光伏電站諧波超標的分析與治理

申杰兵，閆浩偉，張樹宏

（1.大唐山西新能源公司，山西 太原 030002；2.山西大唐天鎮清潔能源有限公司，山西 大同 038200）

0 引言

隨著中國特色社會主義進入新時代，人們不斷面臨著來自氣候惡劣、能源危機、環境污染、節能減排等諸多方面的挑戰，以風能和太陽能為代表的清潔能源逐步登上能源舞臺，對于解決霧霾污染、落實碳減排國際承諾、持續推進中國能源轉型升級、實現能源清潔低碳安全高效發展具有戰略意義。但新能源發電的快速崛起，對電網的安全、穩定、經濟運行也帶來一些不利影響。其中諧波超標也是一項重要問題，諧波的危害在于使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀；對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。

1 設備現況

大唐天鎮環翠山光伏電站于2013年投產發電，裝機容量30 MW，電站建有1座35 kV升壓站，主變壓器為1臺油浸自然風冷有載調壓變壓器，接線方式為Yd11。35 kV采用單母線接線方式，進線采用電纜，出線采用電纜和JL/G1A-300/25架空鋼芯鋁絞線，全長12.649 km；10 kV采用單母線接線方式，10 kV母線帶有6條集電線路、1臺站用變、1臺SVG，1臺消弧消諧裝置。35 kV線路PT采用大連北方互感器集團有限公司生產的JDZX9-35Q型電壓互感器，10 kV母線PT采用大連華億電力電器有限公司生產的JDZJ-10Q型電壓互感器。

電站采用36°固定傾角安裝多晶硅光伏組件122 460塊，匯流箱420臺、逆變器60臺，箱變30臺，組成30個發電單元。每個發電單元由2臺逆變器并聯，經1臺Dy11y11接線方式的雙分裂升壓變由315 V升壓至10 kV,每5臺箱變在高壓側并聯為1個聯合單元為1條集電線路。6條集電線路經出線開關送至10 kV母線后，經主變進行二次升壓至35 kV，經35 kV單回線送至天鎮縣35 kV瓦窯口變電站。

2 諧波超標情況

2017年2月25日至3月1日，委托山西省電力科學研究院對大唐天鎮環翠山光伏電站電能質量進行了測試，測試結果見表1。通過以上數據，可以看出以下幾點。

a）環翠山光伏電站退出電網期間，并網點側背景測試結果3次諧波電壓含有率為3.31%，電壓總諧波畸變率測量值3.67%。瓦窯口系統側背景測試結果電能質量滿足國標要求。

b）環翠山光伏電站正常并網運行期間，并網點3次諧波電壓含有率為4.08%，5次諧波電壓含有率為4.60%，電壓總諧波畸變率測量值6.27%。3次諧波電流含量為2.61 A，5次諧波電流含量為15.36 A，7次諧波電流含量為6.03 A，其他各項滿足國標要求。

表1 光伏電站電能質量測試數據

c） 主變低壓側10 kV 3次諧波電壓含有率為30.09%，5次諧波電壓含有率為5.70%，電壓總諧波畸變率測量值30.45%。5次諧波電流含量為54.05 A，7次諧波電流含量為22.46 A；其他各項滿足國標要求。

d） 集電Ⅰ線5B逆變器315 V側：3次諧波電壓含有率為21.51%，5次諧波電壓含有率為6.23%，電壓總諧波畸變率測量值22.48%；其他各項滿足國標要求。

e）通過測試數據比較可以看出：并網點處諧波超標原因為站內自身所引起的。

3 分析制定測試方案

鑒于大唐天鎮環翠山光伏電站諧波超標治理工作為山西省內首例新能源發電諧波超標治理，且電壓和電流諧波超標情況復雜。為了徹底查清諧波超標原因，大唐山西新能源公司聯系山西省電力科學研究院共同商討測試方案，經多次開會討論，最終確定采用分段式排除法進行測試，力爭做到測試方案完善，能夠測試出電站可能影響電能質量的所有設備在各種運行方式下的數據。通過數據對比分析，找出諧波超標原因，進行下一步治理工作。

a）光伏電站全站停運，測試背景電能質量，測空充電線路兩端的電能質量情況（測試點為3057及 301）。

b） 301開關合閘，測1號主變投運后對并網點電能質量影響（測試點為3057及301）。

c） 301開關、801開關合閘，測10 kV母線運行時對并網點及主變低壓側電能質量影響（測試點為 3057、301、801）。

d） 301開關、801開關、817開關合閘，測SVG運行時對并網點及主變低壓側電能質量的影響（測試點為3057、301、801、817）。

e） 斷開817開關，逐條投入集電線路、箱變及逆變器，測量 SVG停運的情況下集電線路、箱變及逆變器對并網點電能質量的影響（測試點為3057、301、801）。

f）合上817開關，測量光伏電站正常運行時的電能質量（測試點為3057、301、801、817、集電線路與逆變器）。

g） 對35 kV、10 kV電壓互感器進行測試。通過對35 kV、10 kV電壓互感器二次繞組的測量保護、計量、剩余繞組（開口三角）分別進行測量，確認是否因35 kV、10 kV電壓互感器自身原因引起諧波超標。

4 測試數據

光伏電站各種運行方式下測試數據見表2。通過以上測試數據對比分析，可以看出以下幾點。

a）環翠山光伏電站未發電時，35 kV瓦窯口側3、5、7次諧波電壓平穩且均不超標；環翠山側35 kV并網點3次諧波電壓超標，5、7次諧波電壓不超標。

b） 環翠山光伏電站1號主變投運，對35 kV瓦窯口側和環翠山側35 kV并網點3、5、7次諧波電壓無明顯影響；主變10 kV低壓側3次諧波電壓超標，5、7次諧波電壓不超標。

c）SVG投運，對35 kV瓦窯口側和環翠山側35 kV并網點和主變10 kV低壓側3、5、7次諧波電壓無明顯影響。

d）集電線及逆變器陸續投運，對35 kV瓦窯口側和環翠山側35 kV并網點3次諧波電壓無明顯影響，但隨著集電線及逆變器投運數量的增加，35 kV瓦窯口側和環翠山側35 kV并網點5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流呈逐漸增大趨勢。

e）集電線及逆變器陸續投運，對主變10 kV低壓側3次諧波電壓無明顯影響，但隨著集電線及逆變器投運數量的增加，主變10 kV低壓側5次諧波電壓和3、5、7次諧波電流呈逐漸增大趨勢。

針對環翠山側35 kV并網點和主變10 kV低壓側3次諧波電壓數據在各種運行方式下基本不發生變化的特點，繼續進行了35 kV、10 kV電壓互感器測試工作。

表2 光伏電站各種運行方式下測試數據

5 諧波超標原因分析

a） 通過10 kV母線電壓互感器測量保護繞組和計量繞組3、5、7次諧波電壓測試數據對比：測量保護繞組和計量繞組5、7次諧波電壓數據基本一致，3次諧波電壓數據存在嚴重不一致且遠超出國標限值。初步判斷為10 kV PT測量保護繞組自身存在問題導致10 kV母線三次諧波電壓超標。

b） 通過35 kV母線電壓互感器測量保護繞組和計量繞組3、5、7次諧波電壓測試數據對比：測量保護繞組和計量繞組3、5、7次諧波電壓數據基本一致，開口三角處測得1.18 kV零序電壓。對35 kV PT開口三角處檢查發現，為限制高壓涌流和鐵磁諧振，在35 kV PT開口三角處安裝了南京創迪有限責任公司生產的LXQ（D） Ⅱ-35型消諧器，后經過查閱相關資料得知，LXQ（D） Ⅱ-35型消諧器當諧波電流過大時，會引起虛幻的三相電壓不平衡和系統諧波含量增大。

c）隨著集電線及逆變器投運數量的增加，35 kV瓦窯口側和環翠山側35 kV并網點及主變10 kV低壓側5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流呈逐漸增大趨勢，可以得出光伏電站逆變器為諧波源，存在集群放大作用。隨著逆變器投運數量和發電負荷的增加，5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流增大，導致35 kV并網點和主變10 kV低壓側5次諧波電壓，3、5、7次諧波電流超標。

6 諧波治理方案

a）根據10 kV母線3次諧波電壓在不同方式下基本不變的特征和測量保護繞組與計量繞組3次諧波電壓數據嚴重不一致的情況，采用更換原廠家原型號電壓互感器的方法加以解決。

b） 根據35 kV并網點3次諧波電壓在不同方式下基本不變的特征和開口三角處安裝LXQ（D）Ⅱ-35型消諧器的情況，采用加裝LXQ（D）Ⅱ-35型消諧器附件——三次諧波限制器加以解決，三次諧波限制器用于限制YO接線PT一次繞組中性點與地之間接入LXQ（D） Ⅱ型消諧電阻器后，在PT二次側開口三角兩端的三次諧波電壓升高。

c） 根據光伏電站逆變器存在集群放大作用，導致35 kV和10 kV系統5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流超標的情況，在對分布式低壓APF、集中式高壓APF和無源濾波器（FC） 3種諧波治理設備優缺點充分比較的基礎上，結合現場實際情況，采用在10 kV母線裝設1套高壓有源濾波裝置，容量4 Mvar，具備2～25次諧波綜合治理能力，自動檢測并消除諧波。

7 諧波治理方案仿真驗證

確定采用遼寧榮信興業電力技術有限公司生產的型號為HAPF-4-10-TAOY有源電力濾波器后，為避免高壓APF投運后對系統及SVG等設備發生對沖及其他不利影響，委托遼寧榮信興業電力技術有限公司技術人員從HAPF對系統及SVG影響、集電線投切對SVG、APF影響、SVG響應AVC指令時對HAPF影響等方面進行了仿真驗證。

7.1 PSCAD仿真參數設置

35 kV最小短路容量，150 MVA；主變容量，31.5 MVA；電壓變比，35/10 kV；聯結組別，Yd11；阻抗電壓，0.78%。10 kV最小短路容量，139 MVA。

箱變容量，30 MVA；電壓變比，10/0.315 kV；聯結組別，Dy11y11；阻抗電壓，4.01%。

0.315 kV側 3次諧波為 5.42×60=325.2 A；0.315 kV側 5次諧波為 25.86×60=1 551.6 A；0.315 kV側 7次諧波為 13.48×60=808.8 A；10 kV SVG5次諧波為8.24 A；0.315 kV側發送有功19.5 MW，2 Mvar無功。HAPF容量，±4 Mvar（實現諧波電流補償）；SVG容量，±7.5 Mvar（實現無功補償）。

7.2 HAPF控制策略

控制策略說明：仿真中采用多同步旋轉坐標系下諧波補償算法，為達到線性同步旋轉標變換的目的，通過檢測系統公共耦合點處的三相電壓，采用dq數字鎖相技術實現精確鎖相，提取基波和諧波同步旋轉坐標變換所需的頻率和相位。

控制系統由1個電壓控制環，d軸、q軸2個基波電流控制環及2組諧波電流控制環組成。直流電壓控制環的輸出作為基波有功電流控制器的指令信號，采用傳統的PI控制?；娏骺刂骗h同樣采用傳統的PI控制，直流側電壓外環PI輸出作為有功電流內環指令參考值，實現有功功率調節；無功電流內環參考值需根據向電網輸送的無功功率獲?。恢C波電流檢測和控制在諧波旋轉坐標下實現，諧波電流通過相應的諧波旋轉坐標變換轉成直流量，通過低通濾波器提取直流量，采用傳統的PI控制器即可實現對指定次諧波電流的無靜差控制。

HAPF指令電壓是基波和諧波電流控制器輸出的疊加，由于指定次諧波電流控制器在相應的各次諧波旋轉坐標系中實現，因此需要通過諧波到基波的旋轉坐標變換到基波旋轉坐標系下進行指令電壓的疊加，以在基波旋轉坐標系中實現SPWM調制。通過對比補償前后電網電壓、電流諧波THD可以看出，投入HAPF后電網電流諧波得到明顯抑制，由此諧波電流引起的諧波電壓同時得到明顯改善；HAPF投入過程對電網有功功率無影響，對無功功率有積極影響；同時，可以看出，HAPF投入及正常運行不會對SVG產生影響（見表3）。

表3 HAPF補償前后電網各節點電流數據對比表

7.3 集電線投切對SVG、APF影響仿真

仿真工況說明：0.315 kV側發送有功19.5 MW、2 Mvar無功；0.315 kV側0.7 s時刻注入5次諧波1 620 A、7次諧波850 A；SVG 0.3 s時刻啟動、恒電壓工作模式，電壓目標35 kV，HAPF 0.5 s時刻啟動，1 s時刻使能諧波補償，1.4 s時刻，10 kV側模擬投切集電線，投切6 MW有功、6 Mvar無功時SVG可以正?？刂齐娋W35 kV電網電壓、HAPF可以正常補償負載諧波電流。

7.4SVG響應AVC指令時對HAPF影響仿真

仿真工況說明：0.315 kV側發送有功19.5 MW、2 Mvar無功；0.315 kV側0.7 s時刻注入5次諧波1 620 A、7次諧波850 A；SVG 0.3 s時刻啟動、恒電壓工作模式，電壓目標35 kV，HAPF 0.5 s時刻啟動，1 s時刻使能諧波補償，1.5 s時刻，SVG電壓控制目標由35 kV變為36.75 kV（1.05p.u.），SVG電壓階躍響應時HAPF可以正常補償負載諧波電流。

7.5 結論

圖1 電能質量治理系統

從以上仿真試驗可知，投入HAPF后，電網電流諧波成分可以得到明顯抑制；HAPF的投入不會影響電網電能質量及SVG穩定運行；SVG階躍響應不會影響HAPF正常運行；集電線負荷投切不會影響SVG、HAPF正常運行。

8 諧波治理方案實施及優化

有源電力濾波器APF（active power filter）是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠對不同大小和頻率的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應，抵消負載中相應電流，實現了動態跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。

環翠山光伏電站電能質量諧波治理工程的系統如圖1所示，在左側SVG接入點處裝設并聯高壓型APF。SVG可以對負載側的無功電流進行補償，提高電網的功率因數；高壓APF則對諧波進行集中治理，具備2～13次諧波綜合補償能力。2套補償裝置在投入運行后可以有效改善電網電能質量。

2018年5月3日—5月4日，天鎮環翠山光伏電站全站停電，對電能質量諧波超標治理方案進行了實施。10 kV母線更換原廠家原型號電壓互感器后，主變10 kV低壓側3次諧波電壓為0.6%，不超國標限值；35 kV母線并網點PT在對LXQ（D）Ⅱ-35型消諧器加裝三次諧波限制器后，35 kV母線并網點3次諧波電壓為1.43%，不超國標限值。

2018年5月5日07時20分，1號HAPF裝置調試完畢，投入正常運行，能夠有效抑制35 kV和10 kV系統5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流不超標。2018年5月6日18時，現場運維人員發現主變噪聲大，隨后立即停止HAPF的運行，主變異常噪聲消除。聯系遼寧榮信興業電力技術有限公司技術人員分析發現HAPF設備電流抑制環路KP和KI過大，引起電流環PID調節超調，導致7次諧波電流放大，技術人員到場修改電流環參數，并且對電壓鎖相環偏差自動修正后，APF裝置運行未出現異常。

9 諧波治理后效果

電站正常運行時，測試并網點、集電線、無功補償裝置各點時，投運HAPF和退出HAPF運行時的諧波數據如表4所示。

表4 測試數據對比表

10 結束語

針對大唐天鎮環翠山光伏電站諧波超標的問題，通過各種運行方式的測試，對數據的對比分析，找出諧波超標真正原因，制定解決方案，進行仿真驗證，通過改造后出現問題的優化和效果對比，解決了天鎮環翠山電能質量諧波超標的問題。作為山西省內第一個新能源發電諧波超標治理的成功案例，對今后光伏電站諧波超標治理和電能質量改善將提供很好的借鑒和指導作用。