國網(wǎng)湖北省電力有限公司武漢供電公司 余 俊

為應(yīng)對全球化氣候變化，2020年9月22日習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布，中國將力爭于2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年前實現(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)是實現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要舉措，也是應(yīng)對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，同時儲能、電動汽車規(guī)模不斷擴大，使得電網(wǎng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜、電網(wǎng)運行機理更難以掌握。

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)備進行逆變，因此對光伏發(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)射水平評估對于電網(wǎng)側(cè)至關(guān)重要，同時基于評估結(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。本文以某實際在建的光伏電站為對象開展諧波發(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+無源濾波的方案進行治理，最終可以保證光伏電站接入電網(wǎng)時諧波指標(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行仿真。同時還需考慮集電線路、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(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。使用聚類算法對逆變器諧波電流發(fā)射特性進行分析，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，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，因此對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。

影響電能表計量精度，當(dāng)諧波功率與基波功率方向一致時，電能計量結(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；繼電保護裝置的影響，可能引起系統(tǒng)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(tǒng)中表現(xiàn)最為突出，嚴(yán)重時造成區(qū)域系統(tǒng)崩潰、擴大故障區(qū)域；對系統(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，當(dāng)高頻電流通過導(dǎo)線時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(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，或無法運行。

2.2 諧波要求

為了促進光伏電站的健康發(fā)展，保證其可靠并網(wǎng)運行，有必要從電網(wǎng)的角度對光伏電站運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。本項目仿真對象為110kV 電壓等級，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，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(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，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，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)議容量評估，22次諧波電流依然超標(biāo)。此時，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，進一步投入LC、LCR 等無源濾波進行治理。經(jīng)調(diào)優(yōu)，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(biāo)準(zhǔn)正弦波。同時，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)；進一步，采用成本較低的無源濾波器補償后，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，通過該裝置可實時、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(fā)電可引發(fā)諧波、電流超標(biāo)，驗證了光伏發(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現(xiàn)接入電網(wǎng)諧波電壓和諧波電流不超標(biāo)。該項工作對指導(dǎo)光伏電站諧波接入評估和諧波治理提供了依據(jù)和支撐。