静止无功发生器对光伏电站注入电网的谐波影响研究
时间：2023-01-18 10:20:11 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
陈 旭
（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040）
对于光伏电站来说，谐波电流的主要来源是逆变器。光伏电站中逆变器通常采用直流-直流变换和直流-交流变换，逆变器产生的谐波电流会通过上网线路注入主网，并在并网点产生谐波电压，造成并网点电压畸变，影响电力系统安全稳定运行。谐波对旋转电机的主要影响是引起附加损耗，之后会产生机械振动、噪声以及谐波过电压[1]。谐波电流不但会引起变压器绕组附加损耗，也会引起外壳、外层硅钢片以及某些紧固件发热，并且有可能引起局部严重过热。谐波使变压器噪声增大，谐波源造成流经变压器的谐波电流在谐振条件下损害变压器[2]。谐波电压畸变可能引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不等，并通过正反馈来放大系统的电压畸变，使整流器的工作不稳定。对于逆变器而言，则可能发生连续的换相失败而无法正常工作，甚至损坏换相设备[3]。
除此之外，谐波会引起电容器局部放电，加速电容器介质老化，缩短使用寿命[4]。谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导会感应到通信线路上，可能影响通话的清晰度，触发电话铃响，在极端情况下威胁通信设备和人员的安全[5]。谐波对继电保护和自动控制装置可能会产生干扰，造成误动和拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值大、谐波含量也很大，更容易引起继电保护的误动作[6]。
静止无功发生器（Static Var Generator，SVG）是一种无功补偿装置，主要由并联电容器组和三相大功率型逆变器组成。三相大功率型逆变器通过高频脉冲控制大功率绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）的导通和关闭，改变逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，迅速吸收和发出所需要的无功功率，实现快速动态调节无功的目的[7]。SVG相对传统电容器、电抗器无功补偿装置具有以下特点：一是响应速度快，响应时间小于1 ms，可以实现从感性到容性的动态、连续、平滑无功补偿，最大限度满足功率因素补偿要求；
二是具备恒电流源特性，输出无功电流不受母线电压影响，用于电压控制时有很大的优势；
三是安装维护简单、运行损耗低、噪声小[8-10]。
光伏电站采用大量逆变器会产生谐波注入电网，《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549—1993）对用户、电厂注入公共连接点的谐波电流分量以及公共连接点的电压畸变率规定了相应限值。对于光伏电站而言，一般需要安装SVG来补偿相关元件的无功损耗，SVG对负荷产生的谐波有一定治理作用，本文重点研究不同容量的SVG对不同频次谐波的影响。
以某100 MW光伏电站作为模型，研究光伏电站安装SVG后对光伏电站注入电网谐波影响。仿真计算软件采用ETAP，系统建模主要分为以下3个部分。
2.1 电网模型
光伏电站接入系统方案为接入某220 kV变电站110 kV侧，电网系统建模主要建立该220 kV变电站电气模型，包含1台容量为180 MVA的主变、220 kV 母线、110 kV 母线以及 35 kV 母线。220 kV连接电网采用等效网络进行等效，等效网络短路容量取 7 500 MVA，110 kV 出线所连接 110 kV 变电站采用等效负荷模型，35 kV低压侧配置电容器组及等效负荷模型。
2.2 光伏电站模型
光伏电站装机容量100 MW，场区拟共配置发电单元32个，采用直流1 500 V组串式逆变方案。每个发电单元配置1台3.15 MVA的箱式变压器和16台196 kW组串式逆变器。光伏组串出线连接至组串式逆变器，经逆变器逆变后输出800 V三相交流电，经箱变升压至35 kV。每8个发电单元通过1回35 kV汇集电缆送至110 kV升压站35 kV配电装置，光伏场区共采用4回集电电缆汇集，光伏升压站主变采用两卷变，主变容量100 MVA。无功补偿装置SVG安装在升压站35 kV母线上，从光伏升压站新建单回110 kV 线路接入电网 220 kV 系统站 110 kV 侧。
2.3 光伏电站逆变器谐波模型。
光伏逆变器采用典型SUN2000-196KTL-H3逆变器。为了评价波形畸变最严重的情况，根据工程经验，选择逆变器对应100%额定功率的运行模式，逆变器谐波采用谐波电流源模型，谐波电流含有率采用典型产品测试报告结果。
仿真系统模型如图1所示，逆变器谐波电流测试结果频谱图如图2所示。
图1 仿真系统建模
图2 逆变器谐波电流测试频谱
光伏电站安装不同容量SVG后，并网点母线谐波电压总畸变率和谐波电流总含有率如表1所示。
表1 不同容量SVG下的系统站母线谐波电压总畸变率和谐波电流总含有率
当光伏电站SVG安装容量为30 MVA，即光伏装机容量的30%时，并网点谐波电压总畸变率最低；
当光伏电站SVG安装容量为20 MVA，即光伏装机容量的20%时，并网点谐波电流总含有率最低。安装SVG后，谐波电压总畸变率均比不安装SVG时要低。对于谐波电流，安装光伏电站装机容量10%、40%、50%以及60%的SVG后，谐波电流总含有率比不安装SVG时要高，主要是SVG的滤波作用小于本身注入电网的谐波电流，导致谐波电流总含有率增大。
安装不同容量SVG时各次谐波电压含有率如图3所示，各次谐波电流含有率如图4所示。
图3 不同容量SVG下的各次谐波电压含有率
图4 不同容量SVG下的各次谐波电流含有率
对于不同次谐波，由于3次及3的倍次数谐波经过三相变压器后会被过滤掉，因此3次及3的倍数次谐波含有率为0；
2次谐波随着安装SVG容量的增大而增大；
4次、5次、10次以及11次谐波安装容量为10 MVA的SVG比不安装SVG时含有率略微增大，随着SVG容量进一步增大，谐波含有率逐步下降；
7次、8次、13次及以上不含3的倍数次谐波随着SVG安装容量增大，谐波含有率显著下降，并且安装SVG的容量越大，谐波含有率越低。
光伏电站安装SVG能起到过滤光伏电站逆变器注入并网点的谐波作用，降低谐波电压和谐波电流含有率。SVG对降低谐波电压效果显著，安装光伏电站装机容量30%的SVG，谐波电压含有率可下降约55%；
安装光伏电站装机容量20%的SVG，谐波电流含有率可下降约13%。结合相应分析，SVG安装容量不宜过大，否则会导致SVG滤波作用小于其自身注入并网点的谐波电流，造成并网点谐波电流含有率增大。综合考虑SVG对谐波电压和谐波电流的过滤效果，推荐光伏电站安装装机容量20%～30%的SVG装置。
