光伏電站接入電網(wǎng)前諧波評(píng)估及治理分析

國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司 余 俊

為應(yīng)對(duì)全球化氣候變化，2020年9月22日習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)一般性辯論上宣布，中國將力爭于2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。構(gòu)建以可再生新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措，也是應(yīng)對(duì)全球化石能源枯竭的關(guān)鍵策略[1]，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是電力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的內(nèi)在要求。近年來，隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字挖掘與分析技術(shù)等的廣泛應(yīng)用，我國新能源發(fā)電滲透率快速提高，同時(shí)儲(chǔ)能、電動(dòng)汽車規(guī)模不斷擴(kuò)大，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)理更難以掌握。

隨著光伏、風(fēng)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(tǒng)，使得電網(wǎng)電能質(zhì)量更受關(guān)注，特別是諧波、電壓暫降等問題。光伏、風(fēng)電等可再生新能源自生出力的間歇性和不確定性，進(jìn)一步加劇電網(wǎng)電能質(zhì)量問題[2-4]。以光伏發(fā)電為例，可采用分布式、集中式等方式發(fā)電，光伏PV 板基于光生伏打效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)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(jí)以便并網(wǎng)或就地使用，這其中光伏逆變器使用電力電子設(shè)備進(jìn)行逆變，因此對(duì)光伏發(fā)電，特別是集中式光伏電站表現(xiàn)的諧波水平影響較大，集中式光伏電站直接接入電網(wǎng)很可能引起電網(wǎng)諧波放大甚至超標(biāo)。

為此，基于光伏電站電氣結(jié)構(gòu)開展并網(wǎng)前的諧波發(fā)射水平評(píng)估對(duì)于電網(wǎng)側(cè)至關(guān)重要，同時(shí)基于評(píng)估結(jié)果開展治理分析可有效指導(dǎo)光伏電站接入前諧波治理設(shè)備規(guī)劃。本文以某實(shí)際在建的光伏電站為對(duì)象開展諧波發(fā)射特性的仿真分析，根據(jù)諧波電壓、電流特性采用SVG 濾波+無源濾波的方案進(jìn)行治理，最終可以保證光伏電站接入電網(wǎng)時(shí)諧波指標(biāo)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(nèi)拓?fù)浼跋到y(tǒng)拓?fù)溥M(jìn)行仿真。同時(shí)還需考慮集電線路、變壓器等電氣設(shè)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(wǎng)運(yùn)行的使用相同型號(hào)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(shí)使用三相平均值表征逆變器的諧波發(fā)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(xiàn)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(dá)到了1.0%，因此逆變器的諧波發(fā)射特性不能忽略。使用聚類算法對(duì)逆變器諧波電流發(fā)射特性進(jìn)行分析，最優(yōu)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(jié)果。

圖1 額定功率下的逆變器諧波頻譜

1.2 光伏并網(wǎng)諧波特性

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

圖2 并網(wǎng)站諧波電壓頻譜

此時(shí)，110kV 送出光伏線路的電流波形呈現(xiàn)顯著的鋸齒狀，諧波畸變就位嚴(yán)重（圖3），通過FFT變換計(jì)算獲得電流頻譜后，發(fā)現(xiàn)其22次、25次諧波電流幅值較大且22次諧波電流超標(biāo)。

圖3 光伏送出線路電流波形

考慮到濾波設(shè)備加裝于光伏升壓站低壓側(cè)，即35kV 側(cè)，仿真獲得升壓站35kV 側(cè)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(cè)諧波電流頻譜

將圖3與圖1相比對(duì)比，不難發(fā)現(xiàn)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(cè)及220kV 送出線路22次諧波電流幅值超標(biāo)的原因。綜合光伏電站的電氣結(jié)構(gòu)，認(rèn)為極大可能是系統(tǒng)阻抗引發(fā)該現(xiàn)象。為了驗(yàn)證該分析，精細(xì)化收集光伏站內(nèi)PV 板、集電線路及變壓器等阻抗信息后，獲得系統(tǒng)阻抗特性（圖5），其在22次附近存在諧振點(diǎn)，因此對(duì)22次附近諧波電流放大。

圖5 光伏站系統(tǒng)阻抗

2 諧波治理

2.1 諧波危害

光伏電站并網(wǎng)后對(duì)系統(tǒng)諧波產(chǎn)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(biāo)問題，若不采取治理手段可能帶來多方面的危害，主要體現(xiàn)如下。

影響電能表計(jì)量精度，當(dāng)諧波功率與基波功率方向一致時(shí)，電能計(jì)量結(jié)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(hù)裝置的影響，可能引起系統(tǒng)中各類保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，特別是以微機(jī)保護(hù)、綜合自動(dòng)化裝置為主體系統(tǒng)中表現(xiàn)最為突出，嚴(yán)重時(shí)造成區(qū)域系統(tǒng)崩潰、擴(kuò)大故障區(qū)域；對(duì)系統(tǒng)設(shè)備影響，具體表現(xiàn)為加速設(shè)備絕緣老化，降低設(shè)備使用壽命。

線路發(fā)熱，在三相對(duì)稱系統(tǒng)中三次諧波相位相同，通過中性線疊加后產(chǎn)生3倍于相線的諧波電流和諧波電壓，從而導(dǎo)致中性線溫度升高。同時(shí)，當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)線時(shí)線路外表面電流密度加大，導(dǎo)致線路發(fā)熱，影響基波電能傳輸效率。

由于系統(tǒng)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(fù)荷、電容器諧波共振。諧波可造成電容器過流、過負(fù)荷，使保險(xiǎn)絲熔斷，無法投入運(yùn)營。一般情況下，諧波對(duì)電容器的過電流和無功出力影響較大。另外，并聯(lián)電容器與系統(tǒng)電感元件構(gòu)成的回路中，在3，5次諧波附近容易出現(xiàn)諧波共振，導(dǎo)致電容器嚴(yán)重過負(fù)荷，造成電容器嚴(yán)重?fù)p壞，或無法運(yùn)行。

2.2 諧波要求

為了促進(jìn)光伏電站的健康發(fā)展，保證其可靠并網(wǎng)運(yùn)行，有必要從電網(wǎng)的角度對(duì)光伏電站運(yùn)行引起諧波提出要求。依據(jù)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》的規(guī)定開展諧波治理分析。本項(xiàng)目仿真對(duì)象為110kV 電壓等級(jí)，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(shí)，公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過規(guī)定的表格，結(jié)合短路容量、供電設(shè)備容量、供電協(xié)議容量得到相應(yīng)線路各次電流諧波限值。

2.3 治理仿真

現(xiàn)有的諧波治理設(shè)備種類繁多且各有優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到光伏站內(nèi)需要加裝SVG 支撐站內(nèi)電壓調(diào)節(jié)，因此優(yōu)先選擇SVG 作為濾波設(shè)備治理該光伏電站的諧波問題。根據(jù)35kV 側(cè)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(nèi)典型的SVG 進(jìn)行濾波，投入SVG 后接入變電站的中壓側(cè)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(biāo)要求，其他各次諧波含有率均滿足國標(biāo)。

圖6 svg 治理后接入站內(nèi)中壓側(cè)諧波電壓頻譜

同時(shí)，經(jīng)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(tǒng)短路容量、供電設(shè)備容量、供電協(xié)議容量評(píng)估，22次諧波電流依然超標(biāo)。此時(shí)，僅投入SVG可解決諧波電壓超標(biāo)問題，但未達(dá)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(jìn)一步投入LC、LCR 等無源濾波進(jìn)行治理。經(jīng)調(diào)優(yōu)，投入的無源濾波容量為5MVar 時(shí)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(biāo)準(zhǔn)正弦波。同時(shí)，在SVG 的基礎(chǔ)上投入無源濾波設(shè)備后，系統(tǒng)側(cè)變電站的中壓側(cè)諧波電壓含有率進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)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(nèi)中壓側(cè)諧波電壓頻譜

綜上可知，光伏電站所表現(xiàn)出的諧波超標(biāo)問題可通過濾波設(shè)備補(bǔ)充治理，但僅依靠某類設(shè)備不一定達(dá)到治理要求。就本文的對(duì)象而言，投入SVG 雖可保證諧波電壓不超標(biāo)，但22次諧波電流幅值依然超標(biāo)；進(jìn)一步，采用成本較低的無源濾波器補(bǔ)償后，光伏側(cè)和系統(tǒng)側(cè)諧波電壓、諧波電流均滿足國標(biāo)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(shè)備非常必要。

隨著電網(wǎng)形態(tài)和控制技術(shù)的發(fā)展，僅考慮2～25次諧波可能不能完全滿足現(xiàn)有分析需求，建議擴(kuò)展諧波次數(shù)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(zhì)量監(jiān)測裝置，通過該裝置可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的掌握諧波光伏電站諧波發(fā)射特性。

3 結(jié)語

光伏發(fā)電是未來電網(wǎng)最重要的能源之一，然而光伏并網(wǎng)可能造成電網(wǎng)諧波超標(biāo)，危害電網(wǎng)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行安全。為此，本文以某實(shí)際的光伏電站為對(duì)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(fā)電可引發(fā)諧波、電流超標(biāo)，驗(yàn)證了光伏發(fā)電并網(wǎng)可能惡化電網(wǎng)諧波的推測。根據(jù)GB/T 14549-1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》的要求開展諧波治理，當(dāng)前可選的諧波治理方案還是比較多的，但是從工程應(yīng)用、經(jīng)濟(jì)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(biāo)問題，進(jìn)一步的選用SVG+無源濾波的治理方案，通過仿真結(jié)果可以知道該方面下可實(shí)現(xiàn)接入電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流不超標(biāo)。該項(xiàng)工作對(duì)指導(dǎo)光伏電站諧波接入評(píng)估和諧波治理提供了依據(jù)和支撐。