光伏电站谐波超标的分析与治理

申杰兵，闫浩伟，张树宏

（1.大唐山西新能源公司，山西 太原 030002；2.山西大唐天镇清洁能源有限公司，山西 大同 038200）

0 引言

随着中国特色社会主义进入新时代，人们不断面临着来自气候恶劣、能源危机、环境污染、节能减排等诸多方面的挑战，以风能和太阳能为代表的清洁能源逐步登上能源舞台，对于解决雾霾污染、落实碳减排国际承诺、持续推进中国能源转型升级、实现能源清洁低碳安全高效发展具有战略意义。但新能源发电的快速崛起，对电网的安全、稳定、经济运行也带来一些不利影响。其中谐波超标也是一项重要问题，谐波的危害在于使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁；对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

1 设备现况

大唐天镇环翠山光伏电站于2013年投产发电，装机容量30 MW，电站建有1座35 kV升压站，主变压器为1台油浸自然风冷有载调压变压器，接线方式为Yd11。35 kV采用单母线接线方式，进线采用电缆，出线采用电缆和JL/G1A-300/25架空钢芯铝绞线，全长12.649 km；10 kV采用单母线接线方式，10 kV母线带有6条集电线路、1台站用变、1台SVG，1台消弧消谐装置。35 kV线路PT采用大连北方互感器集团有限公司生产的JDZX9-35Q型电压互感器，10 kV母线PT采用大连华亿电力电器有限公司生产的JDZJ-10Q型电压互感器。

电站采用36°固定倾角安装多晶硅光伏组件122 460块，汇流箱420台、逆变器60台，箱变30台，组成30个发电单元。每个发电单元由2台逆变器并联，经1台Dy11y11接线方式的双分裂升压变由315 V升压至10 kV,每5台箱变在高压侧并联为1个联合单元为1条集电线路。6条集电线路经出线开关送至10 kV母线后，经主变进行二次升压至35 kV，经35 kV单回线送至天镇县35 kV瓦窑口变电站。

2 谐波超标情况

2017年2月25日至3月1日，委托山西省电力科学研究院对大唐天镇环翠山光伏电站电能质量进行了测试，测试结果见表1。通过以上数据，可以看出以下几点。

a）环翠山光伏电站退出电网期间，并网点侧背景测试结果3次谐波电压含有率为3.31%，电压总谐波畸变率测量值3.67%。瓦窑口系统侧背景测试结果电能质量满足国标要求。

b）环翠山光伏电站正常并网运行期间，并网点3次谐波电压含有率为4.08%，5次谐波电压含有率为4.60%，电压总谐波畸变率测量值6.27%。3次谐波电流含量为2.61 A，5次谐波电流含量为15.36 A，7次谐波电流含量为6.03 A，其他各项满足国标要求。

表1 光伏电站电能质量测试数据

c） 主变低压侧10 kV 3次谐波电压含有率为30.09%，5次谐波电压含有率为5.70%，电压总谐波畸变率测量值30.45%。5次谐波电流含量为54.05 A，7次谐波电流含量为22.46 A；其他各项满足国标要求。

d） 集电Ⅰ线5B逆变器315 V侧：3次谐波电压含有率为21.51%，5次谐波电压含有率为6.23%，电压总谐波畸变率测量值22.48%；其他各项满足国标要求。

e）通过测试数据比较可以看出：并网点处谐波超标原因为站内自身所引起的。

3 分析制定测试方案

鉴于大唐天镇环翠山光伏电站谐波超标治理工作为山西省内首例新能源发电谐波超标治理，且电压和电流谐波超标情况复杂。为了彻底查清谐波超标原因，大唐山西新能源公司联系山西省电力科学研究院共同商讨测试方案，经多次开会讨论，最终确定采用分段式排除法进行测试，力争做到测试方案完善，能够测试出电站可能影响电能质量的所有设备在各种运行方式下的数据。通过数据对比分析，找出谐波超标原因，进行下一步治理工作。

a）光伏电站全站停运，测试背景电能质量，测空充电线路两端的电能质量情况（测试点为3057及 301）。

b） 301开关合闸，测1号主变投运后对并网点电能质量影响（测试点为3057及301）。

c） 301开关、801开关合闸，测10 kV母线运行时对并网点及主变低压侧电能质量影响（测试点为 3057、301、801）。

d） 301开关、801开关、817开关合闸，测SVG运行时对并网点及主变低压侧电能质量的影响（测试点为3057、301、801、817）。

e） 断开817开关，逐条投入集电线路、箱变及逆变器，测量 SVG停运的情况下集电线路、箱变及逆变器对并网点电能质量的影响（测试点为3057、301、801）。

f）合上817开关，测量光伏电站正常运行时的电能质量（测试点为3057、301、801、817、集电线路与逆变器）。

g） 对35 kV、10 kV电压互感器进行测试。通过对35 kV、10 kV电压互感器二次绕组的测量保护、计量、剩余绕组（开口三角）分别进行测量，确认是否因35 kV、10 kV电压互感器自身原因引起谐波超标。

4 测试数据

光伏电站各种运行方式下测试数据见表2。通过以上测试数据对比分析，可以看出以下几点。

a）环翠山光伏电站未发电时，35 kV瓦窑口侧3、5、7次谐波电压平稳且均不超标；环翠山侧35 kV并网点3次谐波电压超标，5、7次谐波电压不超标。

b） 环翠山光伏电站1号主变投运，对35 kV瓦窑口侧和环翠山侧35 kV并网点3、5、7次谐波电压无明显影响；主变10 kV低压侧3次谐波电压超标，5、7次谐波电压不超标。

c）SVG投运，对35 kV瓦窑口侧和环翠山侧35 kV并网点和主变10 kV低压侧3、5、7次谐波电压无明显影响。

d）集电线及逆变器陆续投运，对35 kV瓦窑口侧和环翠山侧35 kV并网点3次谐波电压无明显影响，但随着集电线及逆变器投运数量的增加，35 kV瓦窑口侧和环翠山侧35 kV并网点5、7次谐波电压和3、5、7次谐波电流呈逐渐增大趋势。

e）集电线及逆变器陆续投运，对主变10 kV低压侧3次谐波电压无明显影响，但随着集电线及逆变器投运数量的增加，主变10 kV低压侧5次谐波电压和3、5、7次谐波电流呈逐渐增大趋势。

针对环翠山侧35 kV并网点和主变10 kV低压侧3次谐波电压数据在各种运行方式下基本不发生变化的特点，继续进行了35 kV、10 kV电压互感器测试工作。

表2 光伏电站各种运行方式下测试数据

5 谐波超标原因分析

a） 通过10 kV母线电压互感器测量保护绕组和计量绕组3、5、7次谐波电压测试数据对比：测量保护绕组和计量绕组5、7次谐波电压数据基本一致，3次谐波电压数据存在严重不一致且远超出国标限值。初步判断为10 kV PT测量保护绕组自身存在问题导致10 kV母线三次谐波电压超标。

b） 通过35 kV母线电压互感器测量保护绕组和计量绕组3、5、7次谐波电压测试数据对比：测量保护绕组和计量绕组3、5、7次谐波电压数据基本一致，开口三角处测得1.18 kV零序电压。对35 kV PT开口三角处检查发现，为限制高压涌流和铁磁谐振，在35 kV PT开口三角处安装了南京创迪有限责任公司生产的LXQ（D） Ⅱ-35型消谐器，后经过查阅相关资料得知，LXQ（D） Ⅱ-35型消谐器当谐波电流过大时，会引起虚幻的三相电压不平衡和系统谐波含量增大。

c）随着集电线及逆变器投运数量的增加，35 kV瓦窑口侧和环翠山侧35 kV并网点及主变10 kV低压侧5、7次谐波电压和3、5、7次谐波电流呈逐渐增大趋势，可以得出光伏电站逆变器为谐波源，存在集群放大作用。随着逆变器投运数量和发电负荷的增加，5、7次谐波电压和3、5、7次谐波电流增大，导致35 kV并网点和主变10 kV低压侧5次谐波电压，3、5、7次谐波电流超标。

6 谐波治理方案

a）根据10 kV母线3次谐波电压在不同方式下基本不变的特征和测量保护绕组与计量绕组3次谐波电压数据严重不一致的情况，采用更换原厂家原型号电压互感器的方法加以解决。

b） 根据35 kV并网点3次谐波电压在不同方式下基本不变的特征和开口三角处安装LXQ（D）Ⅱ-35型消谐器的情况，采用加装LXQ（D）Ⅱ-35型消谐器附件——三次谐波限制器加以解决，三次谐波限制器用于限制YO接线PT一次绕组中性点与地之间接入LXQ（D） Ⅱ型消谐电阻器后，在PT二次侧开口三角两端的三次谐波电压升高。

c） 根据光伏电站逆变器存在集群放大作用，导致35 kV和10 kV系统5、7次谐波电压和3、5、7次谐波电流超标的情况，在对分布式低压APF、集中式高压APF和无源滤波器（FC） 3种谐波治理设备优缺点充分比较的基础上，结合现场实际情况，采用在10 kV母线装设1套高压有源滤波装置，容量4 Mvar，具备2～25次谐波综合治理能力，自动检测并消除谐波。

7 谐波治理方案仿真验证

确定采用辽宁荣信兴业电力技术有限公司生产的型号为HAPF-4-10-TAOY有源电力滤波器后，为避免高压APF投运后对系统及SVG等设备发生对冲及其他不利影响，委托辽宁荣信兴业电力技术有限公司技术人员从HAPF对系统及SVG影响、集电线投切对SVG、APF影响、SVG响应AVC指令时对HAPF影响等方面进行了仿真验证。

7.1 PSCAD仿真参数设置

35 kV最小短路容量，150 MVA；主变容量，31.5 MVA；电压变比，35/10 kV；联结组别，Yd11；阻抗电压，0.78%。10 kV最小短路容量，139 MVA。

箱变容量，30 MVA；电压变比，10/0.315 kV；联结组别，Dy11y11；阻抗电压，4.01%。

0.315 kV侧 3次谐波为 5.42×60=325.2 A；0.315 kV侧 5次谐波为 25.86×60=1 551.6 A；0.315 kV侧 7次谐波为 13.48×60=808.8 A；10 kV SVG5次谐波为8.24 A；0.315 kV侧发送有功19.5 MW，2 Mvar无功。HAPF容量，±4 Mvar（实现谐波电流补偿）；SVG容量，±7.5 Mvar（实现无功补偿）。

7.2 HAPF控制策略

控制策略说明：仿真中采用多同步旋转坐标系下谐波补偿算法，为达到线性同步旋转标变换的目的，通过检测系统公共耦合点处的三相电压，采用dq数字锁相技术实现精确锁相，提取基波和谐波同步旋转坐标变换所需的频率和相位。

控制系统由1个电压控制环，d轴、q轴2个基波电流控制环及2组谐波电流控制环组成。直流电压控制环的输出作为基波有功电流控制器的指令信号，采用传统的PI控制。基波电流控制环同样采用传统的PI控制，直流侧电压外环PI输出作为有功电流内环指令参考值，实现有功功率调节；无功电流内环参考值需根据向电网输送的无功功率获取；谐波电流检测和控制在谐波旋转坐标下实现，谐波电流通过相应的谐波旋转坐标变换转成直流量，通过低通滤波器提取直流量，采用传统的PI控制器即可实现对指定次谐波电流的无静差控制。

HAPF指令电压是基波和谐波电流控制器输出的叠加，由于指定次谐波电流控制器在相应的各次谐波旋转坐标系中实现，因此需要通过谐波到基波的旋转坐标变换到基波旋转坐标系下进行指令电压的叠加，以在基波旋转坐标系中实现SPWM调制。通过对比补偿前后电网电压、电流谐波THD可以看出，投入HAPF后电网电流谐波得到明显抑制，由此谐波电流引起的谐波电压同时得到明显改善；HAPF投入过程对电网有功功率无影响，对无功功率有积极影响；同时，可以看出，HAPF投入及正常运行不会对SVG产生影响（见表3）。

表3 HAPF补偿前后电网各节点电流数据对比表

7.3 集电线投切对SVG、APF影响仿真

仿真工况说明：0.315 kV侧发送有功19.5 MW、2 Mvar无功；0.315 kV侧0.7 s时刻注入5次谐波1 620 A、7次谐波850 A；SVG 0.3 s时刻启动、恒电压工作模式，电压目标35 kV，HAPF 0.5 s时刻启动，1 s时刻使能谐波补偿，1.4 s时刻，10 kV侧模拟投切集电线，投切6 MW有功、6 Mvar无功时SVG可以正常控制电网35 kV电网电压、HAPF可以正常补偿负载谐波电流。

7.4SVG响应AVC指令时对HAPF影响仿真

仿真工况说明：0.315 kV侧发送有功19.5 MW、2 Mvar无功；0.315 kV侧0.7 s时刻注入5次谐波1 620 A、7次谐波850 A；SVG 0.3 s时刻启动、恒电压工作模式，电压目标35 kV，HAPF 0.5 s时刻启动，1 s时刻使能谐波补偿，1.5 s时刻，SVG电压控制目标由35 kV变为36.75 kV（1.05p.u.），SVG电压阶跃响应时HAPF可以正常补偿负载谐波电流。

7.5 结论

图1 电能质量治理系统

从以上仿真试验可知，投入HAPF后，电网电流谐波成分可以得到明显抑制；HAPF的投入不会影响电网电能质量及SVG稳定运行；SVG阶跃响应不会影响HAPF正常运行；集电线负荷投切不会影响SVG、HAPF正常运行。

8 谐波治理方案实施及优化

有源电力滤波器APF（active power filter）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离，控制并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功和不平衡。

环翠山光伏电站电能质量谐波治理工程的系统如图1所示，在左侧SVG接入点处装设并联高压型APF。SVG可以对负载侧的无功电流进行补偿，提高电网的功率因数；高压APF则对谐波进行集中治理，具备2～13次谐波综合补偿能力。2套补偿装置在投入运行后可以有效改善电网电能质量。

2018年5月3日—5月4日，天镇环翠山光伏电站全站停电，对电能质量谐波超标治理方案进行了实施。10 kV母线更换原厂家原型号电压互感器后，主变10 kV低压侧3次谐波电压为0.6%，不超国标限值；35 kV母线并网点PT在对LXQ（D）Ⅱ-35型消谐器加装三次谐波限制器后，35 kV母线并网点3次谐波电压为1.43%，不超国标限值。

2018年5月5日07时20分，1号HAPF装置调试完毕，投入正常运行，能够有效抑制35 kV和10 kV系统5、7次谐波电压和3、5、7次谐波电流不超标。2018年5月6日18时，现场运维人员发现主变噪声大，随后立即停止HAPF的运行，主变异常噪声消除。联系辽宁荣信兴业电力技术有限公司技术人员分析发现HAPF设备电流抑制环路KP和KI过大，引起电流环PID调节超调，导致7次谐波电流放大，技术人员到场修改电流环参数，并且对电压锁相环偏差自动修正后，APF装置运行未出现异常。

9 谐波治理后效果

电站正常运行时，测试并网点、集电线、无功补偿装置各点时，投运HAPF和退出HAPF运行时的谐波数据如表4所示。

表4 测试数据对比表

10 结束语

针对大唐天镇环翠山光伏电站谐波超标的问题，通过各种运行方式的测试，对数据的对比分析，找出谐波超标真正原因，制定解决方案，进行仿真验证，通过改造后出现问题的优化和效果对比，解决了天镇环翠山电能质量谐波超标的问题。作为山西省内第一个新能源发电谐波超标治理的成功案例，对今后光伏电站谐波超标治理和电能质量改善将提供很好的借鉴和指导作用。