减少谐波对新能源设备影响的措施有哪些？

减少谐波对新能源设备的影响，需从 “源头控制、主动治理、被动防护、电网协同、运维保障” 五个维度构建全链条解决方案，针对谐波的产生、传播、作用三个环节精准施策，最终将谐波含量控制在国标允许范围（如 GB/T 14549-1993 要求 220kV 电网电压总谐波畸变率 THDv≤2%）。以下是具体措施及作用机制：

一、源头控制：优化新能源设备设计，减少谐波注入

谐波的核心来源是新能源设备（逆变器、变流器）的非线性特性，从源头降低谐波生成是最根本的措施。

1. 优化逆变器 / 变流器拓扑结构与控制策略

采用多电平拓扑，降低低次谐波替代传统 “两电平逆变器”（易产生 3、5 次低次谐波），采用三电平、五电平或模块化多电平（MMC）拓扑：

• 原理：多电平拓扑通过增加直流侧分压电容和开关器件，使输出电压波形更接近正弦波，低次谐波（3、5、7 次）含量可降低 50% 以上（如三电平逆变器 3 次谐波含量从 3% 降至 1.2%）；
• 应用场景：光伏集中式逆变器（≥100kW）、风电全功率变流器、储能 PCS，目前主流厂商（如华为、阳光电源）已大规模采用三电平拓扑。

升级控制算法，抑制谐波成分优化逆变器的电流跟踪控制策略，增强对谐波的抑制能力：

• 比例谐振（PR）控制：针对特定次谐波（如 3、5、7 次）设计谐振控制器，实现对谐波电流的精准抵消，使总谐波畸变率 THDi 从 5% 降至 2% 以下；
• 重复控制：通过 “记忆 - 补偿” 机制，消除周期性谐波（如逆变器开关频率相关的高次谐波），尤其适合光伏 / 储能设备的稳定运行；
• 模型预测控制（MPC）：实时预测电流波形，动态调整开关状态，兼顾谐波抑制与开关损耗，适用于风电变流器的快速响应场景。

2. 优化风机 / 光伏组件的匹配与布局

风机变流器的谐波抑制设计针对双馈风机转子侧变流器的谐波问题，加装转子侧谐波滤波器（如 LC 无源滤波），或优化 Crowbar 保护电路的触发逻辑，避免故障时注入大量谐波电流；全功率风机采用 “背靠背变流器 + 正弦波滤波器” 组合，将网侧电流 THDi 控制在 1.5% 以内。

光伏组串的一致性管控光伏组件的参数不一致（如效率、衰减程度）会加剧组串电流失衡，间接增加逆变器谐波。通过以下措施优化：

• 同一组串选用同批次、同型号组件，避免新旧组件混合使用；
• 安装 “组串级 optimizer（优化器）”，动态调节各串输出电流，减少组串失配导致的谐波；
• 定期清洗组件，避免局部遮挡引发的 “热斑效应”（减少 3 次谐波累积）。

二、主动治理：配置谐波补偿装置，实时抵消谐波

针对已产生的谐波，通过主动补偿装置实时吸收或抵消谐波电流 / 电压，是新能源场站最常用的措施。

1. 有源滤波器（APF）：精准补偿动态谐波

• 工作原理：APF 通过电流互感器（CT）实时检测电网中的谐波电流，由内部 IGBT 变流器生成与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，实现 “实时抵消”，补偿响应时间≤200μs，可覆盖 2~50 次谐波。
• 应用场景与配置策略：
  • 光伏 / 风电逆变器出口侧：单台逆变器配置 “小容量 APF”（如 50kVar），针对性补偿逆变器自身产生的谐波；
  • 场站并网点：配置 “大容量 APF”（如 500kVar~2MVar），补偿全站总谐波（含逆变器、变压器及电网背景谐波）；
  • 典型案例：某 100MW 光伏电站在并网点配置 1 台 1.2MVar APF 后，并网点 THDv 从 3.5% 降至 1.8%，符合国标要求。

2. 静止无功发生器（SVG）：兼顾无功与谐波治理

• 工作原理：SVG 不仅能动态补偿无功功率（维持电压稳定），还可通过扩展控制算法实现谐波补偿功能（如 2~19 次谐波），尤其适合新能源场站 “无功不足 + 谐波超标” 的复合场景。
• 优势与配置：
  • 相比 APF，SVG 的无功补偿能力更强（可提供 ±100% 额定容量的无功），且能抑制电压波动与闪变；
  • 风电场、光伏电站通常在并网点将 SVG 与 APF 组合配置（如 “SVG+APF 混合装置”），实现 “无功调节 + 谐波补偿” 一体化治理，降低设备投资成本 30% 以上。

3. 储能系统：平抑波动与辅助谐波治理

• 工作原理：储能 PCS（变流器）通过优化控制策略，可在充放电过程中辅助吸收部分谐波电流（如 3、5 次），同时平抑新能源出力波动（减少因波动引发的谐波叠加）。
• 应用方式：
  • 新能源场站配置 “储能 + APF” 协同控制：储能优先平抑出力波动（减少波动导致的谐波），APF 精准补偿剩余谐波；
  • 某 200MW 风电场配置 50MW/100MWh 储能后，出力波动幅度从 ±20% 降至 ±5%，谐波叠加现象减少，场站 THDv 降低 0.8%。

三、被动防护：加装滤波与隔离设备，阻断谐波传播

通过被动元件（如滤波器、变压器、电抗器）抑制谐波传播，减少谐波对新能源设备的直接作用，是低成本的辅助防护措施。

1. 无源滤波器（LC 滤波）：抑制固定频率谐波

• 工作原理：LC 无源滤波器由电容、电感串联或并联组成，针对特定次谐波（如 3、5、7 次）设计谐振频率，使谐波电流在滤波器中形成低阻抗回路，从而被吸收。
• 应用场景：
  • 逆变器 / 变流器输出侧：加装 “单调谐滤波器”（针对 3 次或 5 次谐波），成本仅为 APF 的 1/5，适合固定频率谐波（如光伏逆变器的 3 次谐波）；
  • 注意事项：需避免滤波器与电网发生谐振（需计算电网阻抗与滤波器参数匹配），否则会放大谐波（如某电站因 LC 滤波器参数不匹配，导致 7 次谐波放大至 5%）。

2. 隔离变压器与电抗器：阻断谐波传播

隔离变压器：

• 采用 “Δ/Y” 或 “Y/Δ” 接线的隔离变压器，可抑制 3 次及 3 的倍数次谐波（这类谐波为零序谐波，无法通过变压器传递），适合光伏组串与逆变器之间、储能电池与 PCS 之间的隔离；
• 某储能电站在电池簇与 PCS 之间配置隔离变压器后，3 次谐波含量从 2.5% 降至 0.8%，电池充电均衡性显著提升。

串联电抗器：

• 在逆变器 / PCS 交流侧串联 “低损耗电抗器”（电抗率 4%~6%），可抑制合闸涌流和谐波电流（如 5 次及以上高次谐波），同时降低电网背景谐波对设备的影响；
• 风电变流器通常在网侧串联 6% 电抗率的电抗器，可将高次谐波（11、13 次）含量降低 40% 以上。

3. 谐波抑制型变压器：降低变压器自身谐波放大

• 特性与应用：采用 “非晶合金铁芯” 或 “低损耗绕组” 的谐波抑制型变压器，其附加铁损（谐波导致的铁损）比普通变压器低 30%~50%，且能减少谐波在变压器中的放大；
• 某风电场将普通 110kV 变压器更换为谐波抑制型变压器后，变压器总损耗降低 25%，且不会因谐波导致温升超标（原普通变压器温升超额定 10K，更换后降至 5K 以内）。

四、电网协同：优化并网条件，减少谐波放大

新能源场站的谐波问题与电网结构密切相关，需通过电网侧措施增强抗谐波能力，避免谐波在弱电网中放大。

1. 增强电网强度，降低谐波放大效应

• 措施：通过 “升级并网线路”（增大导线截面、缩短距离）或 “接入更高电压等级电网”（如从 10kV 升至 35kV），提高电网短路比（SCR≥3），增强电网抗干扰能力；
• 原理：强电网（SCR≥3）的阻抗小，新能源出力波动与谐波注入对电网电压的影响更小（如 10MW 光伏接入 SCR=5 的强电网，谐波导致的电压畸变率仅为接入 SCR=2 弱电网的 1/3）。

2. 合理规划并网容量与布局

• 控制新能源占比：避免单一区域新能源并网容量占比过高（如≤50%），减少因 “惯量不足” 导致的谐波叠加（新能源占比过高时，电网对谐波的阻尼能力下降）；
• 分散并网：将大型新能源场站拆分为多个小型场站（如 100MW 拆分为 2 个 50MW），分散接入不同电网节点，避免谐波在单一节点集中放大。

3. 电网背景谐波治理

• 要求：电网公司需治理配网侧的背景谐波（如工业负荷、充电桩产生的谐波），避免将背景谐波传递至新能源场站；
• 协同机制：新能源场站与电网公司建立 “谐波数据共享机制”，通过电能质量在线监测装置追溯谐波来源（区分场站内部与电网背景谐波），针对性治理（如电网侧加装 APF，场站侧优化设备）。

五、运维保障：建立全周期管理体系，持续监控谐波

通过运维手段确保治理措施有效运行，及时发现并处理谐波问题，避免长期积累导致设备损坏。

1. 安装电能质量在线监测装置

• 配置要求：新能源场站需按 GB/T 19862-2016 要求，在逆变器出口、并网点等关键节点安装A 级精度监测装置，实时监测 THDv、THDi、各次谐波含量（2~50 次）、电压偏差等参数；
• 数据应用：通过监测平台（如 SCADA 系统）实现 “谐波超标预警”（如 THDv＞2% 时触发告警）、历史数据追溯（存储≥1 年），为谐波治理提供数据支撑（如定位某台逆变器谐波超标）。

2. 定期维护与校准治理设备

• 维护内容：
  • APF/SVG：每季度检查 IGBT 模块温度、电容容量、冷却系统，每年进行参数校准（确保补偿精度）；
  • 无源滤波器：每半年检测电感、电容的参数变化（避免谐振频率偏移），更换老化元件；
  • 变压器 / 电抗器：每年检测绕组直流电阻、绝缘油介损，避免谐波导致的绝缘老化。

3. 人员培训与谐波管理规范

• 培训：对运维人员开展 “谐波识别与治理” 培训，掌握监测数据解读（如区分偶次 / 奇次谐波）、设备操作（如 APF 手动补偿模式切换）；
• 规范：制定《新能源场站谐波管理规程》，明确谐波超标处理流程（如 THDv＞2.5% 时启动 APF 增强补偿模式）、定期检测周期（如每月一次谐波专项检测）。

总结：全链条治理的组合策略

减少谐波对新能源设备的影响，需避免 “单一措施依赖”，推荐采用 “源头优化 + 主动治理 + 被动防护 + 运维监控” 的组合方案：

1. 小型场站（≤50MW）：逆变器采用三电平拓扑 + 出口 LC 滤波 + 并网点 APF（小容量），满足基础治理需求；
2. 大型场站（≥100MW）：多电平逆变器 + SVG+APF 混合装置 + 储能协同控制 + 谐波抑制型变压器，实现深度治理；
3. 弱电网接入场景：增强电网强度（升级线路）+ 分散并网 + 高精度监测，避免谐波放大。

通过该方案，可将新能源场站的谐波含量控制在国标范围内，减少谐波导致的设备损耗（如 IGBT 损耗降低 20%、变压器损耗降低 15%），保障设备高效、安全运行。

审核编辑 黄宇