孙瑾文，黄 宇，彭利军

（1．江西恒能电力工程有限公司，江西 南昌330000；2．中国电建集团江西省电力建设有限公司，江西 南昌 330001）

近年来，在政府、电网企业、发电企业和用户等的共同努力下，我国新能源产业的发展取得了巨大成就，对推动我国能源转型、践行应对气候变化承诺发挥了重要作用。截至2020年底，我国光伏累计装机已达到2.525亿千瓦，风电累计装机则达到2.82亿千瓦。同时由于国家能源转型要求、清洁能源消纳目标及新能源成本快速下降等因素，到2030年，我国计划将单位国内生产总值中二氧化碳排放量比2005年下降65%以上，非化石能源占一次能源消费比重达到25%左右，森林蓄积量比2005年增加60亿立方米以上，太阳能和风电的总装机容量将达到12亿千瓦以上，实现2030年碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。随着光伏、风电等新能源大量接入电网，由于其在发电过程中存在诸多问题，如能量不连续、电压闪变、频率波动以及谐波污染等，将对电网的运行和电能质量产生巨大的影响，从而对电网安全性和稳定性产生冲击。本文主要解决光伏发电系统中的谐波问题。首先，通过分析光伏发电系统产生谐波的原因，阐述了谐波对电力系统运行的安全、可靠性可能造成的危害，最后针对实际项目中光伏发电产生的谐波提出了相应的抑制措施。

1.光伏发电系统谐波的产生及危害

1.1 光伏发电系统谐波的产生原因

光伏发电系统将太阳能通过光伏组件转化为直流电能，再通过并网逆变器将直流电能转化为与电网同频率、同相位的正弦波电流，升压并入电网。在这一过程中，会产生大量谐波。作为光伏发电并网系统中的核心器件，逆变器就是一个谐波发生装置。目前大多数逆变器采用的是PWM（脉冲宽度调制）技术控制三相桥路导通与关断，从而实现直流、交流逆变。在直流电压（电流）转变为正弦电压（电流）的过程中，根据PWM采样控制理论，使用等幅不同宽度的脉冲来等效代替三相正弦波，实际上逆变器输出的不是完全的正弦波，而是含有谐波成分的交流电流。触发角的选择点决定了产生系统谐振的谐波频率，而谐波含量可以通过提高逆变桥开关的切换速度来减少。另外，变压器也是一类谐波源，变压器的电流波形畸变主要与变压器的电磁变换原理有关，主要来自变压器的激磁电流。假设变压器的铁芯不存在磁滞，根据磁通和激磁电流之间的磁化曲线，随着激磁电流的增大或较小，磁通变化幅度越来越小，激磁电流和其产生的磁通之间不是线性关系，因此原边电流并不是完整的正弦波，而是周期性的、但含有各类谐波的电流。激磁电流的畸变主要是由高次谐波引起的，主要是三次谐波。除此之外，谐波的产生还存在以下几个因素：目前所有的控制方法的应用都存在延时问题。由于对存在的谐波和快速变动的波形不能够及时检测，以及反馈环本身算法存在的延迟等原因，造成无法实时地进行响应或者及时补偿谐波。精度问题：由于采用数字化、离散化的处理方式，对精度的要求非常高，因此需要检测设备更加灵敏、准确，但是目前设备仪器很难满足此要求。采用PWM的控制原理本身就会产生大量的高次谐波和直流分量。光伏发电系统中，直流侧存在电压稳定性的问题。直流侧输入电压的稳定性，对于逆变器的幅值稳定、输出波形以及最大输出功率等都有非常大的影响。

1.2 谐波的危害

谐波对电网产生的危害主要有以下几方面：谐波的存在大大增加了电网中谐振的可能性，谐振会引起很高的过电压或过电流，从而引发电力事故。谐波会增大变压器等铁芯设备损耗，降低其效率，并容易在运行过程中出现故障，缩短使用寿命。谐波电流会使线路电流有效值增大，谐波电压会增强电缆中介质的电场强度，受谐波影响，输电线路附加损耗增大，加速了电缆的老化。谐波影响继电保护和自动装置工作的稳定性。在高压远距离输电线传送电能的过程中，若电流中谐波含量较大，则会延缓潜洪电弧的熄灭，导致单相重合闸动作失败，发生重大事故。对通信系统产生干扰，谐波会降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，严重的情况下，甚至会损坏通信设备。

2.谐波治理的措施

通过分析光伏发电系统的接入对电网造成谐波影响的原因可知，光伏发电会对电网稳定性、安全性带来负面影响，这就需要我们采取相应措施来抑制光伏发电系统引起的谐波，提高输出的电能质量。对于具体工程项目来说，要有效地进行谐波治理，通常有两种方式：改善谐波源，使其尽可能少发出谐波；通过补偿的方式，减少谐波电流、电压。

一是改善谐波源。前面分析到，逆变器是光伏项目最重大的谐波源。根据逆变器运行的工作原理，其产生的谐波是无法完全消除的。现在市场上各型逆变器电能质量指标虽然都符合国家标准，但是还存在很多差异，甚至同品牌不同时期产品，厂家经过内部算法优化，逆变器产生的谐波量也在不断降低。目前，国内外厂家、科研院所一直在不断努力，对逆变器的控制应用新的技术、新的设计，希望能够更有效地减少谐波发生。因此选用优质的逆变器，可以从源头上减少谐波电流、电压的发生量。二是谐波补偿。配置谐波补偿装置。工程上常用的补偿装置一般为无源滤波（FC）和有源滤波（SVG）。无源滤波器FC装置通过电容、电抗组成一定的谐振频率进行某次谐波的滤除，造价低廉，结构简单。但存在滤除谐波相对单一，当系统参数发生变化，有可能引起谐振或放大谐波电流；无功补偿时，由于是整组投切，运行不够灵活，容易出现过补和欠补现象，且相应时间长。静止无功发生器SVG是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。目前广泛应用于无功补偿、谐波治理、提高系统稳定性等方面。SVG有源滤波通过检测补偿对象电流中的谐波电流分量，产生实际的补偿电流，该补偿电流与谐波电流方向相反、大小相等，如此补偿电流与负载电流中的谐波成分互相抵消，从而达到消除谐波的目的。SVG本身不会产生谐波，且对系统参数不敏感，不发生谐波放大的情况，但是SVG在应对13次以上的高次谐波治理时效果不佳。因此，选用合理的谐波治理方案，可以在系统侧减少谐波量。

3.工程实例分析

某30MW光伏项目通过35kV开关站接入系统110kV变电站的35kV侧III母母线，开关站初步设计方案为35kV母线采用单母线接线，其中1回并网线，2回集电线，无功补偿采用1组±5MVar的SVG设备。光伏厂区内采用196kW组串式逆变器140台，配套3150kVA箱变10台，变比37/0.8kV。光伏厂区集电线采用电缆与架空线相结合的方式，其中电缆（3×300）长度4km、架空线（LGJ-150）长度8km。已对系统110kV变电站35kVIII母母线电压、313主变进线电流进行背景谐波测试。利用电力电气分析、电能管理的综合分析软件系统ETAP对本项目谐波进行建模和仿真工作。经仿真计算，叠加背景谐波后本光伏项目在PCC点（并网点）的谐波电流见表4.1。通过与折算后的PCC点（并网点）允许用户注入谐波电流限值（A）进行对比，得知5、7、11次谐波出现超标情况。

表4 .1本项目在PCC点谐波电流评估（考虑背景谐波）

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由于本项目超波谐波为13次以下谐波，因此考虑配置具有谐波治理功能的SVG来进行治理谐波。根据《电磁兼容试验和测量技术 供电系统及所连设备谐波、间谐波的测量和测量仪器导则》（GB/T17626.7-2017）中的公式进行计算。计算过程如下：

其中：SN：变压器额定容量；K1：负荷率；THDi：电流总谐波畸变率；K2：裕度系数。所以本项目SVG容量在原有无功补偿的基础上增加1.5MVar容量，调整为±6.5MVar。本项目并网后，再次在PCC点进行谐波背景测试，谐波未超限，满足国家标准及电网要求。如当项目中存在13次以上谐波时，则须考虑配置FC装置进行谐波治理。FC装置通过合理配置电抗率来实现谐波治理。下面以13次谐波为例进行计算：

其中，N表示谐波次数；

其中，SH,13表示13次谐波容量。

4.结语

针对光伏发电项目谐波的治理要因地制宜，首先要根据项目情况选用优质、适合的逆变器，从源头上减少谐波；其次在电网中进行治理，对于13次以下谐波电流超标可通过有源滤波SVG处理，对于13次及以上高次谐波电流超标，通过无源滤波FC做高通滤波器来实现滤波。同时须注意当采用SVG进行谐波治理时会占用一定容量，设备选用时应考虑此因素。随着碳中和的国家目标的确立，未来大量光伏等新能源发电接入电网后引起的电网电能质量问题越来越突出，本着谁产生谁治理的原则，要在项目科研、初步设计时，就应综合考虑项目中谐波的治理方案，将危害降至最低。