含大量逆变器的电网谐波共振研究

主要收获

• 谐波共振是一个网络阻抗问题，因此仅凭设备级谐波限值本身，永远无法提供充分的信息。
• 频率扫描可找出电网的敏感点，而时域检查则可显示哪些开关或控制事件会激发该敏感点。
• 在薄弱环节处对模型细节进行细致处理，比对整个网络做出笼统的假设更能提高研究质量。

谐波共振研究将帮助您确定电网在何处会放大谐波失真，从而在常规设备增设将微小的谐波源转化为严重的电压问题之前，及时采取应对措施。

公用事业公司和电厂工程师们不断增加基于变流器的发电设备、驱动装置和无功补偿设备，因为电网需要稳定的电压和高效的功率流。随着这种组合的增加，谐振风险随之上升，因为每个滤波器、电缆、变压器和电容器都会改变谐波电流所看到的网络阻抗。2023年，可再生能源装机容量新增近560吉瓦，较2022年增长64%，这表明基于逆变器的设备正以极快的速度被引入电力系统。一项将频率扫描与时域检测相结合的研究方案，将在设备绝缘、保护或控制性能受到影响之前，帮助您识别谐振点。

当网络阻抗急剧达到峰值时，就会发生谐波共振

当电感元件和电容元件在网络阻抗急剧上升的频率上发生共振时，就会产生谐波共振，因此微小的谐波电流会引发更大的电压失真。你会发现该问题表现为特定频率的放大，而在评估风险时，这种区别至关重要。

一条配备电容器组、变压器漏抗以及多条长电缆的13.8 kV馈线，可能会在第5次或第7次谐波附近发生谐振。此时，来自变频驱动器或太阳能逆变器的微小电流就会导致母线电压失真，其失真程度与电源相比显得不成比例。尽管电网阻抗是造成失真放大的主要因素，但运维人员往往只将责任归咎于最近的设备。 您的研究必须聚焦于整个网络的结构及其激励源。

这种聚焦能让你避免采取错误的解决措施。更换一个逆变器控制器或收紧失真限制，并不能解决与馈线电容和电源强度相关的谐振问题。你需要确定谐振频率、阻抗峰值以及响应最差的母线位置。一旦掌握了这些信息，问题解决就变成了一项工程实践，而不是靠试错。

逆变器通过控制滤波器设计来改变谐振点

逆变器会改变谐振点，因为其滤波器、变压器接线方式、电缆长度以及控制回路会改变电网的频率依赖性阻抗。在电站扩建之前看似没有问题的母线，一旦新增设备改变了该阻抗分布，就会发生谐振——即使每台逆变器仍符合其各自的高次谐波限值。

截至2023年底，美国并网排队项目总容量为2,600吉瓦，其中95%来自太阳能、储能和风能。这一规模至关重要，因为排队中的项目会向同一电网增加更多变流器、更多汇流电缆以及更多无功设备。一座100兆瓦电厂的扩建，往往会增加足够的滤波电容，从而使现有谐波的谐波阶次发生转变。 您的研究应将每次大型逆变器的增设视为电网变更，而非简单的设备替换。

控制机制又增加了一层复杂性。配备LCL滤波器的追网式逆变器，其与被控对象的交互方式会因阻尼值或相锁环带宽的不同而有所差异。一旦将这些参数纳入考虑，即使基于相似的单线图建造的两处站点，其扫描结果也可能大相径庭。这就是为什么简化的通用逆变器模块往往会遗漏那些在后续调试过程中才会显现的频率。

电容器组会在特定频率下加剧失真

当电容器组在频率接近现有谐波成分时，其电抗与系统电感叠加，会加剧失真。电容器组本身并非谐波源，但它可能会造成一种状况，使原本可接受的电流注入演变为破坏性的母线电压、继电器的误动作或电容器反复承受应力。

配备开关电容组的34.5 kV变电站，在电容组闭合前后可能表现出截然不同的特性。在基频下，母线电压可能保持在限值范围内，但在开关操作完成后，第7次谐波会急剧上升。工程师有时会观察到这种失真现象，并推测是最近的逆变器发生了控制故障。但更合理的解释通常是电容组导致并联谐振频率发生偏移。

正因如此，电容器研究不仅需要进行kvar容量选型。电抗器的失谐、电容器组的位置以及切换顺序都会影响谐波峰值的位置。进行功率因数校正的工业厂房面临着与可再生能源汇集系统相同的问题，尤其是在上游已经存在背景谐波的情况下。如果将电容器规划与谐波研究作为一项任务来统筹进行，而不是分别审查，将能获得更好的结果。

频率扫描显示了微小信号源产生高电压的位置

“频率扫描会绘制系统阻抗与频率的关系曲线，而曲线上的峰值则表明，在哪些位置，较小的谐波电流会引发较大的电压响应。”

这是在系统投运前发现共振风险的最快方法，因为它既能显示共振频率，又能指出网络最敏感的母线。

电厂并网研究通常会从公共耦合点开始，向下扫描至逆变器端子和辅助母线。某条母线在第5次谐波处可能仅表现出轻微响应，而汇流母线在第11次谐波附近则会出现陡峭的峰值。这种对比能帮助您确定应在哪里安装滤波器、调整电容器参数，或者需要进一步细化模型的部位。此外，扫描结果还能显示，当铺设新的电缆线路时，峰值是否发生了足以产生影响的位移。

时域研究证实了开关事件中的共振现象

时域研究可测试在开关和控制事件下的谐振现象，而单纯的扫描无法显示这些现象。这些研究将验证：当电容器闭合、逆变器升压或故障消除时，谐振点是否确实会产生有害的过电压、持续振铃或电流应力。

在弱母线上发生电容器通电事件时，即使稳态谐波注入看似较小，也可能激发出持续数个周期的谐振频率。如果直流母线控制和厂级无功控制在错误的时机重新介入，逆变器跳闸和重合闸序列也会产生同样的效果。 SPS SOFTWARE 在此场景中非常有用，因为您可以将频率扫描与透明时域模型相结合，并在开关事件发生时对同一电网进行测试。正是扫描结果与波形响应之间的这种关联，将怀疑转化为确凿证据。

这一步至关重要，因为并非每个扫描峰值都会演变成运行问题。有些峰值出现在没有明显源头的频率附近，而另一些则与开关模式、变流器边带或馈线中已存在的背景失真重合。当您了解激发共振的事件、响应的持续时间以及承受最大应力的设备时，就能做出更合理的缓解措施选择。这些证据还有助于保护和运行团队就设置和开关规则达成一致。

模型细节决定了哪些共振峰会出现

模型的细节决定了您将发现哪些谐振峰，因为谐振是由网络中实际存在的电感、电容、电阻以及控制元件所决定的。如果研究中将电缆视为单一整体、忽略变压器绕组数据，或者将滤波器视为通用模块，就会导致现场存在的谐振峰发生偏移或消失。

由多个2公里长的电缆段组成的汇流系统，其行为表现与将同一电厂建模为一条等效线路时有所不同。每个电缆段都会增加分布电容，并改变邻近母线所看到的局部阻抗。变压器的接地方式、绕组连接方式以及寄生电容也会影响零序和高频响应。这些细节虽然繁琐，但数据缺失通常比负荷估算不准确对研究造成的损害更大。

您不需要无限的复杂性。您需要在关注的频率范围内，以及在将测量失真或设备将跳闸的总线上，获得足够的保真度。优秀的谐波分析软件在模型对假设条件保持透明时最为有用，这样工程师才能编辑参数、重新运行仿真案例，并理解为何在设计变更后峰值会发生位移。这种方法比那种仅提供曲线图却不揭示网络物理特性的封闭式“黑匣子”更为实用。

在添加新设备之前，先对性能最弱的总线进行分析

最薄弱的母线应优先予以关注，因为它们既具有较低的短路强度，又配备了会改变阻抗的设备。在这些母线上，增加逆变器、电容器组或铺设长电缆都会导致最大的谐振摆幅，而采取的缓解措施对整个系统的影响也最大。

在对电网的每个角落进行建模之前，先对母线进行排序，这样制定研究计划的效果最佳。虽然公共耦合点看似是显而易见的首要目标，但实际上更敏感的位置往往是汇流母线、辅助中压母线或电容器组端子。某条工业馈线在公用事业接口处可能保持平稳，而电机控制母线却会出现严重的局部放大现象。这些正是大多数团队应首先检查的位置：

• 通过长电缆将多个逆变器模块连接起来的汇流母线，应尽早进行检测。
• 连接开关电容组或滤波器的总线需要单独的运行工况。
• 根据短路比最低的情况，应将最弱的馈线排在靠前的位置。
• 为高密度电力电子设备供电的变压器的低压侧往往隐藏着局部尖峰。
• 在本地负载较轻的情况下，长电缆线路的远端可能会出现剧烈的阻抗波动。

该排名将节省时间，并提升模型的初次运行效果。它还能避免您花费数天时间去优化那些无法激发或放大您所关注频率的总线。一旦弄清了高风险总线，您就可以扩大扫描范围，并更有针对性地测试各种应急方案。这样，您的风险缓解方案将真正反映实际的薄弱环节，而不是仅仅针对最简单的单线位置。

常见的建模错误会掩盖谐振现象，直到设备跳闸为止

常见的建模错误会掩盖谐振现象，因为它们会使阻抗曲线趋于平坦，或使峰值出现在错误的频率上。常见的错误原因包括：采用等效电缆模型、遗漏电容器状态、使用通用逆变器滤波器、采用过时的公用事业电源数据，以及在未检查激发峰值的运行事件的情况下，就停止扫描。

某个站点可能通过初步研究，但在上电后仍会触发电容器保护，这是因为所用的模型采用了额定电源强度，且忽略了另一种馈线配置。另一个站点在纸面上可能看似不安全，直到工程师添加了实际滤波器组中存在的阻尼电阻。

“优质的谐波处理与其说取决于软件功能，不如说更取决于建模的严谨性，因为漏算一段电缆或一个滤波器的调谐出现偏差，都可能导致那个最终会引发设备跳闸的峰值消失。”

你正在评估一个物理系统，因此模型必须与该物理系统保持高度一致。

这正是您在进行每项谐波共振研究时应遵循的标准。一套完善的工作流程应将频率扫描与时域检查相结合，在每次设计修订后更新模型，并重点测试最可能放大失真的母线。SPS SOFTWARE完全符合这一工作流程，因为它支持透明建模，使工程师能够在设备承受可避免的应力之前，就验证共振风险。当电网每次新增逆变器或电容器组时，共振点都会发生位移，此时，谨慎的操作始终优于凭空猜测。