风电机组谐波分析及控制

1 引言
谐波问题一直是电力系统较为关注的电能质量问题, 新型的变速风力发电机组由于采用了大容量的电力电子设备, 在向电网送出有功功率的同时还会将一定量的谐波注入电网。

评估和分析风电机组向公共连接点注入的谐波电流, 以及估算电网中主要母线的谐波影响是十分必要的。

2 谐波的概念
谐波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里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。

2.1 谐波的产生
在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，如电力电子原件、开关电源及电容器组等。

当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，产生谐波。

其与基波电流相叠加，使原有波形畸变，形成非正弦电流，对电能质量产生影响。

在供电网络阻抗下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。

在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z 的乘积。

次数越高，谐波分量的振幅越低，能量越小。

2.2 谐波的危害
Ⅰ.降低变压器、断路器、电缆等的系统容量；
Ⅱ.加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备；
Ⅲ.危害生产安全与稳定，使设备产生误动作；
Ⅳ.浪费电能等。

在风力发电方面，由于现阶段使用的风力发电机多为双馈异步发电机，其转子侧由变频系统提供励磁电流。

变频系统对谐波干扰十分敏感，如系统谐波过大，极易发生设备损坏，对风力发电机自身运行产生危害。

同时，由于谐波的并网，可能使变电所保护原件误动作，可能导致大面积变电设备跳闸，严重影响发电公司的运行。

2.3 谐波的分类
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角，但其频率都是基波的整数倍。

根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波 的正弦波分量。

根据谐波频率的不同，可以分为奇次谐波和偶次谐波，一般讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被大部分消除，只有奇次谐波的存在，会对系统产生严重影响。

对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。

变频器主要产生5、7次谐波。

3 风电机组谐波的产生
正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

其中，风电中主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等，对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的。

风电系统中较多的谐波电压是由电能转换系统、电力电子（逆变器）控制元件和电容器产生的。

风电机组在运行期间产生的各种扰动的程度，主要依赖于其装备的电能转换系统的形式。

对于定速风电机组来
风电机组谐波分析及控制■中国大唐集团新能源股份有限公司北京检修分公司—赵 腾
说，其不需要通过电力电子原件的投入来调节输出电压的频率，因而也基本没有谐波产生。

当机组执行并网操作时，软并网装置处于工作状态，由于需要由电力电子原件限制并网时的瞬时电流等级，将产生谐波电流，但是这时间极短，产生的谐波也是瞬时的，可以采用电抗器等原件滤除这些瞬时产生的高压噪声，谐波对电网的危害不是很大，可以忽略。

而变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用整流后接DC/DC变换，在电网侧采用逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，其谐波均产生在这一阶段；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网，转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，定子绕组端口并网后始终发出电功率，转子绕组端口电功率的流向则取决于风力发电机的同步转速和实际转速之比。

不论是哪种变速风电机组，并网后变流器将始终处于工作状态。

由于电力电子元件通过交直交的变频方式，将电流先转换为直流，这时，通过调整导通角调整直流电压，这时未被利用的电能即返回电网，与电网原波形叠加，使其波形改变，产生干扰。

如果这个触发角的选择点恰好位于会产生使得整个系统谐振的谐波频率，则会产生很严重的谐波干扰，甚至使整个系统谐振，损毁设备。

4 谐波的消除方式
首先，针对变压器采用Y/△ 或△/Y 接线，可以减少输入电网的谐波电流。

由于三相交流电的每相相位角相差120°，于是三次谐波的相位差即为360°，也就是同相位。

当进行Y型连接时，三次谐波相互叠加；而在△型连接端，三次谐波即会形成环流而消耗在内阻上。

同理，可以分析9次、15次谐波等也有相类似的削弱方式。

Y/△接法可以阻止高次谐波从高压流向低压，危害用户，阻止高次谐波从低压侧流向高压侧，危及整个电力系统。

此外，目前运用的消除谐波的手段还有两种：一种是不借助外部设备消除谐波，而是通过不同风机种类的合理排列并网来削弱谐波。

通过不同风机型号以及发电机类型产生不同频率、相位的谐波来互相抑制谐波。

但这种方法不能彻底消除谐波问题，而且需要对不同型号的风电机组做好建模，并预先进行谐波潮流计算，以确定如何选配风电机组的排列。

另一种方法是通过在变频器两侧安装滤波器，或在风力发电机网侧安装相应滤波装置，使得从变频器至发电机期间、发电机至电网期间以及变频器至电网期间的谐波就地消除。

目前在世界上常用的滤波器有两种，无源滤波和有源滤波。

4.1 无源滤波
无源滤波分为并联滤波器和串联滤波器。

但是，由于并联滤波器对于每一个频率都要设置一组单独的滤波设备，这就导致了其结构复杂，造价高，并且由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流，谐振在不同频率的滤波器还会互相干扰。

例如7次谐波滤波器就可能会放大5次谐波，使得在加入滤波器后，谐波电流之和会远远大于安装之前。

串联滤波器是现在比较常用的消除谐波设备，其是由电容和电感串联起来构成的LC滤波器，然后将其串联入电路中使用。

串联滤波器对其谐振点频率的电流阻抗值非常小，但对于偏离谐振点频率的电流，其阻抗增加，偏离的越多，阻抗越大。

对于比谐振点频率高的电流成分，电感的阻抗为主，对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗为主。

由于谐波成分通常比基波频率高，因此滤除谐波的工作主要由电感完成，电容的作用是抵消电感对工频基波的阻抗。

4.2 有源滤波器
有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。

它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波大小相等但相位相差90°的补偿电流，从而抵消谐波。

图1 有源滤波器的使用方式
有源电力滤波器
并联型串联型
单独使用方式单独使用方式
与LC滤波器混合使用方式
与LC滤波器混合使用方式
与LC滤波器并联
与LC滤波器串联
LC串联谐振方式
LC并联谐振方式
注入电路方式
4.3 实际案例分析
以赛罕坝风电场为例，其风电机组种类单一，以VESTAS V52-850kW 机型为主，显然不符合第一类消除谐波方式，其使用的是第二类方式，即在特定位置安装滤波器。

其中一组滤波器安装在风力发电机网侧，由一组RC 器件实现其对高频波的滤除功能。

如图2(a)（C622A-B 及R622A-C），其通过电容对高频波的低阻抗，使其经过C622（12.5KVar 690V 50Hz）流入与其串联的R622（ RCD170 120KΩ 5W），再通过电阻的热损耗消耗高次谐波，达到滤波目的，使得网侧谐波在由风电机组流向电网之前得以消减。

(a)
(b)
(b)
(c)
图2 安装在风力发电机网侧的滤波器
另一组滤波器安装在转子侧，在整流器之前安装了一组EMC 滤波器，如图3中的电容C562，其作用首先是在风机未达到同步转速前，滤除流向转子侧的高频干扰，其主要来源于网侧，而在风力发电机达到同步转速和超过同步转速时，滤除由转子侧流向电网的高频干扰。

靠近转子侧的L522为0.15mH，300A 电感，其可在为转子侧的励磁电流中，消除由于逆变器逆变时产生的高频干扰，平滑励磁电流，减少发电机由于励磁电流不稳定而产生的谐波。

图3 安装在转子侧的滤波器
经过多组数据分析，以及参考其他资料分析发现，在一般风场中，以5次7次谐波的干扰最为严重，其谐波电流最大。

对于赛罕坝风电场，其在35kV 侧CT 内加装消除谐波装置后，L1相谐波含量如表1。

表1 L1相谐波含量
谐波次数23579谐波含量(V)0.0050.1270.3630.3870.002谐波次数1113151719谐波含量
0.268
0.115
0.103
0.003
0.003
通过数据对比可知，其谐波含量在国家规定范围内。

大多数风电场变电所采取的措施为在公共点安装滤波装置，对谐波进行消除，如赛罕坝风电场在35kV 侧CT 内安装滤波器对整体谐波进行消除，然后进行升压并网。

如图4为某风电场在某公共节点PCC 处测得的谐波电压图谱。

图4 滤波前注入点谐波电流频谱
从频谱分析可知，此风电场存在很大的5次谐波，利用谐波频率扫描的方法可确认系统波阻抗，谐波频率扫描计算与谐波潮流计算的算法是一致的, 其实就是谐波潮流计算的一种特殊形式。

在已知h 次谐波节点导纳矩阵Y( h) 的
风电侧
发电机侧
-R622A-C
C622A-B R622A-C
K536B
F9B
F10B F11B K537
K536A
F538A-C
F537
R560A-C
T 50
F 67
-C622A
12.5kVAR
12.5kVAR
120W -C622B
条件下, 即可通过在该公共连接点处注入单位谐波电流计算求得系统谐波阻抗Zsh。

根据需要，将在35kV测加装5次谐波滤波器组，加装滤波器后注入公共连接点，比较加装滤波器前与加装滤波器后的各母线谐波电压计算结果以及注入公共连接点的各次谐波电流，各母线的谐波电压含有率和谐波电压畸变率比加装滤波器前均有所降低（图5），达到了允许范围之内。

但注入公共连接点的2 次谐波电流由原来的1.83 A 增大到了2.46 A，但仍在允许范围之内，其它各次谐波电流均有所降低。

图5 滤波后注入点处谐波电压图谱5 总结
谐波是风电影响的一个重要方面，由于谐波频率会远大于系统运行频率，加之电网的复杂性，在某些条件下（如安装有并联补偿电容器）可能会引起谐波放大，甚至系统谐振，所以对风电系统的谐波问题应给予必要的关注。

本文中提出了两种解决方法。

第一，我们可以避免采用单一变速恒频发电机集中联接，而是用多种风电机组有序排列，使整个风电场的谐波得以互相抵消削弱的方式；第二，在风电机组的变频侧及网侧加装消除谐波装置，或在风电场的公共端使用滤波器，将超标的谐波滤除。

参考文献
[1] 尹炼.风力发电.北京：中国电力出版社，2001.
[2] 王承煦.风力发电实用技术.北京：金盾出版社，1995.
[3] 李谦.风力发电场对电网的影响.宁夏电力，2004 年增刊.
[4] 张直平，李芬辰等.城市电网谐波手册.北京：中国电力出版社，2001.
[5] 何东升，刘永强，王亚.并网型风力发电系统的研究.高电压技术，2008.。