孫瑾文，黃 宇，彭利軍

（1．江西恒能電力工程有限公司，江西 南昌330000；2．中國電建集團江西省電力建設(shè)有限公司，江西 南昌 330001）

近年來，在政府、電網(wǎng)企業(yè)、發(fā)電企業(yè)和用戶等的共同努力下，我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展取得了巨大成就，對推動我國能源轉(zhuǎn)型、踐行應對氣候變化承諾發(fā)揮了重要作用。截至2020年底，我國光伏累計裝機已達到2.525億千瓦，風電累計裝機則達到2.82億千瓦。同時由于國家能源轉(zhuǎn)型要求、清潔能源消納目標及新能源成本快速下降等因素，到2030年，我國計劃將單位國內(nèi)生產(chǎn)總值中二氧化碳排放量比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消費比重達到25%左右，森林蓄積量比2005年增加60億立方米以上，太陽能和風電的總裝機容量將達到12億千瓦以上，實現(xiàn)2030年碳達峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。隨著光伏、風電等新能源大量接入電網(wǎng)，由于其在發(fā)電過程中存在諸多問題，如能量不連續(xù)、電壓閃變、頻率波動以及諧波污染等，將對電網(wǎng)的運行和電能質(zhì)量產(chǎn)生巨大的影響，從而對電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生沖擊。本文主要解決光伏發(fā)電系統(tǒng)中的諧波問題。首先，通過分析光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的原因，闡述了諧波對電力系統(tǒng)運行的安全、可靠性可能造成的危害，最后針對實際項目中光伏發(fā)電產(chǎn)生的諧波提出了相應的抑制措施。

1.光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生及危害

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因

光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能通過光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電能，再通過并網(wǎng)逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波電流，升壓并入電網(wǎng)。在這一過程中，會產(chǎn)生大量諧波。作為光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的核心器件，逆變器就是一個諧波發(fā)生裝置。目前大多數(shù)逆變器采用的是PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)控制三相橋路導通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)直流、交流逆變。在直流電壓（電流）轉(zhuǎn)變?yōu)檎译妷海娏鳎┑倪^程中，根據(jù)PWM采樣控制理論，使用等幅不同寬度的脈沖來等效代替三相正弦波，實際上逆變器輸出的不是完全的正弦波，而是含有諧波成分的交流電流。觸發(fā)角的選擇點決定了產(chǎn)生系統(tǒng)諧振的諧波頻率，而諧波含量可以通過提高逆變橋開關(guān)的切換速度來減少。另外，變壓器也是一類諧波源，變壓器的電流波形畸變主要與變壓器的電磁變換原理有關(guān)，主要來自變壓器的激磁電流。假設(shè)變壓器的鐵芯不存在磁滯，根據(jù)磁通和激磁電流之間的磁化曲線，隨著激磁電流的增大或較小，磁通變化幅度越來越小，激磁電流和其產(chǎn)生的磁通之間不是線性關(guān)系，因此原邊電流并不是完整的正弦波，而是周期性的、但含有各類諧波的電流。激磁電流的畸變主要是由高次諧波引起的，主要是三次諧波。除此之外，諧波的產(chǎn)生還存在以下幾個因素：目前所有的控制方法的應用都存在延時問題。由于對存在的諧波和快速變動的波形不能夠及時檢測，以及反饋環(huán)本身算法存在的延遲等原因，造成無法實時地進行響應或者及時補償諧波。精度問題：由于采用數(shù)字化、離散化的處理方式，對精度的要求非常高，因此需要檢測設(shè)備更加靈敏、準確，但是目前設(shè)備儀器很難滿足此要求。采用PWM的控制原理本身就會產(chǎn)生大量的高次諧波和直流分量。光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流側(cè)存在電壓穩(wěn)定性的問題。直流側(cè)輸入電壓的穩(wěn)定性，對于逆變器的幅值穩(wěn)定、輸出波形以及最大輸出功率等都有非常大的影響。

1.2 諧波的危害

諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生的危害主要有以下幾方面：諧波的存在大大增加了電網(wǎng)中諧振的可能性，諧振會引起很高的過電壓或過電流，從而引發(fā)電力事故。諧波會增大變壓器等鐵芯設(shè)備損耗，降低其效率，并容易在運行過程中出現(xiàn)故障，縮短使用壽命。諧波電流會使線路電流有效值增大，諧波電壓會增強電纜中介質(zhì)的電場強度，受諧波影響，輸電線路附加損耗增大，加速了電纜的老化。諧波影響繼電保護和自動裝置工作的穩(wěn)定性。在高壓遠距離輸電線傳送電能的過程中，若電流中諧波含量較大，則會延緩潛洪電弧的熄滅，導致單相重合閘動作失敗，發(fā)生重大事故。對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，諧波會降低信號的傳輸質(zhì)量，破壞信號的正常傳輸，嚴重的情況下，甚至會損壞通信設(shè)備。

2.諧波治理的措施

通過分析光伏發(fā)電系統(tǒng)的接入對電網(wǎng)造成諧波影響的原因可知，光伏發(fā)電會對電網(wǎng)穩(wěn)定性、安全性帶來負面影響，這就需要我們采取相應措施來抑制光伏發(fā)電系統(tǒng)引起的諧波，提高輸出的電能質(zhì)量。對于具體工程項目來說，要有效地進行諧波治理，通常有兩種方式：改善諧波源，使其盡可能少發(fā)出諧波；通過補償?shù)姆绞?，減少諧波電流、電壓。

一是改善諧波源。前面分析到，逆變器是光伏項目最重大的諧波源。根據(jù)逆變器運行的工作原理，其產(chǎn)生的諧波是無法完全消除的?，F(xiàn)在市場上各型逆變器電能質(zhì)量指標雖然都符合國家標準，但是還存在很多差異，甚至同品牌不同時期產(chǎn)品，廠家經(jīng)過內(nèi)部算法優(yōu)化，逆變器產(chǎn)生的諧波量也在不斷降低。目前，國內(nèi)外廠家、科研院所一直在不斷努力，對逆變器的控制應用新的技術(shù)、新的設(shè)計，希望能夠更有效地減少諧波發(fā)生。因此選用優(yōu)質(zhì)的逆變器，可以從源頭上減少諧波電流、電壓的發(fā)生量。二是諧波補償。配置諧波補償裝置。工程上常用的補償裝置一般為無源濾波（FC）和有源濾波（SVG）。無源濾波器FC裝置通過電容、電抗組成一定的諧振頻率進行某次諧波的濾除，造價低廉，結(jié)構(gòu)簡單。但存在濾除諧波相對單一，當系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化，有可能引起諧振或放大諧波電流；無功補償時，由于是整組投切，運行不夠靈活，容易出現(xiàn)過補和欠補現(xiàn)象，且相應時間長。靜止無功發(fā)生器SVG是通過大功率電力電子器件的高頻開關(guān)實現(xiàn)無功能量的變換。目前廣泛應用于無功補償、諧波治理、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面。SVG有源濾波通過檢測補償對象電流中的諧波電流分量，產(chǎn)生實際的補償電流，該補償電流與諧波電流方向相反、大小相等，如此補償電流與負載電流中的諧波成分互相抵消，從而達到消除諧波的目的。SVG本身不會產(chǎn)生諧波，且對系統(tǒng)參數(shù)不敏感，不發(fā)生諧波放大的情況，但是SVG在應對13次以上的高次諧波治理時效果不佳。因此，選用合理的諧波治理方案，可以在系統(tǒng)側(cè)減少諧波量。

3.工程實例分析

某30MW光伏項目通過35kV開關(guān)站接入系統(tǒng)110kV變電站的35kV側(cè)III母母線，開關(guān)站初步設(shè)計方案為35kV母線采用單母線接線，其中1回并網(wǎng)線，2回集電線，無功補償采用1組±5MVar的SVG設(shè)備。光伏廠區(qū)內(nèi)采用196kW組串式逆變器140臺，配套3150kVA箱變10臺，變比37/0.8kV。光伏廠區(qū)集電線采用電纜與架空線相結(jié)合的方式，其中電纜（3×300）長度4km、架空線（LGJ-150）長度8km。已對系統(tǒng)110kV變電站35kVIII母母線電壓、313主變進線電流進行背景諧波測試。利用電力電氣分析、電能管理的綜合分析軟件系統(tǒng)ETAP對本項目諧波進行建模和仿真工作。經(jīng)仿真計算，疊加背景諧波后本光伏項目在PCC點（并網(wǎng)點）的諧波電流見表4.1。通過與折算后的PCC點（并網(wǎng)點）允許用戶注入諧波電流限值（A）進行對比，得知5、7、11次諧波出現(xiàn)超標情況。

表4 .1本項目在PCC點諧波電流評估（考慮背景諧波）

?

由于本項目超波諧波為13次以下諧波，因此考慮配置具有諧波治理功能的SVG來進行治理諧波。根據(jù)《電磁兼容試驗和測量技術(shù) 供電系統(tǒng)及所連設(shè)備諧波、間諧波的測量和測量儀器導則》（GB/T17626.7-2017）中的公式進行計算。計算過程如下：

其中：SN：變壓器額定容量；K1：負荷率；THDi：電流總諧波畸變率；K2：裕度系數(shù)。所以本項目SVG容量在原有無功補償?shù)幕A(chǔ)上增加1.5MVar容量，調(diào)整為±6.5MVar。本項目并網(wǎng)后，再次在PCC點進行諧波背景測試，諧波未超限，滿足國家標準及電網(wǎng)要求。如當項目中存在13次以上諧波時，則須考慮配置FC裝置進行諧波治理。FC裝置通過合理配置電抗率來實現(xiàn)諧波治理。下面以13次諧波為例進行計算：

其中，N表示諧波次數(shù)；

其中，SH,13表示13次諧波容量。

4.結(jié)語

針對光伏發(fā)電項目諧波的治理要因地制宜，首先要根據(jù)項目情況選用優(yōu)質(zhì)、適合的逆變器，從源頭上減少諧波；其次在電網(wǎng)中進行治理，對于13次以下諧波電流超標可通過有源濾波SVG處理，對于13次及以上高次諧波電流超標，通過無源濾波FC做高通濾波器來實現(xiàn)濾波。同時須注意當采用SVG進行諧波治理時會占用一定容量，設(shè)備選用時應考慮此因素。隨著碳中和的國家目標的確立，未來大量光伏等新能源發(fā)電接入電網(wǎng)后引起的電網(wǎng)電能質(zhì)量問題越來越突出，本著誰產(chǎn)生誰治理的原則，要在項目科研、初步設(shè)計時，就應綜合考慮項目中諧波的治理方案，將危害降至最低。