光伏電站集電系統諧波過電壓監測與分析

摘要：本文針對青海烏蘭光伏電站電氣拓撲，對光伏電站中諧波電壓在各節點的分布規律及光伏電站各節點對于諧波諧振的參與因子進行研究，結合電能質量及過電壓現象的監測通用準則及相應分析結果，制定光伏電站集電系統諧波過電壓監測布點原則。

關鍵詞：監測布點;電網阻抗;諧波特征;諧波諧振

中圖分類號：TK0文獻標識碼：A

1光伏電站諧振分析

1.1解析分析[1]

光伏電站及電網基波域等值電路如圖1所示。

式（7）為光伏電站配網基波域數學模型，為對稱二端口網絡[2， 3]。背景諧波電壓與輸電線路參數匹配導致串聯諧振，造成嚴重的諧波電壓放大;當背景諧波電流與配網輸電線路參數匹配導致并聯諧振，造成諧波電流放大，進而提升系統的諧波含量。

1.2仿真分析

圖2為青海格爾木某50MW光伏電站及電網結構，通過變壓器1接入110kV母線。其中U1為并網點電壓，I1為出線電流。經過架空線1，通過變壓器2升壓到330kV，經過架空線2接入系統。其中U2為變壓器2中壓側電壓，I2為中壓側電流，U3為高壓側電壓，U4為系統送端電壓。

該系統中，架空線1傳輸距離較短，可驗證短距離輸電對諧波電流的諧振情況;架空線2距離較遠，可驗證長距離輸電對諧波電壓的諧振情況。光伏電站滿出力運行，U4由變電站人員提供。

（1）諧波電壓

圖3（a）為U4及U3A相頻譜含量，可得，U3在5、7次諧波電壓下放大較為明顯。圖3（b）為U2及U1頻譜含量，二者基本相似。經過140km的LGJ400架空線，3次諧波無明顯變化，5次諧波電壓被放大了2.16倍，7次諧波電壓放大了2.4倍，11、13次有較大的衰減。13km的LGJ180架空線對諧波電壓的影響甚微。

（2）諧波電流

圖4（a）為I1及I2三相電流波形，可以看出，I1平滑，I2存在高頻毛刺。圖4（b）為A相頻譜含量，可以看出，高次諧波有明顯的放大。

2? ?光伏電站諧波過電壓監測布點研究

本章通過相應分析結果，制定光伏電站集電系統諧波過電壓監測布點原則。

2.1 光伏電站各節點參與因子分析

本節分析各個因素變化后對諧振監測布點的影響。

接線方式一：變壓器參數：額定容量為1MVA，變比為10.5/270/270，分裂系數Kf=3.9，短路阻抗為5.5%。

接線方式二：變壓器的參數：額定容量為1MVA，變比為10.5/270，短路阻抗為6.02%。

分析發現，同類節點之間的差異性較小。對于40次諧波以內低頻諧振頻率，逆變器出口側的參與因子更大，這意味著在逆變器出口側更能觀測到諧波現象，同樣的，在這些節點采取諧波抑制措施也最為有效;對于40次諧波以上的高頻諧振頻率，發電單元出口側的參與因子更大，這意味著在發電單元出口側更能觀測到諧波現象。

2.2 電能質量監測關鍵點配置

隨著光伏電站數量的增加，電網呈現出多諧波源、多分布參數特性，使得電網的諧波傳輸和放大特性變得復雜，從而難以從某一點的諧波特性來評估整個光伏電站的諧波水平。同樣，隨著光伏發電滲透率的增加，由此產生的光伏電站的電壓波動疊加和閃變問題日漸突出。因此光伏電站諧波監測關鍵點的選擇需要從以下三個方面進行考慮。

（1）嚴格滿足電能質量相關標準的要求;

（2）滿足要求嚴格的用戶和電壓敏感用戶的特殊需求及協議用戶的要求。

2.3電能質量監測布點原則

光伏電站電能質量監測布點的原則如下：

（1）以少量監測點獲取整個系統諧波狀況;

（2）配置據電網正常運行方式選擇;

（3）監測點配置在系統諧波敏感側、光伏電站并網點以及諧波污染源用戶側;

（4）監測點的配置根據需要可以靈活接入、退出。

2.4 光伏電站諧波過電壓監測布點方案

諧波過電壓監測布點方案如下：

（1）監測點應在若干影響系統諧波的關鍵位置。滿足“電能質量測試點應設在光伏電站并網點和公共連接點”的要求。

（2）光伏電站應在并網點裝設諧波過電壓實時監測裝置。

（3）對于采用相同型號逆變器的光伏電站，可選擇某一光伏發電單元箱變低壓側作為諧波過電壓的監測點;對于大型或中型光伏電站適當考慮地理分布特性。

（4）對于采用不同型號逆變器的光伏電站，在使用不同型號逆變器的發電單元的箱變低壓側分別設置監測點，同時在光伏電站的匯集母線處設置監測點。對于大型或中型光伏電站適當考慮地理分布特性。

（5）對于大量采用組串式逆變器的大型或中型光伏電站，建議連續監測諧波過電壓。

（6）諧波過電壓監測之前，可對光伏電站進行定制化評估其發生諧波過電壓的風險、分析電站不同運行工況下的諧波諧振頻率及模式，以使得監測與布點具有針對性和靈活性。

3? ?小結

本文對諧波特性、諧波放大系數與輸電線路距離、諧波次數等的關系進行分析。針對青海烏蘭某光伏電站諧波電壓在各節點的分布規律，及光伏電站各節點對于諧波諧振的參與因子進行研究;最后，在歸納梳理電力系統電能質量及過電壓現象的監測通用性準則基礎上，結合相應分析和仿真結果，制定光伏電站集電系統諧波過電壓監測布點原則。

參考文獻

[1] 趙勇， 楊子龍， 曹篤峰， 等. 弱電網中光伏電站并網點諧波分析與抑制[J]. 太陽能學報， 2018，39（01）： 117-123.

[2] 郭小強， 張雪. 一種新型離散域數字化并網同步方法研究[J]. 太陽能學報， 2019，40（01）： 220-228.

[3] 朱永強， 郝嘉誠， 唐萁， 等. 大型光伏電站集電系統諧波傳遞網絡分析[J]. 電力建設， 2016，37（10）： 122-129.

作者簡介：祁海全（1974），男，工程師，主要從事新能源、離網獨立光伏、電力系統