光伏发电接入弱电网电能质量治理研究

doi:10.11985/2023.02.023

光伏发电接入弱电网电能质量治理研究

刘峪涵^,¹, 贺鑫^,¹, 罗隆福^,²

1.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司长沙 410014

2.湖南大学电气与信息工程学院长沙 410082

Study on Power Quality Control of Photovoltaic Power Generation Connected to Weak Power Grid

LIU Yuhan^,¹, HE Xin^,¹, LUO Longfu^,²

1. Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited, Changsha 410014

2. School of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082

通讯作者: 贺鑫，男，1978年生，硕士，工程师。主要研究方向为发电工程和项目管理。E-mail：michaelhex@163.com

收稿日期: 2021-12-1 修回日期: 2022-05-12

Received: 2021-12-1 Revised: 2022-05-12

作者简介 About authors

刘峪涵，男，1990年生，硕士，工程师。主要研究方向为新能源发电工程。E-mail：286564781@qq.com

罗隆福，男，1962年生，博士，教授。主要研究方向为电能变换系统与装备、无功补偿技术理论与新方法等。E-mail：llf@hnu.edu.cn

摘要

针对大规模光伏发电接入弱电网系统应具备的电能质量需求，研究一种具有平滑投切、低耗、阻基频的电能质量治理方案以适用于该特殊应用场景。以某具体工程项目为实例，阐述光伏发电接入弱电网时所具备的高频谐波污染及无功充足特性。针对该场景下光伏发电并网的电能质量需求，设计了基频谐振、平滑投切的阻波高通滤波器拓扑结构。通过研究该阻波高通滤波器的阻频特性及谐振现象，揭示了对高次谐波优越的抑制性能及不改变无功潮流分布的原理，同时为使设备安全稳定运行给出了平滑投切控制及参数整定方法。最后，在ETAP软件中搭建仿真模型，并进行光伏电站为期一周的并网电能质量测试，证明了所提方法的合理性及有效性。

关键词： 光伏电站; 高频谐波; 电能质量; 弱电网

Abstract

In order to meet the power quality requirements of large-scale PV connected to weak power grid system, a power quality control scheme with smooth switching, low consumption and resistance fundamental frequency is introduced to be suitable for the special application scenario. Through a specific project as an example, the high-frequency harmonic pollution and sufficient reactive power characteristics of photovoltaic power generation connected to the weak grid are explained. In order to meet the power quality requirements of photovoltaic grid-connected in this scenario, a special high-pass filter topology with fundamental resonance and smooth switching is designed. By deducing the frequency-resistance characteristic and resonance phenomenon of the high-pass filter, the superior suppression performance of the high-pass filter to high-order harmonics and the principle of not changing the reactive power flow distribution are revealed. At the same time, the smooth switching control and parameter setting method are given for the safe and stable operation of the equipment. Finally, the simulation model built in ETAP and the one-week grid-connected power quality test of the PV all prove the rationality and effectiveness of the proposed method.

Keywords： Photovoltaic power station; high frequency harmonics; power quality; weak power grid

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本文引用格式

刘峪涵, 贺鑫, 罗隆福. 光伏发电接入弱电网电能质量治理研究[J]. 电气工程学报, 2023, 18(2): 229-235 doi:10.11985/2023.02.023

LIU Yuhan, HE Xin, LUO Longfu. Study on Power Quality Control of Photovoltaic Power Generation Connected to Weak Power Grid[J]. Chinese Journal of Electrical Engineering, 2023, 18(2): 229-235 doi:10.11985/2023.02.023

1 引言

随着全球对能源问题的持续关注，越来越多的国家政策、行业标准落脚在能源的可持续发展上，带动以风力、光伏为代表的新能源发电技术蓬勃发展，新能源发电在电力系统的比重也逐年稳步上升^{[1⇓⇓⇓-5]}。大规模光伏发电通常采用光伏逆变器作为发电阵列以进行交直流电能变换，而逆变器作为具有非线性特性的电力电子装置不可避免地因开关频率、死区时间等因素而向电网输送谐波分量^{[6⇓⇓⇓-10]}。对于逆变器产生的各次谐波比例，相关行业对逆变器生产厂商均提出了具体的要求^[11-12]。在通常情况下，光伏电站的谐波治理一般主要针对5次、7次等低次谐波，往往配套相应的无源滤波器或者有源滤波器对光伏电站的谐波问题进行有效遏制^{[13⇓⇓-16]}。

针对光伏电站并网点的电压畸变的治理，文献[17]着眼于光伏电站接入弱电网，采用双闭环控制实现直流侧电压稳定，有效抑制了弱电网下接入较大电网阻抗而导致的谐波环流。文献[18]针对弱电网容易受到扭曲、电压骤降和电压骤升影响等问题，提出了一种利用电网电压滤波以防止电网电压缺陷的太阳能光伏系统。文献[19]针对国内西藏地区的弱电网环境的特点，提出了三种提高西藏电网光伏并网系统承载能力的措施。文献[20]提出了一种基于多谐振分量的并网逆变器电网电压加权前馈方案以抑制弱电网下注入电网的电流谐波，通过将准谐振分量引入电网电压全前馈路径，从而抑制前馈电网电压中的背景谐波。

本文首先阐述了大规模光伏发电接入弱电网场景下的特性与需求，然后设计了适用于该场景下的电能质量治理方案，提出了具有阻基频、滤高频的阻波高通滤波器拓扑并进一步分析其阻抗特性，其次给出了平滑投退的控制及元件参数整定方法，最后，进行仿真模型模拟及实际工程应用并网运行测试，证明了所提电能质量治理方案的有效性。

2 阻基频的电能质量治理方案

图1给出了本文研究的电能质量治理方案中所采取的阻波高通滤波器结构图。该特殊设计的阻波高通滤波器计划安装于22 kV交流母线，其中L为滤波电感，C为滤波电容，R₁为限制基频电流大小的运行小电阻以降低滤波器的运行损耗，R₂为主要起限制冲击电流的充电电阻，K₁为滤波器的投退开关，K₂为滤波器的模式切换开关。

图1

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图1 阻波高通滤波器结构图

2.1 基本原理

为不改变光伏电站的无功潮流，阻波高通滤波器应具有阻基频特性，即滤波电感L和滤波电容C基频谐振

(1)

\{\begin{cases} ω_{0}^{2} L C = 1 \\ ω_{0} = 2 π f_{0} = 100 π \end{cases}

忽略缓冲充电开关K₂情况下，结合式(1)，阻波高通滤波器有如下关系式

(2)

|Z (f)| = |\frac{X_{L} (f) X_{C} (f)}{X_{L} (f) + X_{C} (f)} + R_{1}| = |\frac{2 π f L}{1 - 4 π^{2} f^{2} L C} + R_{1}|

(3)

\{\begin{cases} I_{0 C} + I_{0 L} = 0 \\ Q_{L} = \frac{1}{ω_{0} L} U^{2} \\ Q_{C} = - ω_{0} C U^{2} \\ Q_{C} = - Q_{L} \end{cases}

(4)

\{\begin{cases} X_{C n} = \frac{1}{2 π f_{n} C} = \frac{1}{100 n π C} \\ X_{L n} = 2 π f_{n} L = 100 n π L \end{cases}

式中，X_L为滤波电感电抗，X_C为滤波电容电抗，n表示频次，ω₀为基频角频率，I_0C为流过电容的基频电流，I_0L为流过电感的基频电流。

根据式(2)，阻波高通滤波器的阻频特性如图2所示。分析可知，在基频50 Hz下，由于滤波电容C和滤波电感L并联谐振，阻波高通滤波器在基频下呈现高阻抗的开路特性，理论上没有基频电流通过，滤波电感L与滤波电容C的无功功率平衡，故不会改变光伏电站的无功功率潮流分布。并且随着谐波频次的递增，滤波电容的容抗逐步递减，阻波高通滤波器的谐波抑制效果逐步提高，能够有效地对高次谐波(23次、25次等)进行抑制。

图2

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图2 阻频特性

2.2 运行谐振分析

为具体分析该阻波高通滤波器在光伏电站的稳定运行情况，需要进行光伏电站整体频率分析，图3给出了光伏电站的等效电路。其中，V_S为并网点的电压，Z_S为系统阻抗，Z_T为主升压变压器的等值阻抗，k_T为主升压变压器的等效变比，Z_L为22 kV以下设备的等效阻抗，I_S为光伏逆变器的总输出基频电流，I_f为光伏逆变器的总输出谐波电流，为简化分析其中22 kV以下设备用等效阻抗基波和谐波电流源等效处理。

图3

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图3 光伏电站的等值电路

当投入滤波器时，60 kV并网点的谐波电流为

(5)

\{\begin{cases} {I_{1 h}|}_{Z_{F} \to R_{F}} = \frac{1}{\sqrt{3}} \frac{k_{T} Z_{F} ∠ - 30^{°}}{k_{T}^{2} Z_{F} + Z_{S} + Z_{T}} I_{s} \\ Z_{F} = R_{1} + \frac{j ω L}{1 - ω^{2} L C} \end{cases}

而当滤波器不投入使用时，60 kV网侧的谐波电流为

(6)

{I_{1 h}|}_{Z_{F} = \infty} = \frac{1 ∠ - 30^{°}}{\sqrt{3} k_{T}} I_{s}

联合式(5)和式(6)，可以得到滤波器对谐波电流的抑制率为

(7)

λ = \frac{{I_{1 h}|}_{Z_{F} \to R_{F}}}{{I_{1 h}|}_{Z_{F} = \infty}} = \frac{k_{T}^{2} Z_{F}}{k_{T}^{2} Z_{F} + Z_{S} + Z_{T}}

由式(7)可知，抑制率λ值为1时表示，滤波器的投入对于谐波电流并无改善作用，当抑制率λ值小于1时，表示滤波器能够对谐波电流进行抑制，且抑制率λ值越小表示抑制作用越好。反之，当抑制率λ值大于1时，表示滤波器的投入会对谐波电流进行谐振放大。图4给出了光伏电站的滤除率频谱关系，可知光伏电站在阻波高通滤波器投入后，在100 Hz附近的谐波放大现象，即滤波器与系统阻抗发生谐振。同时随着系统阻抗的差异，波峰的频率也有一定的区别。考察光伏逆变器的运行产出谐波电流情况，100 Hz的谐波含量普遍较低，所以阻波高通滤波器投入所造成的低次谐波放大现象在可接受范围内，也不会加剧并网点谐波电压总畸变率增大及超标。

图4

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图4 谐振特性

2.3 平滑投切控制

为避免该阻波高通滤波器投切时其中的滤波电感L、滤波电容C由于电气量U、电流I突变产生过电流、过电压，影响设备稳定运行，为此需要对阻波高通滤波器投切进行平滑投切的合理控制，开关K₁、K₂进行合理控制，如图5所示，虚线代表基频电流，镂空线代表谐波电流。

图5

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图5 投切状态

(1) 如图1所示，阻波高通滤波器的初始退出状态为K₁打开和K₂打开。当阻波高通滤波器需要投入使用时，如图5a所示，开关K₁闭合，工频电流被阻隔，此时滤波电容C的电压无法突变，将导致充电电流激增产生过电流。由于充电电阻R₂接入支路，呈现出高阻抗特性，限制滤波电容C的充电电流，限制支路电流。

(2) 对滤波电容C充电完毕后，闭合开关K₂，充电电阻R₂被短接，如图5b所示。此时阻波高通滤波器开始正常进行谐波抑制工作，系统谐波电流经开关K₂所在支路进行抑制。

(3) 当需要切除阻波高通滤波器时，依次打开开关K₂、K₁。

2.4 参数整定计算

可知，阻波高通滤波器的电容电感无基波分量，其初始电容值C₀的选取只需要考虑要滤除的谐波分量，其具体表达式为

(8)

\{\begin{cases} V T H D_{60} \leq 1.5 % \\ C_{0} = \sqrt{\sum_{i = 2}^{n} \frac{I_{h - i}}{i}} \end{cases}

式中，VTHD₆₀表示60 kV母线的电压畸变率，I_h-_i表示第i次的谐波电流，i表示谐波频率次数。

进一步计算初始滤波电容C₀的额定电压U_C的参数选取表达式为

(9)

U_{C} = \frac{\sqrt{\sum_{i = 1}^{n} I_{h - i}^{2}}}{2 π f_{0} C_{0}} C_{0}

然后确定初始滤波电容的安装容量S_C，安装容量S_C进行取整选取的表达式为

(10)

S_{C} = 2 π f_{0} C_{0} U_{C}^{2}

根据取整后的安装容量S_C进行滤波电容值C和滤波电感L的实际参数计算

(11)

\{\begin{cases} C = \frac{S_{C}}{2 π f_{0} U_{C}^{2}} \\ L = \frac{1}{4 π^{2} f_{0}^{2} C} \end{cases}

选取合适的截止频率f₁，电阻R₁可表示为

(12)

R_{1} = \frac{1}{f_{1} C} = \frac{1}{2 n π f_{0} C}

充电电阻R₂旨在限制合闸瞬间的冲击电流，R₂的取值使冲击电流小于其最大允许值I_max即可

(13)

R_{2} = \frac{U_{ϕ 22}}{I_{\max}} - R_{1}

I_max的选取原则为，阻波高通滤波器L和C都发生5%的参数偏移及系统频率出现2%扰动时的最大电流。

3 光伏发电站接入弱电网

本文以建于非洲摩洛哥的某40 MW光伏电站项目为例进行介绍与详细分析，图6给出了该光伏电站的电气结构图，其中具体建设参数如表1所示。该光伏发电项目配套建设1座22/60 kV升压站，配置2台40 MV·A的有载调压升压变压器，其中1台作为冷备用。升压站60 kV侧接线采用单母线接线方式，以1回或2回60 kV架空线路接入摩洛哥当地电网。发电部分由17个光伏子阵构成，每个方阵有

图6

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图6 光伏电站电气结构图

表1 光伏电站参数

光伏器件	参数	数值
主升压变压器	容量/(MV·A)	40
	联结方式	YN/d11
	变比	63±10×1.5%/22 kV
	短路阻抗	10%
箱式升压变压器	容量/(MV·A)	2.2
	联结方式	D/yn11
	变比	22±2×2.5%/0.4 kV
	短路阻抗	6.5%
光伏逆变器	容量/(MV·A)	2.2
光伏逆变器	交流侧电压/V	385
60 kV电网	短路容量/MW	45
60 kV电网	X/R比	10
22 kV线缆	电阻/(Ω/km)	0.129
	电容/(Ω/km)	0.257
	电抗/(Ω/km)	0.109
	绝缘	AL/XLPE

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1台交流侧额定电压为385 V、容量为2 200 kV·A的逆变器，经箱变升压并汇集后接于单母线分段接线方式的22 kV母线。

根据电力设计院出具的该光伏电站电能质量评估报告(表2)，在光伏电站满负荷运行下，升压站并网点60 kV母线的谐波电压畸变严重，无法满足光伏电站并网的国际标准。同时无功潮流符合国际标准并不需要进行额外无功功率补偿。其中，致使谐波电压畸变严重的谐波电流以23次、25次的高频谐波为主，该频次与光伏逆变器开关频率相吻合。并且光伏逆变器的谐波电流产出与升压站并网点的谐波电流大小均符合国际标准。分析可知，导致升压站并网点电能质量问题的原因为：该光伏电站地处偏远地带，60 kV线路所属电力系统建设不够完善，致使电网整体相对薄弱，所接电网的最小三相短路容量仅为45 MW。三相短路容量过小表示并网点的系统阻抗过大，而原本符合相关国际标准的并网谐波电流经过过大的系统阻抗时，将在其上产生过大且不符合国际标准的谐波电压。针对此类光伏发电接入弱电网的特殊场景，综合考虑光伏电站的高次谐波电流小、高次谐波电压畸变大与无功功率无需补偿特性，需要研究对应的电能质量治理方案。

表2 60 kV并网点电压畸变率

运行方式	VTHD(%)	国际标准(%)
最大三相短路容量(56 MW)	5.03	3
最小三相短路容量(45 MW)	5.57	3

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4 仿真分析

根据表1和图6在ETAP仿真软件中搭建光伏电站模型，阻波高通滤波器各元件参数经整定计算后选取：L为51.37 mH、C为19.731 8 μF、R₁为8 Ω、R₂为300 Ω。R₂选取300 Ω时，电容最大冲击电流小于42 A，退出时，最大冲击电流为7 A，并且50 ms后达到稳定状态。

图7给出了光伏电站满负荷运行时，本文方案投切前后的60 kV-PCC的仿真结果，其中具体数据如表3和表4所示。分析可知，在滤波前，60 kV-PCC电压波形出现明显畸变，且电压畸变率远大于国际标准3%，频谱图显示主要原因为高频23次、25次、26次谐波电压分量过大。在接入本文所研究的阻波高通滤波器后，PCC电压波形明显正弦化，电压畸变率符合国际标准，且滤波率在最大最小短路容量下分别为80%和80.1%，效果显著。并且纵观各次谐波频次，高次谐波的抑制率随着谐波频次逐渐上升，且高频23次、25次、26次的谐波滤除率分别为88.7%、90.2%、90.4%，致使滤波后的电压畸变率降至0.29%、0.41%、0.12%。以国际标准限制评判，高次谐波治理后，该光伏电站谐波电压畸变合格，符合新能源发电的并网要求。

图7

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图7 仿真对比图

表3 60 kV并网点电压畸变率

运行方式	VTHD(%)		抑制率(%)	国际标准(%)
运行方式	滤波前	滤波后	抑制率(%)	国际标准(%)
最大三相短路容量(56 MW)	5.03	1.01	80	3
最小三相短路容量(45 MW)	5.57	1.11	80.10	3

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表4 60 kV并网点高频电压畸变率

频次	THD(%)		抑制率 (%)	国际标准(%)
频次	滤波前	滤波后	抑制率 (%)	国际标准(%)
11th	0.45	0.22	51.1	1.50
13th	0.39	0.13	66.7	1.50
17th	0.30	0.06	80	1
19th	0.29	0.04	86.20	1
21th	0	0	0	0.70
23th	2.56	0.29	88.70	0.70
25th	4.17	0.41	90.20	0.70
26th	1.25	0.12	90.40	0.68

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5 工程应用与测试

本文所研究的光伏电站高频谐波抑制方案已应用于非洲摩洛哥的某40 MW光伏电站，如图8所示。该光伏电站位于偏远荒漠地带，电网薄弱，电网系统短路容量偏低。为保证该光伏电站安全稳定并网，对该光伏电站进行了持续一周的电能质量测试，测试结果如表5所示，各频次详细数值如图9所示。

图8

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图8 应用现场图

表5 60 kV并网点总谐波畸变率

测试结果(%)	标准要求95% 概率位于(%)	超出边界值概率(%)	结论
0.000~2.761	0~3.0	0.00	合格

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图9

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图9 60 kV并网点谐波电压测试值

在该光伏电站正常情况运行下，测试一周七天内，记录每频次谐波电压的10 min的平均有效的95%概率值。经测试，该站点60 kV并网点的谐波电压畸变率测试结果为2.761%符合EN 50160标准要求的3.0%，满足新能源电站的并网要求。并且由图9可知各频次谐波电压均符合标准要求，高次谐波得到了有效抑制，证明本文所提方案在新能源电站接入弱电网场景下，能够有效对高频谐波进行抑制。

6 结论

为应对大规模光伏发电接入弱电网所引起的电能质量问题，本文研究了一种采用基频谐振、高频消谐、平滑投切控制的阻波高通滤波器的谐波治理方案。

(1) 提出一种适用于光伏发电接入弱电网的电能质量治理方案，该方案采用基频谐振、高频消谐、平滑投切控制的阻波高通滤波器，具有不改变光伏电站无功潮流分布、高次谐波有效抑制、低损耗的特性。

(2) 通过在ETAP仿真软件中搭建相关模型验证及为期一周的工程并网运行测试，验证了本方案的正确性及有效性。

(3) 对光伏、风电等新能源发电因新能源资源地区局限性而接入弱电网所导致的电能质量问题等特殊极端场景具有一定的参考借鉴意义。

参考文献

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文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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陈通, 李杰.

分布式电源谐波机理与抑制技术综述

[J]. 河北工业科技, 2021, 38(4):343-350.