光伏电站集电系统谐波过电压监测与分析

摘要：本文针对青海乌兰光伏电站电气拓扑，对光伏电站中谐波电压在各节点的分布规律及光伏电站各节点对于谐波谐振的参与因子进行研究，结合电能质量及过电压现象的监测通用准则及相应分析结果，制定光伏电站集电系统谐波过电压监测布点原则。

关键词：监测布点;电网阻抗;谐波特征;谐波谐振

中图分类号：TK0文献标识码：A

1光伏电站谐振分析

1.1解析分析[1]

光伏电站及电网基波域等值电路如图1所示。

式（7）为光伏电站配网基波域数学模型，为对称二端口网络[2， 3]。背景谐波电压与输电线路参数匹配导致串联谐振，造成严重的谐波电压放大;当背景谐波电流与配网输电线路参数匹配导致并联谐振，造成谐波电流放大，进而提升系统的谐波含量。

1.2仿真分析

图2为青海格尔木某50MW光伏电站及电网结构，通过变压器1接入110kV母线。其中U1为并网点电压，I1为出线电流。经过架空线1，通过变压器2升压到330kV，经过架空线2接入系统。其中U2为变压器2中压侧电压，I2为中压侧电流，U3为高压侧电压，U4为系统送端电压。

该系统中，架空线1传输距离较短，可验证短距离输电对谐波电流的谐振情况;架空线2距离较远，可验证长距离输电对谐波电压的谐振情况。光伏电站满出力运行，U4由变电站人员提供。

（1）谐波电压

图3（a）为U4及U3A相频谱含量，可得，U3在5、7次谐波电压下放大较为明显。图3（b）为U2及U1频谱含量，二者基本相似。经过140km的LGJ400架空线，3次谐波无明显变化，5次谐波电压被放大了2.16倍，7次谐波电压放大了2.4倍，11、13次有较大的衰减。13km的LGJ180架空线对谐波电压的影响甚微。

（2）谐波电流

图4（a）为I1及I2三相电流波形，可以看出，I1平滑，I2存在高频毛刺。图4（b）为A相频谱含量，可以看出，高次谐波有明显的放大。

2   光伏电站谐波过电压监测布点研究

本章通过相应分析结果，制定光伏电站集电系统谐波过电压监测布点原则。

2.1 光伏电站各节点参与因子分析

本节分析各个因素变化后对谐振监测布点的影响。

接线方式一：变压器参数：额定容量为1MVA，变比为10.5/270/270，分裂系数Kf=3.9，短路阻抗为5.5%。

接线方式二：变压器的参数：额定容量为1MVA，变比为10.5/270，短路阻抗为6.02%。

分析发现，同类节点之间的差异性较小。对于40次谐波以内低频谐振频率，逆变器出口侧的参与因子更大，这意味着在逆变器出口侧更能观测到谐波现象，同样的，在这些节点采取谐波抑制措施也最为有效;对于40次谐波以上的高频谐振频率，发电单元出口侧的参与因子更大，这意味着在发电单元出口侧更能观测到谐波现象。

2.2 电能质量监测关键点配置

随着光伏电站数量的增加，电网呈现出多谐波源、多分布参数特性，使得电网的谐波传输和放大特性变得复杂，从而难以从某一点的谐波特性来评估整个光伏电站的谐波水平。同样，随着光伏发电渗透率的增加，由此产生的光伏电站的电压波动叠加和闪变问题日渐突出。因此光伏电站谐波监测关键点的选择需要从以下三个方面进行考虑。

（1）严格满足电能质量相关标准的要求;

（2）满足要求严格的用户和电压敏感用户的特殊需求及协议用户的要求。

2.3电能质量监测布点原则

光伏电站电能质量监测布点的原则如下：

（1）以少量监测点获取整个系统谐波状况;

（2）配置据电网正常运行方式选择;

（3）监测点配置在系统谐波敏感侧、光伏电站并网点以及谐波污染源用户侧;

（4）监测点的配置根据需要可以灵活接入、退出。

2.4 光伏电站谐波过电压监测布点方案

谐波过电压监测布点方案如下：

（1）监测点应在若干影响系统谐波的关键位置。满足“电能质量测试点应设在光伏电站并网点和公共连接点”的要求。

（2）光伏电站应在并网点装设谐波过电压实時监测装置。

（3）对于采用相同型号逆变器的光伏电站，可选择某一光伏发电单元箱变低压侧作为谐波过电压的监测点;对于大型或中型光伏电站适当考虑地理分布特性。

（4）对于采用不同型号逆变器的光伏电站，在使用不同型号逆变器的发电单元的箱变低压侧分别设置监测点，同时在光伏电站的汇集母线处设置监测点。对于大型或中型光伏电站适当考虑地理分布特性。

（5）对于大量采用组串式逆变器的大型或中型光伏电站，建议连续监测谐波过电压。

（6）谐波过电压监测之前，可对光伏电站进行定制化评估其发生谐波过电压的风险、分析电站不同运行工况下的谐波谐振频率及模式，以使得监测与布点具有针对性和灵活性。

3   小结

本文对谐波特性、谐波放大系数与输电线路距离、谐波次数等的关系进行分析。针对青海乌兰某光伏电站谐波电压在各节点的分布规律，及光伏电站各节点对于谐波谐振的参与因子进行研究;最后，在归纳梳理电力系统电能质量及过电压现象的监测通用性准则基础上，结合相应分析和仿真结果，制定光伏电站集电系统谐波过电压监测布点原则。

参考文献

[1] 赵勇， 杨子龙， 曹笃峰， 等. 弱电网中光伏电站并网点谐波分析与抑制[J]. 太阳能学报， 2018，39（01）： 117-123.

[2] 郭小强， 张雪. 一种新型离散域数字化并网同步方法研究[J]. 太阳能学报， 2019，40（01）： 220-228.

[3] 朱永强， 郝嘉诚， 唐萁， 等. 大型光伏电站集电系统谐波传递网络分析[J]. 电力建设， 2016，37（10）： 122-129.

作者简介：祁海全（1974），男，工程师，主要从事新能源、离网独立光伏、电力系统