光伏電站諧波超標的分析與治理

光伏電站諧波超標的分析與治理申杰兵;閆浩偉;張樹宏【摘要】大唐天鎮(zhèn)環(huán)翠山光伏電站于2013年12月投產(chǎn)發(fā)電,中國電力科學研究院國家能源太陽能發(fā)電研發(fā)中心于2015年1月5日至16日對大唐天鎮(zhèn)環(huán)翠山光伏電站進行了電能質(zhì)量測試，發(fā)現(xiàn)35kV并網(wǎng)點諧波電壓、電流超限值.通過對不同運行方式下諧波電壓、電流的數(shù)據(jù)測試和分析,確定了諧波產(chǎn)生的原因,制定了合理的解決方案并經(jīng)論證及仿真驗證后予以實施,徹底解決了電能質(zhì)量超標問題.期刊名稱】《山西電力》年(卷),期】2019(000)002【總頁數(shù)】6頁(P10-15)【關(guān)鍵詞】光伏電站;諧波;電能質(zhì)量【作者】申杰兵;閆浩偉;張樹宏【作者單位】大唐山西新能源公司,山西太原030002;大唐山西新能源公司,山西太原030002;山西大唐天鎮(zhèn)清潔能源有限公司,山西大同038200【正文語種】中文【中圖分類】TM615;TM7110引言隨著中國特色社會主義進入新時代，人們不斷面臨著來自氣候惡劣、能源危機、環(huán)境污染、節(jié)能減排等諸多方面的挑戰(zhàn)，以風能和太陽能為代表的清潔能源逐步登上能源舞臺，對于解決霧霾污染、落實碳減排國際承諾、持續(xù)推進中國能源轉(zhuǎn)型升級實現(xiàn)能源清潔低碳安全高效發(fā)展具有戰(zhàn)略意義。但新能源發(fā)電的快速崛起，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行也帶來一些不利影響。其中諧波超標也是一項重要問題，諧波的危害在于使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀；對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。設(shè)備現(xiàn)況大唐天鎮(zhèn)環(huán)翠山光伏電站于2013年投產(chǎn)發(fā)電，裝機容量30MW，電站建有1座35kV升壓站，主變壓器為1臺油浸自然風冷有載調(diào)壓變壓器，接線方式為Yd11。35kV采用單母線接線方式，進線采用電纜，出線采用電纜和JL/G1A-300/25架空鋼芯鋁絞線，全長12.649km；10kV采用單母線接線方式，10kV母線帶有6條集電線路、1臺站用變、1臺SVG，1臺消弧消諧裝置。35kV線路PT采用大連北方互感器集團有限公司生產(chǎn)的JDZX9-35Q型電壓互感器，10kV母線PT采用大連華億電力電器有限公司生產(chǎn)的JDZJ-10Q型電壓互感器。電站采用36°固定傾角安裝多晶硅光伏組件122460塊，匯流箱420臺、逆變器60臺，箱變30臺，組成30個發(fā)電單元。每個發(fā)電單元由2臺逆變器并聯(lián)，經(jīng)1臺Dy11y11接線方式的雙分裂升壓變由315V升壓至10kV,每5臺箱變在高壓側(cè)并聯(lián)為1個聯(lián)合單元為1條集電線路。6條集電線路經(jīng)出線開關(guān)送至10kV母線后，經(jīng)主變進行二次升壓至35kV,經(jīng)35kV單回線送至天鎮(zhèn)縣35kV瓦窯口變電站。諧波超標情況2017年2月25日至3月1日，委托山西省電力科學研究院對大唐天鎮(zhèn)環(huán)翠山光伏電站電能質(zhì)量進行了測試，測試結(jié)果見表1。通過以上數(shù)據(jù)，可以看出以下幾點a）環(huán)翠山光伏電站退出電網(wǎng)期間，并網(wǎng)點側(cè)背景測試結(jié)果3次諧波電壓含有率為3.31%，電壓總諧波畸變率測量值3.67%。瓦窯口系統(tǒng)側(cè)背景測試結(jié)果電能質(zhì)量滿足國標要求。b）環(huán)翠山光伏電站正常并網(wǎng)運行期間，并網(wǎng)點3次諧波電壓含有率為4.08%，5次諧波電壓含有率為4.60%，電壓總諧波畸變率測量值6.27%。3次諧波電流含量為2.61A，5次諧波電流含量為15.36A，7次諧波電流含量為6.03A，其他各項滿足國標要求。表1光伏電站電能質(zhì)量測試數(shù)據(jù)測試項諧波電壓含有率（%）諧波電流/A國標限值（380V）3次3.310.374.082.4030.093.2021.514.005次0.730.514.602.405.703.206.234.007次0.250.242.382.403.043.203.614.00電壓總諧波畸變率3.671.156.273.0030.454.0022.485.00次數(shù)環(huán)翠山并網(wǎng)點側(cè)背景測試結(jié)果（35kV）瓦窯口系統(tǒng)側(cè)背景測試結(jié)果（35kV）主變高壓側(cè)運行測試結(jié)果（35kV）國標限值（35kV）主變低壓側(cè)運行測試結(jié)果（10kV）國標限值（10kV）逆變器側(cè)測試結(jié)果（315V）3次2.612.409.4527.385.4269.185次15.362.6254.0527.3825.8672.917次6.032.2222.4620.5313.4856.19c） 主變低壓側(cè)10kV3次諧波電壓含有率為30.09%，5次諧波電壓含有率為5.70%，電壓總諧波畸變率測量值30.45%。5次諧波電流含量為54.05A,7次諧波電流含量為22.46A；其他各項滿足國標要求。d） 集電I線5B逆變器315V側(cè)：3次諧波電壓含有率為21.51%,5次諧波電壓含有率為6.23%，電壓總諧波畸變率測量值22.48%；其他各項滿足國標要求。e） 通過測試數(shù)據(jù)比較可以看出：并網(wǎng)點處諧波超標原因為站內(nèi)自身所引起的。分析制定測試方案鑒于大唐天鎮(zhèn)環(huán)翠山光伏電站諧波超標治理工作為山西省內(nèi)首例新能源發(fā)電諧波超標治理，且電壓和電流諧波超標情況復(fù)雜。為了徹底查清諧波超標原因，大唐山西新能源公司聯(lián)系山西省電力科學研究院共同商討測試方案，經(jīng)多次開會討論，最終確定采用分段式排除法進行測試，力爭做到測試方案完善，能夠測試出電站可能影響電能質(zhì)量的所有設(shè)備在各種運行方式下的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)對比分析，找出諧波超標原因，進行下一步治理工作。a） 光伏電站全站停運，測試背景電能質(zhì)量，測空充電線路兩端的電能質(zhì)量情況（測試點為3057及301）。b） 301開關(guān)合閘，測1號主變投運后對并網(wǎng)點電能質(zhì)量影響（測試點為3057及301）。c） 301開關(guān)、801開關(guān)合閘，測10kV母線運行時對并網(wǎng)點及主變低壓側(cè)電能質(zhì)量影響（測試點為3057、301、801）。d） 301開關(guān)、801開關(guān)、817開關(guān)合閘，測SVG運行時對并網(wǎng)點及主變低壓側(cè)電能質(zhì)量的影響（測試點為3057、301、801、817）。e） 斷開817開關(guān)，逐條投入集電線路、箱變及逆變器，測量SVG停運的情況下集電線路、箱變及逆變器對并網(wǎng)點電能質(zhì)量的影響（測試點為3057、301、801）。f）合上817開關(guān)，測量光伏電站正常運行時的電能質(zhì)量（測試點為3057、301、801、817、集電線路與逆變器）。g）對35kV、10kV電壓互感器進行測試。通過對35kV、10kV電壓互感器二次繞組的測量保護、計量、剩余繞組（開口三角）分別進行測量，確認是否因35kV、10kV電壓互感器自身原因引起諧波超標。測試數(shù)據(jù)光伏電站各種運行方式下測試數(shù)據(jù)見表2。通過以上測試數(shù)據(jù)對比分析，可以看出以下幾點。a）環(huán)翠山光伏電站未發(fā)電時，35kV瓦窯口側(cè)3、5、7次諧波電壓平穩(wěn)且均不超標；環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點3次諧波電壓超標，5、7次諧波電壓不超標。b） 環(huán)翠山光伏電站1號主變投運，對35kV瓦窯口側(cè)和環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點3、5、7次諧波電壓無明顯影響；主變10kV低壓側(cè)3次諧波電壓超標，5、7次諧波電壓不超標。c） SVG投運，對35kV瓦窯口側(cè)和環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點和主變10kV低壓側(cè)3、5、7次諧波電壓無明顯影響。d）集電線及逆變器陸續(xù)投運，對35kV瓦窯口側(cè)和環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點3次諧波電壓無明顯影響，但隨著集電線及逆變器投運數(shù)量的增加，35kV瓦窯口側(cè)和環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流呈逐漸增大趨勢。e）集電線及逆變器陸續(xù)投運，對主變10kV低壓側(cè)3次諧波電壓無明顯影響，但隨著集電線及逆變器投運數(shù)量的增加，主變10kV低壓側(cè)5次諧波電壓和3、5、7次諧波電流呈逐漸增大趨勢。針對環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點和主變10kV低壓側(cè)3次諧波電壓數(shù)據(jù)在各種運行方式下基本不發(fā)生變化的特點，繼續(xù)進行了35kV、10kV電壓互感器測試工作。表2光伏電站各種運行方式下測試數(shù)據(jù)序號運行方式7次諧波電流/A瓦窯口側(cè)（35kV）0.750.410.661.23環(huán)翠山側(cè)（35kV）3.770.640.523.84瓦窯口側(cè)（35kV）0.650.480.481.04環(huán)翠山側(cè)（35kV）3.540.980.363.64瓦窯口側(cè)（35kV）0.640.450.581.07環(huán)翠山側(cè)（35kV）3.700.670.443.79環(huán)翠山側(cè)主變低（10kV）33.060.600.5633.07瓦窯口側(cè)（35kV）0.750.500.561.070.460.780.46環(huán)翠山側(cè)（35kV）3.610.840.493.750.480.770.34環(huán)翠山側(cè)主變低（10kV）30.530.820.5030.542.012.602.07環(huán)翠山側(cè)主變低SVG（10kV）33.010.840.5633.030.781.321.40測點3次諧波電壓（%）5次諧波電壓（%）7次諧波電壓（%）電壓總諧波畸變率（%）3次諧波電流/A5次諧波電流/A1234主變停運主變停運主變運行主變運行主變運行帶801主變運行帶801主變運行帶801主變運行帶801與SVG主變運行帶801與SVG主變運行帶801與SVG主變運行帶801與SVG瓦窯口側(cè)（35kV）0.641.040.631.190.714.380.855主變運行帶801與集電一二線主變運行帶801與集電一二線環(huán)翠山側(cè)（35kV）3.781.860.673.990.644.250.82主變運行帶801與集電一二線環(huán)翠山側(cè)主變低（10kV）30.932.080.6930.992.4214.633.43主變運行帶801與集電一二線環(huán)翠山側(cè)集電二線（10kV）31.113.250.9931.271.466.582.36主變運行帶801與集電一二線全部設(shè)備投運7.871.73全部設(shè)備投運全部設(shè)備投運環(huán)翠山側(cè)集電二線13號逆變器側(cè)（315V）瓦窯口側(cè)（35kV）22.190.763.751.251.391.011.388.341.317.336.716環(huán)翠山側(cè)（35kV）主變低壓側(cè)（10kV）3.4431.043.013.430.990.994.6231.232.568.029.0132.321.927.56諧波超標原因分析a） 通過10kV母線電壓互感器測量保護繞組和計量繞組3、5、7次諧波電壓測試數(shù)據(jù)對比：測量保護繞組和計量繞組5、7次諧波電壓數(shù)據(jù)基本一致，3次諧波電壓數(shù)據(jù)存在嚴重不一致且遠超出國標限值。初步判斷為10kVPT測量保護繞組自身存在問題導(dǎo)致10kV母線三次諧波電壓超標。b） 通過35kV母線電壓互感器測量保護繞組和計量繞組3、5、7次諧波電壓測試數(shù)據(jù)對比：測量保護繞組和計量繞組3、5、7次諧波電壓數(shù)據(jù)基本一致，開口三角處測得1.18kV零序電壓。對35kVPT開口三角處檢查發(fā)現(xiàn)，為限制高壓涌流和鐵磁諧振，在35kVPT開口三角處安裝了南京創(chuàng)迪有限責任公司生產(chǎn)的LXQ（D）口-35型消諧器，后經(jīng)過查閱相關(guān)資料得知,LXQ（D）口-35型消諧器當諧波電流過大時，會引起虛幻的三相電壓不平衡和系統(tǒng)諧波含量增大。c）隨著集電線及逆變器投運數(shù)量的增加，35kV瓦窯口側(cè)和環(huán)翠山側(cè)35kV并網(wǎng)點及主變10kV低壓側(cè)5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流呈逐漸增大趨勢，可以得出光伏電站逆變器為諧波源，存在集群放大作用。隨著逆變器投運數(shù)量和發(fā)電負荷的增加，5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流增大，導(dǎo)致35kV并網(wǎng)點和主變10kV低壓側(cè)5次諧波電壓，3、5、7次諧波電流超標。諧波治理方案a)根據(jù)10kV母線3次諧波電壓在不同方式下基本不變的特征和測量保護繞組與計量繞組3次諧波電壓數(shù)據(jù)嚴重不一致的情況，采用更換原廠家原型號電壓互感器的方法加以解決。b)根據(jù)35kV并網(wǎng)點3次諧波電壓在不同方式下基本不變的特征和開口三角處安裝LXQ(D)口-35型消諧器的情況，采用加裝LXQ(D)口-35型消諧器附件——三次諧波限制器加以解決，三次諧波限制器用于限制YO接線PT—次繞組中性點與地之間接入LXQ(D)口型消諧電阻器后，在PT二次側(cè)開口三角兩端的三次諧波電壓升高。c)根據(jù)光伏電站逆變器存在集群放大作用，導(dǎo)致35kV和10kV系統(tǒng)5、7次諧波電壓和3、5、7次諧波電流超標的情況，在對分布式低壓APF、集中式高壓APF和無源濾波器(FC)3種諧波治理設(shè)備優(yōu)缺點充分比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用在10kV母線裝設(shè)1套高壓有源濾波裝置，容量4Mvar,具備2~25次諧波綜合治理能力，自動檢測并消除諧波。諧波治理方案仿真驗證確定采用遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為HAPF-4-10-TAOY有源電力濾波器后，為避免高壓APF投運后對系統(tǒng)及SVG等設(shè)備發(fā)生對沖及其他不利影響，委托遼寧榮信興業(yè)電力技術(shù)有限公司技術(shù)人員從HAPF對系統(tǒng)及SVG影響、集電線投切對SVG、APF影響、SVG響應(yīng)AVC指令時對HAPF影響等方面進行了仿真驗證。PSCAD仿真參數(shù)設(shè)置35kV最小短路容量，150MVA;主變?nèi)萘浚?1.5MVA;電壓變比，35/10kV;聯(lián)結(jié)組別，Yd11;阻抗電壓，0.78%。10kV最小短路容量，139MVA。箱變?nèi)萘浚?0MVA；電壓變比，10/0.315kV；聯(lián)結(jié)組別，Dy11y11；阻抗電壓，4.01%。0.315kV側(cè)3次諧波為5.42x60=325.2A;0.315kV側(cè)5次諧波為25.86x60=1551.6A;0.315kV側(cè)7次諧波為13.48x60=808.8A;10kVSVG5次諧波為8.24A;0.315kV側(cè)發(fā)送有功19.5MW,2Mvar無功。HAPF容量，±4Mvar（實現(xiàn)諧波電流補償）；SVG容量,±7.5Mvar（實現(xiàn)無功補償）。HAPF控制策略控制策略說明：仿真中采用多同步旋轉(zhuǎn)坐標系下諧波補償算法，為達到線性同步旋轉(zhuǎn)標變換的目的，通過檢測系統(tǒng)公共耦合點處的三相電壓，采用dq數(shù)字鎖相技術(shù)實現(xiàn)精確鎖相，提取基波和諧波同步旋轉(zhuǎn)坐標變換所需的頻率和相位?？刂葡到y(tǒng)由1個電壓控制環(huán)，d軸、q軸2個基波電流控制環(huán)及2組諧波電流控制環(huán)組成。直流電壓控制環(huán)的輸出作為基波有功電流控制器的指令信號，采用傳統(tǒng)的PI控制?；娏骺刂骗h(huán)同樣采用傳統(tǒng)的PI控制，直流側(cè)電壓外環(huán)PI輸出作為有功電流內(nèi)環(huán)指令參考值，實現(xiàn)有功功率調(diào)節(jié);無功電流內(nèi)環(huán)參考值需根據(jù)向電網(wǎng)輸送的無功功率獲取;諧波電流檢測和控制在諧波旋轉(zhuǎn)坐標下實現(xiàn)，諧波電流通過相應(yīng)的諧波旋轉(zhuǎn)坐標變換轉(zhuǎn)成直流量，通過低通濾波器提取直流量，采用傳統(tǒng)的PI控制器即可實現(xiàn)對指定次諧波電流的無靜差控制。HAPF指令電壓是基波和諧波電流控制器輸出的疊加，由于指定次諧波電流控制器在相應(yīng)的各次諧波旋轉(zhuǎn)坐標系中實現(xiàn)，因此需要通過諧波到基波的旋轉(zhuǎn)坐標變換到基波旋轉(zhuǎn)坐標系下進行指令電壓的疊加，以在基波旋轉(zhuǎn)坐標系中實現(xiàn)SPWM調(diào)制。通過對比補償前后電網(wǎng)電壓、電流諧波THD可以看出，投入HAPF后電網(wǎng)電流諧波得到明顯抑制，由此諧波電流引起的諧波電壓同時得到明顯改善；HAPF投入過程對電網(wǎng)有功功率無影響，對無功功率有積極影響；同時，可以看出，HAPF投入及正常運行不會對SVG產(chǎn)生影響（見表3）。表3HAPF補償前后電網(wǎng)各節(jié)點電流數(shù)據(jù)對比表諧波次數(shù)主變高壓側(cè)（35kV）主變低壓側(cè)（10kV）補償前補償后補償前補償后33.130.2310.80.56516.050.2156.00.4976.930.2124.750.577.3集電線投切對SVG、APF影響仿真仿真工況說明：0.315kV側(cè)發(fā)送有功19.5MW、2Mvar無功；0.315kV側(cè)0.7s時刻注入5次諧波1620A、7次諧波850A；SVG0.3s時刻啟動、恒電壓工作模式，電壓目標35kV，HAPF0.5s時刻啟動，1s時刻使能諧波補償，1.4s時刻，10kV側(cè)模擬投切集電線，投切6MW有功、6Mvar無功時SVG可以正?？刂齐娋W(wǎng)35kV電網(wǎng)電壓、HAPF可以正常補償負載諧波電流。7.4SVG響應(yīng)AVC指令時對HAPF影響仿真仿真工況說明：0.315kV側(cè)發(fā)送有功19.5MW、2Mvar無功；0.315kV側(cè)0.7s時刻注入5次諧波1620A、7次諧波850A；SVG0.3s時刻啟動、恒電壓工作模式，電壓目標35kV，HAPF0.5s時刻啟動，1s時刻使能諧波補償，1.5s時刻，SVG電壓控制目標由35kV變?yōu)?6.75kV（1.05p.u.），SVG電壓階躍響應(yīng)時HAPF可以正常補償負載諧波電流。7.5結(jié)論圖1電能質(zhì)量治理系統(tǒng)從以上仿真試驗可知，投入HAPF后，電網(wǎng)電流諧波成分可以得到明顯抑制；HAPF的投入不會影響電網(wǎng)電能質(zhì)量及SVG穩(wěn)定運行；SVG階躍響應(yīng)不會影響HAPF正常運行；集電線負荷投切不會影響SVG、HAPF正常運行。諧波治理方案實施及優(yōu)化有源電力濾波器APF(activepowerfilter)是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進行快速跟蹤補償，之所以稱為有源，是相對于無源LC濾波器，只能被動吸收固定頻率與大小的諧波而言，APF可以通過采樣負載電流并進行各次諧波和無功的分離，控制并主動輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵消負載中相應(yīng)電流，實現(xiàn)了動態(tài)跟蹤補償，而且可以既補諧波又補無功和不平衡。環(huán)翠山光伏電站電能質(zhì)量諧波治理工程的系統(tǒng)如圖1所示，在左側(cè)SVG接入點處裝設(shè)并聯(lián)高壓型APF。SVG可以對負載側(cè)的無功電流進行補償，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)；高壓APF則對諧波進行集中治理，具備2~13次諧波綜合補償能力。2套補償裝置在投入運行后可以有效改善電網(wǎng)電能質(zhì)量。2018年5月3日—5月4日，天鎮(zhèn)環(huán)翠山光伏電站全站停電，對電能質(zhì)量諧波超標治理方案進行了實施。10kV母線更換原廠家原型號電壓互感器后，主變10kV低壓側(cè)3次諧波電壓為0.6%，不超國標限值