光伏电站接入电网前谐波评估及治理分析

国网湖北省电力有限公司武汉供电公司 余 俊

为应对全球化气候变化，2020年9月22日习近平主席在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布，中国将力争于2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。构建以可再生新能源为主体的新型电力系统是实现“双碳”战略目标的重要举措，也是应对全球化石能源枯竭的关键策略[1]，构建以新能源为主体的新型电力系统是电力行业转型升级的内在要求。近年来，随着电力电子技术、控制技术、数字挖掘与分析技术等的广泛应用，我国新能源发电渗透率快速提高，同时储能、电动汽车规模不断扩大，使得电网结构更为复杂、电网运行机理更难以掌握。

随着光伏、风电为代表的可再生新能源渗透率不断提高，伴随着海量电力电子器件接入系统，使得电网电能质量更受关注，特别是谐波、电压暂降等问题。光伏、风电等可再生新能源自生出力的间歇性和不确定性，进一步加剧电网电能质量问题[2-4]。以光伏发电为例，可采用分布式、集中式等方式发电，光伏PV 板基于光生伏打效应将太阳能转换低压直流电，随后低压直流电能通过逆变器变换后接入变压器提升电压等级以便并网或就地使用，这其中光伏逆变器使用电力电子设备进行逆变，因此对光伏发电，特别是集中式光伏电站表现的谐波水平影响较大，集中式光伏电站直接接入电网很可能引起电网谐波放大甚至超标。

为此，基于光伏电站电气结构开展并网前的谐波发射水平评估对于电网侧至关重要，同时基于评估结果开展治理分析可有效指导光伏电站接入前谐波治理设备规划。本文以某实际在建的光伏电站为对象开展谐波发射特性的仿真分析，根据谐波电压、电流特性采用SVG 滤波+无源滤波的方案进行治理，最终可以保证光伏电站接入电网时谐波指标满足要求。

1 光伏电站谐波仿真分析

光伏电站谐波源主要是逆变器，逆变器中大量使用电力电子器件将直流变换为交流，为此首先需要获得逆变器谐波频谱，再基于光伏站内拓扑及系统拓扑进行仿真。同时还需考虑集电线路、变压器等电气设备的影响。

1.1 逆变器谐波特性

光伏电站使用的逆变器容量为196kW，选择已并网运行的使用相同型号逆变器某光伏电站开展谐波测试，在额定功率下其谐波电流频谱如图1所示。从图中可知，三相各次谐波电流存在较大差异，以2次、3次及25次最为明显，为了平抑该差异，仿真时使用三相平均值表征逆变器的谐波发射特性。在逆变器的2～25次谐波电流中，以2次、11次、19次含有率表现最为突出，其中2次谐波电流含有率为0.8%，11次谐波电流含有率为0.7%，19次谐波电流达到了1.0%，因此逆变器的谐波发射特性不能忽略。使用聚类算法对逆变器谐波电流发射特性进行分析，最优聚类类型为3，得到以2次、7次、18次为聚类中心的三类聚类结果。

图1 额定功率下的逆变器谐波频谱

1.2 光伏并网谐波特性

所仿真光伏电站通过110kV 送出线路接入电网系统某变电站的中压侧，通过仿真得到系统侧变电站中压侧的谐波电压（不考虑系统侧自生谐波），其电压频谱如图2所示，该站中压侧谐波电压以22次最大，含有率为1.846%，已超过国标限值1.6，除5次外其他谐波电压未出现超标，但25次谐波电压也达到了1.387%。

图2 并网站谐波电压频谱

此时，110kV 送出光伏线路的电流波形呈现显著的锯齿状，谐波畸变就位严重（图3），通过FFT变换计算获得电流频谱后，发现其22次、25次谐波电流幅值较大且22次谐波电流超标。

图3 光伏送出线路电流波形

考虑到滤波设备加装于光伏升压站低压侧，即35kV 侧，仿真获得升压站35kV 侧的谐波电流频谱如图4所示，其中22次谐波电流幅值最大，其次为25次。

图4 光伏站35kV 侧谐波电流频谱

将图3与图1相比对比，不难发现图1中的逆变器的22次谐波电流含有率较小，因此逆变器不是引起35kV 侧及220kV 送出线路22次谐波电流幅值超标的原因。综合光伏电站的电气结构，认为极大可能是系统阻抗引发该现象。为了验证该分析，精细化收集光伏站内PV 板、集电线路及变压器等阻抗信息后，获得系统阻抗特性（图5），其在22次附近存在谐振点，因此对22次附近谐波电流放大。

图5 光伏站系统阻抗

2 谐波治理

2.1 谐波危害

光伏电站并网后对系统谐波产生较为显著的污染，特别是以22、25次为中心的谐波电流超标问题，若不采取治理手段可能带来多方面的危害，主要体现如下。

影响电能表计量精度，当谐波功率与基波功率方向一致时，电能计量结果为基波电能与谐波电能之和，反之则为基波功率减去谐波功率；继电保护装置的影响，可能引起系统中各类保护装置误动或拒动，特别是以微机保护、综合自动化装置为主体系统中表现最为突出，严重时造成区域系统崩溃、扩大故障区域；对系统设备影响，具体表现为加速设备绝缘老化，降低设备使用寿命。

线路发热，在三相对称系统中三次谐波相位相同，通过中性线叠加后产生3倍于相线的谐波电流和谐波电压，从而导致中性线温度升高。同时，当高频电流通过导线时线路外表面电流密度加大，导致线路发热，影响基波电能传输效率。

由于系统中的谐波作用，一般可能造成如下影响：电容器组过电压、电容器组过电流、无功出力增加、过负荷、电容器谐波共振。谐波可造成电容器过流、过负荷，使保险丝熔断，无法投入运营。一般情况下，谐波对电容器的过电流和无功出力影响较大。另外，并联电容器与系统电感元件构成的回路中，在3，5次谐波附近容易出现谐波共振，导致电容器严重过负荷，造成电容器严重损坏，或无法运行。

2.2 谐波要求

为了促进光伏电站的健康发展，保证其可靠并网运行，有必要从电网的角度对光伏电站运行引起谐波提出要求。依据GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》的规定开展谐波治理分析。本项目仿真对象为110kV 电压等级，标准中规定谐波总畸变率不超过2%，单次谐波中奇次谐波不超1.6%，偶次谐波不超过0.8%。同时，公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过规定的表格，结合短路容量、供电设备容量、供电协议容量得到相应线路各次电流谐波限值。

2.3 治理仿真

现有的谐波治理设备种类繁多且各有优缺点，考虑到光伏站内需要加装SVG 支撑站内电压调节，因此优先选择SVG 作为滤波设备治理该光伏电站的谐波问题。根据35kV 侧谐波电压、谐波电流及谐波相角算得2～25次谐波功率为4.3MVar，即要求SVG的滤波容量不小于4.3MVar。

选用国内典型的SVG 进行滤波，投入SVG 后接入变电站的中压侧谐波电压频谱如图6所示，从图中可知2～25次谐波电压含有率显著降低，电压含有率最高次为22次，仅为0.347%，已满足国标要求，其他各次谐波含有率均满足国标。

图6 svg 治理后接入站内中压侧谐波电压频谱

同时，经过SVG 治理后110kV 光伏送出线路的谐波电流也显著降低，但从图7可知22次谐波和25次谐波电流幅值依然较大，分别为5.865A、4.793A，通过系统短路容量、供电设备容量、供电协议容量评估，22次谐波电流依然超标。此时，仅投入SVG可解决谐波电压超标问题，但未达到谐波电流治理要求。

图7 svg 治理后光伏送出线路谐波电流频谱

为此，进一步投入LC、LCR 等无源滤波进行治理。经调优，投入的无源滤波容量为5MVar 时谐波治理效果较好，谐波电流频谱如图8所示，各次谐波幅值已非常小，谐波电流最大值是25次，幅值仅为1.059A，全部低于谐波限值。

图8 无源滤波+svg 治理后光伏送出线路谐波电流频谱

治理后的110kV 光伏送出线路谐波电流波形如图9所示，相较于图3已非常平滑，已基本接近标准正弦波。同时，在SVG 的基础上投入无源滤波设备后，系统侧变电站的中压侧谐波电压含有率进一步降低（图10），其中21次谐波电压含有率已非常小，相比之下23次谐波最大也仅仅为0.228%，2～25次谐波电压含有率远远低于国标限值。

图9 无源滤波+svg 治理后光伏送出线路电流波形

图10 无源滤波+svg 治理后接入站内中压侧谐波电压频谱

综上可知，光伏电站所表现出的谐波超标问题可通过滤波设备补充治理，但仅依靠某类设备不一定达到治理要求。就本文的对象而言，投入SVG 虽可保证谐波电压不超标，但22次谐波电流幅值依然超标；进一步，采用成本较低的无源滤波器补偿后，光伏侧和系统侧谐波电压、谐波电流均满足国标要求。因此，在光伏电站，特别是集中式光伏电站中加装滤波设备非常必要。

随着电网形态和控制技术的发展，仅考虑2～25次谐波可能不能完全满足现有分析需求，建议扩展谐波次数至50次。建议在集中式光伏电站的送出线路处安装一套专用的在线式电能质量监测装置，通过该装置可实时、准确的掌握谐波光伏电站谐波发射特性。

3 结语

光伏发电是未来电网最重要的能源之一，然而光伏并网可能造成电网谐波超标，危害电网设备及系统运行安全。为此，本文以某实际的光伏电站为对象仿真分析其谐波特性。在不考虑背景谐波的情况下，光伏发电可引发谐波、电流超标，验证了光伏发电并网可能恶化电网谐波的推测。根据GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》的要求开展谐波治理，当前可选的谐波治理方案还是比较多的，但是从工程应用、经济性等方面考虑，SVG 是最为典型的方案。然而基于SVG 还是未完全解决谐波电流超标问题，进一步的选用SVG+无源滤波的治理方案，通过仿真结果可以知道该方面下可实现接入电网谐波电压和谐波电流不超标。该项工作对指导光伏电站谐波接入评估和谐波治理提供了依据和支撑。