的諧波作用，一般可能造成如下影響：電容器組過電壓、電容器組過電流、無功出力增加、過負荷、電容器諧波共振。諧波可造成電容器過流、過負荷，使保險絲熔斷，無法投入運營。一般情況下，諧波對電容器的過電流和無功出力影響較大。另外，并聯電容器與系統電感元件構成的回路中，在3，5次諧波附近容易出現諧波共振，導致電容器嚴重過負荷，造成電容器嚴重損壞，或無法運行。

2.2 諧波要求

為了促進光伏電站的健康發展，保證其可靠并網運行，有必要從電網的角度對光伏電站運行引起諧波提出要求。依據GB/T 14549-1993《電能質量公用電網諧波》的規定開展諧波治理分析。本項目仿真對象為110kV 電壓等級，標準中規定諧波總畸變率不超過2%，單次諧波中奇次諧波不超1.6%，偶次諧波不超過0.8%。同時，公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過規定的表格，結合短路容量、供電設備容量、供電協議容量得到相應線路各次電流諧波限值。

2.3 治理仿真

現有的諧波治理設備種類繁多且各有優缺點，考慮到光伏站內需要加裝SVG 支撐站內電壓調節，因此優先選擇SVG 作為濾波設備治理該光伏電站的諧波問題。根據35kV 側諧波電壓、諧波電流及諧波相角算得2～25次諧波功率為4.3MVar，即要求SVG的濾波容量不小于4.3MVar。

選用國內典型的SVG 進行濾波，投入SVG 后接入變電站的中壓側諧波電壓頻譜如圖6所示，從圖中可知2～25次諧波電壓含有率顯著降低，電壓含有率最高次為22次，僅為0.347%，已滿足國標要求，其他各次諧波含有率均滿足國標。

圖6 svg 治理后接入站內中壓側諧波電壓頻譜

同時，經過SVG 治理后110kV 光伏送出線路的諧波電流也顯著降低，但從圖7可知22次諧波和25次諧波電流幅值依然較大，分別為5.865A、4.793A，通過系統短路容量、供電設備容量、供電協議容量評估，22次諧波電流依然超標。此時，僅投入SVG可解決諧波電壓超標問題，但未達到諧波電流治理要求。

圖7 svg 治理后光伏送出線路諧波電流頻譜

為此，進一步投入LC、LCR 等無源濾波進行治理。經調優，投入的無源濾波容量為5MVar 時諧波治理效果較好，諧波電流頻譜如圖8所示，各次諧波幅值已非常小，諧波電流最大值是25次，幅值僅為1.059A，全部低于諧波限值。

圖8 無源濾波+svg 治理后光伏送出線路諧波電流頻譜

治理后的110kV 光伏送出線路諧波電流波形如圖9所示，相較于圖3已非常平滑，已基本接近標準正弦波。同時，在SVG 的基礎上投入無源濾波設備后，系統側變電站的中壓側諧波電壓含有率進一步降低（圖10），其中21次諧波電壓含有率已非常小，相比之下23次諧波最大也僅僅為0.228%，2～25次諧波電壓含有率遠遠低于國標限值。

圖9 無源濾波+svg 治理后光伏送出線路電流波形

圖10 無源濾波+svg 治理后接入站內中壓側諧波電壓頻譜

綜上可知，光伏電站所表現出的諧波超標問題可通過濾波設備補充治理，但僅依靠某類設備不一定達到治理要求。就本文的對象而言，投入SVG 雖可保證諧波電壓不超標，但22次諧波電流幅值依然超標；進一步，采用成本較低的無源濾波器補償后，光伏側和系統側諧波電壓、諧波電流均滿足國標要求。因此，在光伏電站，特別是集中式光伏電站中加裝濾波設備非常必要。

隨著電網形態和控制技術的發展，僅考慮2～25次諧波可能不能完全滿足現有分析需求，建議擴展諧波次數至50次。建議在集中式光伏電站的送出線路處安裝一套專用的在線式電能質量監測裝置，通過該裝置可實時、準確的掌握諧波光伏電站諧波發射特性。

3 結語

光伏發電是未來電網最重要的能源之一，然而光伏并網可能造成電網諧波超標，危害電網設備及系統運行安全。為此，本文以某實際的光伏電站為對象仿真分析其諧波特性。在不考慮背景諧波的情況下，光伏發電可引發諧波、電流超標，驗證了光伏發電并網可能惡化電網諧波的推測。根據GB/T 14549-1993《電能質量 公用電網諧波》的要求開展諧波治理，當前可選的諧波治理方案還是比較多的，但是從工程應用、經濟性等方面考慮，SVG 是最為典型的方案。然而基于SVG 還是未完全解決諧波電流超標問題，進一步的選用SVG+無源濾波的治理方案，通過仿真結果可以知道該方面下可實現接入電網諧波電壓和諧波電流不超標。該項工作對指導光伏電站諧波接入評估和諧波治理提供了依據和支撐。