超越国标:华为SUN2000出色解决谐波问题

 一．谐波的来源和危害

谐波 (harmonic wave)，是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。谐波在电能的产生、传输与消费环节都有可能产生，主要来源于电网中非线性的设备与日益增多的电力电子装置。谐波电流的危害在于会在电网短路阻抗上产生谐波电压降，从而影响电压波形（用户端电压=无穷大电网稳定电压-谐波电压降）。谐波电流绝对值（逆变器通常用额定负载下的谐波电流百分比进行定义）越大，对电网电压的失真影响越大。谐波电流的相对值（谐波电流与当前负载电流的百分比）没有任何物理意义。

中国和国外关于并网逆变器的标准（鉴衡金太阳标准、IEEE1547、IEC61000-3-12、VDE0126）和并网光伏电站的标准（GB/T 19964-2012、GB 14549、GB 24337、VDE4105、BDEW）均只对逆变器或光伏电站的谐波电流绝对值进行要求。对于逆变器不同负载率下的谐波电流，仅要求绝对值不大于满载下的谐波电流绝对值。比如:

中国金太阳标准中规定了逆变器额定功率运行时，注入电网中的谐波电流THDi不超过5%；同时，在30%，50%，70%负载点处的谐波电流不超过额定功率运行时的值。需要注意的是，这里规定的是轻载谐波电流总量（也就是绝对值）不超过额定功率运行时的值，主要的原因是对于电网而言，需要控制的是谐波电流的总量，逆变器轻载工作时虽然谐波电流相对值很大，但总量很小，不会对电网造成影响。

二．组串式逆变器输出电流谐波控制分析

逆变器输出电流谐波水平主要和以下几个因素有关：

（1）输出电压波形质量：逆变器的控制算法中输出电压为正弦波，当经过逆变器调制输出PWM波有畸变时，将影响逆变器的输出谐波与控制效果。 提高开关频率与输出PWM电平数有助于降低PWM波形的畸变率，高开关频率三电平的组串式逆变器比低开关频率两电平的集中式逆变器更有优势。


                  两电平原理示意图                                三电平原理示意图


（2）软件控制带宽：逆变器的开关频率越高，控制带宽越宽，对于宽范围的电流谐波抑制更充分，为保证稳定性，逆变器的控制带宽通常取开关频率的1/10左右。组串式逆变器的开关频率（16kHz左右）远高于集中式逆变器（两电平逆变器为3kHz，三电平可以做到9kHz左右），控制带宽更宽，对于低次谐波的控制能力更强。

（3）并网滤波器性能：控制带宽以外输出电流高频成分，需要依赖滤波器来滤除，组串式逆变器一般采用LCL型滤波器，具有高频谐波衰减能力强、受并网阻抗影响小的优点。而国内某些集中式逆变器厂家为降低成本，采用LC滤波，谐波性能会受到一定的影响。

（4）并机谐波抵消能力：1个方阵多台组串式逆变器距离升压变压器距离不一样，线路阻抗会有差异。线路阻抗会等效改变并网LCL滤波器中L2的电感，不同的滤波器参数会改变谐波的相位。当多台组串式逆变器并联工作时，谐波成分将会由于相位的差异而部分相互低消，降低系统整体的谐波值。 除了无源被动式谐波抵消功能，华为还开发了有源主动谐波抵消技术，可以通过主动控制进一步降低谐波水平，更智能的适应电网。

三． SUN2000 组串式逆变器谐波实测结果

谐波电流绝对值与负载率关系不大，以华为SUN2000为例，负载率100%和10%时，谐波电流绝对值差别不大，因此谐波电流相对值与负载率近似成反比。任何逆变器，在特定轻载时，谐波电流相对值均会超过30%。SUN2000在标准电压源（THDuU小于1%）情况下测试THD非常小，完全满足额定输出THDu小于5%的要求。轻载时候由于输出电流小，谐波的相对值会变大，但谐波的总量很小。如果负载小于10%，由于电流采样误差和软件控制精度等原因，THDi相对值是会变得更大，但谐波总量并不会增加，对于电网而言没有影响。

为检验SUN2000在实际并网中的谐波性能，我们对SUN2000进行了单台THD测试（金太阳测试认证）和1MW系统多台并网测试。

对于采用组串式逆变器的大型电站来说，设计上一般1～2MW组成一个并网单元，通过隔离变压器并网。隔离变压器将在MW单元之间起到良好的解耦作用，确保MW单元之间不会相会影响，该机制在多个采用集中式大机的大型地面电站均得到验证。因此这次实际并网测试选在1MW系统进行，地点选在格尔木电站。

试验测量点选定在逆变器与电网连接的电网侧，试验在逆变器输出为额定功率时进行，用电能质量分析仪测量出电流谐波总畸变率和各次谐波电流含有率。同时测量30%、50%、70%负载点处的各次电流谐波值。

测试结果如下：


 并网谐波测试结果表明：

• SUN2000单机在标准电压源（THDu<1%)情况下，测试THD绝对值非常小，远低于额定输出THDi小于5%的要求，优于业内并网标准。
• 格尔木现场SUN2000 1MW方阵测试THDi值，在20%负载以上，尽管电压谐波达到2.4%，电流谐波均小于5%，50%以上的负载时谐波电流甚至小于3%，仍旧优于额定输出THDi小于5%的标准要求。
• 轻载时由于输出电流小，谐波的相对值会变大，但谐波的总量很小。极端轻载情况下，当输出电流接近0时，很小的电流谐波都会导致谐波的相对值接近无穷大，此时评估谐波的相对值没有意义，因此所有的国内和国际标准都只规定了谐波的绝对值要求，对于轻载下的谐波相对值没有要求。

华为SUN2000逆变器具备输出电压畸变率低、控制带宽高、良好的LCL滤波性能、被动与主动谐波抵消等先进技术。并机实测结果表明，SUN2000逆变器具有优越并网谐波抑制水平。对比格尔木现场光伏电站测量的谐波数据，考虑到当地电网的波形质量（~2.5%电压波形畸变），可以认为多台SUN2000组成的电站和单台逆变器的谐波电流相当。实验表明没有多台小机并联引起电网谐振的问题。实际上，随着并网逆变器数量的增多，由于逆变器间的谐波抵消作用，THDi值反而会更小。

华为不仅在逆变器本体上具有先进的技术，在多机并联大系统组网技术上也做了大量深入的研究和实践，完全有能力保障多机并联系统的可靠性。华为采用电网系统专业的分析软件DIgSILENT进行并机系统的建模，并且在实践中检验应用。从系统与逆变器两方面去解决多机并联稳定性问题，确保采用华为组串式逆变器的电站不但具有更好的经济收益，并能更可靠的长期稳定运行，为客户带来最大的收益。