光伏电站电能质量评估及谐波治理研究

夏巨龙

（湖南动力源电力勘测设计有限公司，湖南 长沙 410021）

0 引 言

随着全球经济的快速发展和传统石化能源的日趋衰竭，以太阳能光伏、水力、风能、生物质等技术含量较高的可再生新能源产业的开发和利用，成为世界各国重要的能源战略[1]。据国家能源局统计，截至2020年底，我国可再生能源发电装机达到9.34×108kW，同比增长约17.5%。其中，水电装机3.7×108kW（其中抽水蓄能3.149×107kW），风电装机2.8×108kW、光伏发电装机2.53×108kW，生物质发电装机2.952×107kW。太阳能光伏发电装机容量的年增长速度一直位居前列，预计我国“十四五”期间年新增装机容量将在70～90 GW内。随着光伏发电规模不断扩大，其对接入电网系统的影响越来越得到重视。以电力电子装置作为能量转换的太阳能光伏发电系统，电力电子装置产生的谐波对光伏并网系统的电能质量带来了较大影响[2-4]。

本文以湖南省常德市特养场100 MW光伏电站项目为设计案例，主要从电力接入系统、谐波电压电流限值与现状、谐波计算网络建模以及滤波器配置方案等几个方面进行分析，确定本光伏电站的谐波治理方案，确保光伏电站电能质量满足国家标准和电网公司接入要求。

1 电力接入系统

鼎城区电网拥有220 kV公用变1座（铁山），主变容量为300 MVA，拥有110 kV公用变7座，主变容量为377.5 MVA，拥有110 kV线路12条，长度为186.5 km，拥有35 kV公用变10座，主变容量为122 MVA，此外拥有35 kV线路19条，长度为245.7 km。

特养场光伏电站项目附近有断港头110 kV变电站（2×31.5 MVA）、白鹤山110 kV变电站（1×50 MVA）、祝丰110 kV变电站（2×320 MVA）以及同心220 kV变电站（1×180 MVA）等几个就近系统变电站，还有断港头～浮桥110 kV线路、断港头～白鹤山110 kV线路以及断港头～祝丰110 kV线路3条110 kV架空线路，具体如图1所示。

图1 接入系统示意图

从送出可靠性、远景适应性、运行灵活性以及系统潮流分布和经济性等多方面比较，特养场光伏电站以一回110 kV线路T接至断港头～浮桥110 kV线路上电能损失费用最低、实施及过渡容易，作为本光伏电站项目的推荐电力接入系统方案。

2 谐波电压电流限值及现状

2.1 计算基准和谐波电压限制

本项目电网公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）为浮桥220 kV变电站或断港头110 kV变电站的110 kV母线，其最小运行方式下的母线短路容量分别为1 608 MVA和882 MVA[5-7]。根据《电能质量公用电网谐波》(GB/T 14549-93)规定，公用网谐波电压限制如表1所示。

表1 公用网谐波电压限值

浮桥和太子庙两座220 kV变电站的背景谐波分别如表2和表3所示，其中浮桥、太子庙变电站的220 kV母线谐波电压总畸变率分别为0.73%和0.66%。为校核光伏电站对系统的影响，取谐波电压总畸变率大的浮桥变电站的背景谐波作为同型220 kV变的背景谐波。

表2 浮桥220 kV变电站的谐波电压总畸变率现状

表3 太子庙220 kV变电站的谐波电压总畸变率现状

2.2 总谐波电流限值

根据《电能质量：公用电网谐波》技术要求，110 kV对应基准容量750 MVA下各次谐波电流允许值见GB/T 14549—1993表2中给出的各次谐波电流限值[8]。实际变电站谐波电流允许值按系统实际的最小短路容量进行换算，即：

式中，Sk1为公共连接点的最小短路容量，单位为MVA；Sk2为基准短路容量，单位为MVA；Ihp为基准短路容量对应第h次谐波电流允许值，单位为A；Ih为短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值，单位为A。

特养场光伏电站注入系统变电站（浮桥或断港头变）的各谐波电流允许值计算为：

式中，Si为特养场光伏电站用户的用电协议容量，单位为MVA；ST为公共连接点的总供电容量，单位为MVA；Ihi为特养场光伏电站用户对应第h次谐波电流允许值，单位为A；a为相位迭加系数。

考虑特养场光伏电站的协议容量、浮桥变电站的主变容量或断港头变电站的主变容量及PCC点转供容量，分别计算浮桥PCC点和断港头PCC点总供电容量。特养场光伏电站的协议容量为100 MVA，浮桥220 kV变电站的主变容量为360 MVA，断港头110 kV变电站的主变容量为2×31.5 MVA，PCC点总的供电容量分别为360 MVA和90 MVA。计算得特养场光伏电站注入浮桥220 kV和断港头110 kV变谐波电流限值见表4和表5，可知光伏电站送至断港头110 kV变考核条件更为严格，故光伏电站电能质量按送断港头变进行计算。

表4 特养场光伏电站注入浮桥220 kV变谐波电流限值

表5 特养场光伏电站注入断港头110 kV变谐波电流限值

3 谐波计算网络建模及分析

对于光伏电站，谐波的产生主要是来自逆变器。在谐波计算过程中，根据逆变器厂家提供的谐波含有率建立谐波源模型。特养场光伏电站装机容量为100 MW（5×19.86 MW），分成5组，每组均为19.86 MW。在谐波计算时，光伏电站按50%出力和100%出力2种情况考虑，电站注入断港头变110 kV母线的谐波电流见表6和表7。

表6 电站50%出力时，电站注入断港头变110 kV母线的谐波电流

表7 电站100%出力时，电站注入断港头变110 kV母线的谐波电流

当光伏电站按50%出力运行时，7次和11次谐波电流为4.20 A和4.10 A，超过了4.12 A和3.02 A的国标限值，5次、13次、17次以及19次谐波电流较大，分别为3.90 A、2.60 A、1.20 A以及1.10 A。当光伏电站按100%出力运行时，7次谐波电流为5.50 A，超过了4.12 A的国标限值，5次、11次以及13次谐波电流较大，分别为4.10 A、1.80 A以及2.30 A。故建议光伏电站采取滤波措施，用于滤除5次、7次、11次、13次、17次以及19次等谐波电流，使得光伏电站产生的谐波电流在各运行情况下均满足国标要求。

4 滤波器配置方案

根据接入系统报告，光伏升压站建议装设容量为20 Mvar的容性无功补偿装置和10 Mvar的感性无功补偿。无功补偿装置可采用9+11 Mvar（FC+SVG）方案，根据单调谐波滤波器的要求满足nXL=Xc/n，则可以滤除n次谐波。其中XL为串联电抗器基波电抗，Xc为并联电容器基波容抗，n为谐波次数。

满足上述配置的单调谐滤波器组对各次谐波达到最好的滤波效果[9,10]。由于特养场光伏电站产生的非线性负荷以5次、7次、11次、13次、17次以及19次等谐波电流为主，建议配置两组单调谐滤波电容器FC，分别是5 Mvar的5次谐波滤波器和4 Mvar的7次谐波滤波器。考虑设备参数的误差，为保证失谐情况下仍具有最佳的滤波效果，在实际情况中还需调整滤波器参数，仿真验证计算结果见表8和表9。

表8 电站50%出力时，电站注入断港头变110 kV母线的谐波电流

表9 电站100%出力时，电站注入断港头变110 kV母线的谐波电流

在本次计算中，配置一组5 Mvar的5次单调谐滤波器、一组4 Mvar的7次单调谐滤波器，集中安装在光伏电站升压站的35 kV母线侧。光伏电站在配置5次和7次单调谐滤波器后，5次、7次、11次、13次、17次以及19次等谐波电流得到显著下降，各种运行方式下的各次谐波电流都能满足国标要求。

5 结 论

谐波会对光伏电站内电气设备造成一定的危害，并影响到发电、输电、配电以及用电等各个电网运行环节，故及时消除谐波对保持电网稳定性具有重要意义。本文通过在光伏电站35 kV母线上配置5次和7次单调谐滤波器后，有效地滤除了各次超标谐波电流，并低于相应的国标限值。本项目已并网发电，通过并网后的电能质量在线监测，无谐波超限的情况发生，故采用增加单调谐滤波器对滤出谐波具有理论和现实意义。