光伏發電系統并網的諧波治理

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有限公司，江西 南昌 330001）

近年來，在政府、電網企業、發電企業和用戶等的共同努力下，我國新能源產業的發展取得了巨大成就，對推動我國能源轉型、踐行應對氣候變化承諾發揮了重要作用。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生產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2030年碳達峰，努力爭取2060年前實現碳中和。隨著光伏、風電等新能源大量接入電網，由于其在發電過程中存在諸多問題，如能量不連續、電壓閃變、頻率波動以及諧波污染等，將對電網的運行和電能質量產生巨大的影響，從而對電網安全性和穩定性產生沖擊。本文主要解決光伏發電系統中的諧波問題。首先，通過分析光伏發電系統產生諧波的原因，闡述了諧波對電力系統運行的安全、可靠性可能造成的危害，最后針對實際項目中光伏發電產生的諧波提出了相應的抑制措施。

1.光伏發電系統諧波的產生及危害

1.1 光伏發電系統諧波的產生原因

光伏發電系統將太陽能通過光伏組件轉化為直流電能，再通過并網逆變器將直流電能轉化為與電網同頻率、同相位的正弦波電流，升壓并入電網。在這一過程中，會產生大量諧波。作為光伏發電并網系統中的核心器件，逆變器就是一個諧波發生裝置。目前大多數逆變器采用的是PWM（脈沖寬度調制）技術控制三相橋路導通與關斷，從而實現直流、交流逆變。在直流電壓（電流）轉變為正弦電壓（電流）的過程中，根據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。觸發角的選擇點決定了產生系統諧振的諧波頻率，而諧波含量可以通過提高逆變橋開關的切換速度來減少。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，主要來自變壓器的激磁電流。假設變壓器的鐵芯不存在磁滯，根據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，激磁電流和其產生的磁通之間不是線性關系，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，因此需要檢測設備更加靈敏、準確，但是目前設備儀器很難滿足此要求。采用PWM的控制原理本身就會產生大量的高次諧波和直流分量。光伏發電系統中，直流側存在電壓穩定性的問題。直流側輸入電壓的穩定性，對于逆變器的幅值穩定、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

諧波對電網產生的危害主要有以下幾方面：諧波的存在大大增加了電網中諧振的可能性，諧振會引起很高的過電壓或過電流，從而引發電力事故。諧波會增大變壓器等鐵芯設備損耗，降低其效率，并容易在運行過程中出現故障，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，發生重大事故。對通信系統產生干擾，諧波會降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳輸，嚴重的情況下，甚至會損壞通信設備。

2.諧波治理的措施

通過分析光伏發電系統的接入對電網造成諧波影響的原因可知，光伏發電會對電網穩定性、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電系統引起的諧波，提高輸出的電能質量。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，使其盡可能少發出諧波；通過補償的方式，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。根據逆變器運行的工作原理，其產生的諧波是無法完全消除的。現在市場上各型逆變器電能質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品，廠家經過內部算法優化，逆變器產生的諧波量也在不斷降低。目前，國內外廠家、科研院所一直在不斷努力，對逆變器的控制應用新的技術、新的設計，希望能夠更有效地減少諧波發生。因此選用優質的逆變器，可以從源頭上減少諧波電流、電壓的發生量。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，結構簡單。但存在濾除諧波相對單一，當系統參數發生變化，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，容易出現過補和欠補現象，且相應時間長。靜止無功發生器SVG是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現無功能量的變換。目前廣泛應用于無功補償、諧波治理、提高系統穩定性等方面。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本身不會產生諧波，且對系統參數不敏感，不發生諧波放大的情況，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，可以在系統側減少諧波量。

3.工程實例分析

某30MW光伏項目通過35kV開關站接入系統110kV變電站的35kV側III母母線，開關站初步設計方案為35kV母線采用單母線接線，其中1回并網線，2回集電線，無功補償采用1組±5MVar的SVG設備。光伏廠區內采用196kW組串式逆變器140臺，配套3150kVA箱變10臺，變比37/0.8kV。光伏廠區集電線采用電纜與架空線相結合的方式，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ETAP對本項目諧波進行建模和仿真工作。經仿真計算，疊加背景諧波后本光伏項目在PCC點（并網點）的諧波電流見表4.1。通過與折算后的PCC點（并網點）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）

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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《電磁兼容試驗和測量技術 供電系統及所連設備諧波、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。所以本項目SVG容量在原有無功補償的基礎上增加1.5MVar容量，調整為±6.5MVar。本項目并網后，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；

其中，SH,13表示13次諧波容量。

4.結語

針對光伏發電項目諧波的治理要因地制宜，首先要根據項目情況選用優質、適合的逆變器，從源頭上減少諧波；其次在電網中進行治理，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電接入電網后引起的電網電能質量問題越來越突出，本著誰產生誰治理的原則，要在項目科研、初步設計時，就應綜合考慮項目中諧波的治理方案，將危害降至最低。