靜止無功發(fā)生器對光伏電站注入電網(wǎng)的諧波影響研究

陳 旭

（湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040）

0 引 言

對于光伏電站來說，諧波電流的主要來源是逆變器。光伏電站中逆變器通常采用直流-直流變換和直流-交流變換，逆變器產(chǎn)生的諧波電流會通過上網(wǎng)線路注入主網(wǎng)，并在并網(wǎng)點產(chǎn)生諧波電壓，造成并網(wǎng)點電壓畸變，影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。諧波對旋轉(zhuǎn)電機的主要影響是引起附加損耗，之后會產(chǎn)生機械振動、噪聲以及諧波過電壓[1]。諧波電流不但會引起變壓器繞組附加損耗，也會引起外殼、外層硅鋼片以及某些緊固件發(fā)熱，并且有可能引起局部嚴重過熱。諧波使變壓器噪聲增大，諧波源造成流經(jīng)變壓器的諧波電流在諧振條件下?lián)p害變壓器[2]。諧波電壓畸變可能引起常規(guī)變流器控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋來放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器的工作不穩(wěn)定。對于逆變器而言，則可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法正常工作，甚至損壞換相設(shè)備[3]。

除此之外，諧波會引起電容器局部放電，加速電容器介質(zhì)老化，縮短使用壽命[4]。諧波通過電容耦合、電磁感應(yīng)和電氣傳導(dǎo)會感應(yīng)到通信線路上，可能影響通話的清晰度，觸發(fā)電話鈴響，在極端情況下威脅通信設(shè)備和人員的安全[5]。諧波對繼電保護和自動控制裝置可能會產(chǎn)生干擾，造成誤動和拒動。尤其是一些衰減時間較長的暫態(tài)過程，如變壓器合閘涌流中的諧波分量，由于其幅值大、諧波含量也很大，更容易引起繼電保護的誤動作[6]。

1 靜止無功發(fā)生器

靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）是一種無功補償裝置，主要由并聯(lián)電容器組和三相大功率型逆變器組成。三相大功率型逆變器通過高頻脈沖控制大功率絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的導(dǎo)通和關(guān)閉，改變逆變器交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，迅速吸收和發(fā)出所需要的無功功率，實現(xiàn)快速動態(tài)調(diào)節(jié)無功的目的[7]。SVG相對傳統(tǒng)電容器、電抗器無功補償裝置具有以下特點：一是響應(yīng)速度快，響應(yīng)時間小于1 ms，可以實現(xiàn)從感性到容性的動態(tài)、連續(xù)、平滑無功補償，最大限度滿足功率因素補償要求；二是具備恒電流源特性，輸出無功電流不受母線電壓影響，用于電壓控制時有很大的優(yōu)勢；三是安裝維護簡單、運行損耗低、噪聲小[8-10]。

光伏電站采用大量逆變器會產(chǎn)生諧波注入電網(wǎng)，《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549—1993）對用戶、電廠注入公共連接點的諧波電流分量以及公共連接點的電壓畸變率規(guī)定了相應(yīng)限值。對于光伏電站而言，一般需要安裝SVG來補償相關(guān)元件的無功損耗，SVG對負荷產(chǎn)生的諧波有一定治理作用，本文重點研究不同容量的SVG對不同頻次諧波的影響。

2 系統(tǒng)建模

以某100 MW光伏電站作為模型，研究光伏電站安裝SVG后對光伏電站注入電網(wǎng)諧波影響。仿真計算軟件采用ETAP，系統(tǒng)建模主要分為以下3個部分。

2.1 電網(wǎng)模型

光伏電站接入系統(tǒng)方案為接入某220 kV變電站110 kV側(cè)，電網(wǎng)系統(tǒng)建模主要建立該220 kV變電站電氣模型，包含1臺容量為180 MVA的主變、220 kV 母線、110 kV 母線以及 35 kV 母線。220 kV連接電網(wǎng)采用等效網(wǎng)絡(luò)進行等效，等效網(wǎng)絡(luò)短路容量取 7 500 MVA，110 kV 出線所連接 110 kV 變電站采用等效負荷模型，35 kV低壓側(cè)配置電容器組及等效負荷模型。

2.2 光伏電站模型

光伏電站裝機容量100 MW，場區(qū)擬共配置發(fā)電單元32個，采用直流1 500 V組串式逆變方案。每個發(fā)電單元配置1臺3.15 MVA的箱式變壓器和16臺196 kW組串式逆變器。光伏組串出線連接至組串式逆變器，經(jīng)逆變器逆變后輸出800 V三相交流電，經(jīng)箱變升壓至35 kV。每8個發(fā)電單元通過1回35 kV匯集電纜送至110 kV升壓站35 kV配電裝置，光伏場區(qū)共采用4回集電電纜匯集，光伏升壓站主變采用兩卷變，主變?nèi)萘?00 MVA。無功補償裝置SVG安裝在升壓站35 kV母線上，從光伏升壓站新建單回110 kV 線路接入電網(wǎng) 220 kV 系統(tǒng)站 110 kV 側(cè)。

2.3 光伏電站逆變器諧波模型。

光伏逆變器采用典型SUN2000-196KTL-H3逆變器。為了評價波形畸變最嚴重的情況，根據(jù)工程經(jīng)驗，選擇逆變器對應(yīng)100%額定功率的運行模式，逆變器諧波采用諧波電流源模型，諧波電流含有率采用典型產(chǎn)品測試報告結(jié)果。

仿真系統(tǒng)模型如圖1所示，逆變器諧波電流測試結(jié)果頻譜圖如圖2所示。

圖1 仿真系統(tǒng)建模

圖2 逆變器諧波電流測試頻譜

3 仿真結(jié)果分析

光伏電站安裝不同容量SVG后，并網(wǎng)點母線諧波電壓總畸變率和諧波電流總含有率如表1所示。

表1 不同容量SVG下的系統(tǒng)站母線諧波電壓總畸變率和諧波電流總含有率

當(dāng)光伏電站SVG安裝容量為30 MVA，即光伏裝機容量的30%時，并網(wǎng)點諧波電壓總畸變率最低；當(dāng)光伏電站SVG安裝容量為20 MVA，即光伏裝機容量的20%時，并網(wǎng)點諧波電流總含有率最低。安裝SVG后，諧波電壓總畸變率均比不安裝SVG時要低。對于諧波電流，安裝光伏電站裝機容量10%、40%、50%以及60%的SVG后，諧波電流總含有率比不安裝SVG時要高，主要是SVG的濾波作用小于本身注入電網(wǎng)的諧波電流，導(dǎo)致諧波電流總含有率增大。

安裝不同容量SVG時各次諧波電壓含有率如圖3所示，各次諧波電流含有率如圖4所示。

圖3 不同容量SVG下的各次諧波電壓含有率

圖4 不同容量SVG下的各次諧波電流含有率

對于不同次諧波，由于3次及3的倍次數(shù)諧波經(jīng)過三相變壓器后會被過濾掉，因此3次及3的倍數(shù)次諧波含有率為0；2次諧波隨著安裝SVG容量的增大而增大；4次、5次、10次以及11次諧波安裝容量為10 MVA的SVG比不安裝SVG時含有率略微增大，隨著SVG容量進一步增大，諧波含有率逐步下降；7次、8次、13次及以上不含3的倍數(shù)次諧波隨著SVG安裝容量增大，諧波含有率顯著下降，并且安裝SVG的容量越大，諧波含有率越低。

4 結(jié) 論

光伏電站安裝SVG能起到過濾光伏電站逆變器注入并網(wǎng)點的諧波作用，降低諧波電壓和諧波電流含有率。SVG對降低諧波電壓效果顯著，安裝光伏電站裝機容量30%的SVG，諧波電壓含有率可下降約55%；安裝光伏電站裝機容量20%的SVG，諧波電流含有率可下降約13%。結(jié)合相應(yīng)分析，SVG安裝容量不宜過大，否則會導(dǎo)致SVG濾波作用小于其自身注入并網(wǎng)點的諧波電流，造成并網(wǎng)點諧波電流含有率增大。綜合考慮SVG對諧波電壓和諧波電流的過濾效果，推薦光伏電站安裝裝機容量20%～30%的SVG裝置。