风电场谐波问题测试分析与治理措施研究

风电场谐波问题测试 分析与治理措施研究

段锐敏， 郭成

云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明， 650217

摘要: 随着大型并网风电场日益增多，风电场的电能质量问题也日益凸显。本文基于在云南某高原风电场中发生的变流器电流故障和变桨驱动器过压故障，对风电场的电力谐波进行了测试，分析了谐波主要来源，研究了导致风机脱网的主要原因，并提出了对应的谐波治理措施。对同类型风电场的电能质量问题防治具有一定的参考作用。

关键词:风电场；谐波；电能质量

0、引言

电力系统的谐波问题由来已久，伴随着交流电被采用作为电能的输送方式起就已经存在。近年来，随着大容量电力电子设备和非线性设备的大量使用，使这一问题更加突出。其危害主要体现在谐波畸变对电容器组、变压器及负载设备产生影响，严重的将引起设备故障或不正常工作。因此，谐波已是电力系统不可忽视的问题。

风力发电机因采用大容量电力电子设备而产生谐波，并通过转子侧变流器和电网侧变流器馈入电网。近年来，云南大型并网风电场数量急剧增多，风力发电利用小时数位居全国前列。随着并网容量的与日俱增，风电并网所带来的电能质量问题也凸显出来。对于风力发电机组大规模投运并网之后带来的电网稳定问题，防治风电场电能质量问题至关重要。

本文基于在云南某高原风电场中发生的变流器电流故障和变桨驱动器过压故障，对风电场电能质量进行了测试，分析了谐波主要来源，并提出了对应的解决措施。对同类型风电场的电能质量防治具有一定的参考作用。

1、电力谐波概述

在供电系统中除50Hz的正弦波外，还出现其他频率较高的正弦波，这些高次谐波叠加在基波上，使基波发生畸变，从而产生谐波，谐波频率为电源基波频率的整数倍。

在用电设备中有许多非线性负荷，非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，即所有电压与电流的关系为非线性的用电设备都是谐波源。电网中比较常见的谐波源有电力机车、新能源发电站、以及电解铝和电弧炉等工业非线性负荷。电力机车采用单相整流装置供电，经过牵引变压器接入电网，向电网中注入高次谐波；风力发电机和光伏电站采用了大容量电力电子设备，因而也会产生谐波，通过新能源场站并网而将谐波导入电网；电解铝和电弧炉等非线性工业大负荷，因为大量采用电力电子变流技术，也不可避免的产生大量谐波对电网造成谐波污染。

大规模的谐波源并入电网，导致公用电网谐波含量超标，将对电力系统产生诸多危害。1）导致用电设备不能正常工作；2）对继电保护和自动装置产生不良影响，可能导致误动作；3）导致电度计量及常用仪表测量产生较大偏差；4）增大电网损耗；5）引发谐波谐振，产生过电压导致设备损坏；6）导致互感器测量误差。

2、风电场谐波问题现状

云南某高原风电场由三个区域风电场组成，分别称为1、2、3号区域风电场，其装机总容量为48×3MW。该风电场采用了两个厂家生产的风力发电机组，单机容量均为2MW。总共安装了24×3台风机。风力发电机组采用一机一变（箱式变）的单元接线升压至35kV。风电场内已建成1座220kV升压站，共有两台主变，通过长度约25km的线路，经220kV变电站接入电网。

2019年5月，3号区域风电场的上海电气W2000H-99型风力发电机组批量报出转子侧变流器电流故障（变流器控制板A/D故障），报出的机组为5、13、15、16、17、18、19、21、22、24号共10台机组。同日，2号区域风电场中的许继WT2000/100型风力发电机组集中报出变桨驱动器故障（变桨驱动器过压故障），报出的机组为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11号共11台机组。该风电场的SVG功率单元设置了谐波电压、电流保护功能，当谐波限值超过设定限值（谐波电压总畸变率限值为10%，100毫秒，谐波电流含有率率限值为15%，100毫秒）时，SVG将退出运行。

3. 风电场谐波测试和分析

为了确保风电场电气设备的安全稳定运行，对该风电场开展现场测试，分析问题原因，并研究治理措施，为后续技术改造提供技术支持。

3.1 风电场35kV母线测试

对风电场35kV母线侧进行谐波电流和谐波电压测试，其谐波电流有效值和谐波电压频谱如图1和图2所示。

图1 谐波电流有效值

Fig.1 Effective value of harmonic current

由图1可以看出各次谐波电流中11、13次谐波电流较大，11次谐波电流有效值为11.13A，超过标准限值（5.6A）；13次谐波电流有效值为6.5A，超过标准限值（4.7A）。

图2 谐波电压平均值频谱图

Fig.2 Spectrum of average value of harmonic voltage

从图2可以看出，35kV母线谐波电压以3、11次为主，3次谐波电压含有率为2.55%，超出标准限值2.40%；11次谐波电压含有率为3.37%，超出标准限值2.40%，不满足GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》规定的要求。

3.2 风力发电机谐波频谱测试

为了分析风机自身产生的谐波，对风机侧的谐波进行测试。由于该风电场安装了两个厂家的风电机组，因此对两种风机的谐波电流都进行了测试，其结果如图3和图4所示。

图3 许继风机谐波电流平均值频谱图

Fig.3 Spectrum diagram of average value of harmonic current of Xu Ji wind turbine

图4 上海电气风机谐波电流平均值频谱图

Fig.4 Spectrum diagram of average value of harmonic current of Shanghai Electric wind turbine

结果表明：许继风机自身产生的谐波电流以2、5、11次为主。其中，5次谐波电流平均值含有率为3.3%，11次谐波电流含有率为1.2%。上海电气风机自身产生的谐波电流以2、3、5、13次为主。其中，5次谐波电流平均值含有率为3.4%，13次谐波电流含有率为1.5%。

3.3 消谐器对电压测量的影响

该风电场在35kV I、II母PT一次侧中性点处均加装了一次消谐器。对于消谐器对3次谐波的影响开展测试，结果如图5所示：

图5 消谐器对3次谐波电压含有率的影响

Fig.5 The influence of harmonic eliminator on the 3rd harmonic voltage containing rate

测量结果表明：PT一次中性点加装消谐器对3次谐波含有率造成较大的影响。在消谐器影响下，3次谐波电压含有率将会被放大，由0.12%放大到2.1%，放大了17.5倍。可见消谐器对于风电场3次谐波的影响巨大，3次谐波主要是由于消谐器的影响导致超标的。

3.4风机脱网原因分析

对谐波电压总畸变率和11次谐波分量，利用correl函数开展相关性分析，相关性分析公式如下：

（1）

注： 即为高度线性相关；

通过公式（1）对检测时间段内的谐波电压总畸变率和11次谐波电流进行相关分析，得到两者的相关系数r=0.825，为高度线性相关，因此说明11次谐波是引起集电线路谐波电压总畸变率超标的主要因素。

风电场35kV及690V侧出现了谐波电压总畸变率超标现象，主要原因为风电机组产生的11次谐波电流注入集电线路，因集电线路固有频谱特性会对11次谐波产生并联谐振，放大了谐波电压，造成11次谐波电压含有率偏高，最终引起谐波电压总畸变率超标。

随着谐波电压总畸变率的增加，集电线路末端风电机组箱变高压侧和机端690V侧电压波形出现较为严重的畸变，谐波总畸变率严重超标，引起波形在0.49～0.717毫秒内电压瞬时值变化较为平缓，可能会误发A/D采样故障信号，引起风机脱网（上海电气风机A/D采样间隔为1毫秒）。

另外，如3.3节的分析，消谐器的影响导致风机3次谐波被放大，也是导致总谐波超标，引起风机脱网的因素之一。

3. 治理措施分析

由测试分析可知，风电场35kV集电线路3次、11次谐波电压含有率超标较为严重。为此，需要从三方面进行治理。

1）提升风机变流器谐波适用性

由3.4节分析可知，当35kV母线电压谐波电压含有率较大时，造成风机690V侧电压波形在0.45～0.7毫秒间隔内变化较为平缓，可能会诱发A/D采样故障信号，引起风电机组脱网。因此需要对脱网型号的风机变流器的谐波电压适应性进行分析和提升，确保风机在较大背景谐波条件下能正常运行。

2）加装无源滤波支路

鉴于站内安装的两套容量均为24MVar的SVG不具备滤波条件，需要在35kV升压站加装无源滤波器，改变集电线路的频谱特性，避免集电线路对11次以及13次谐波电压放大。

3）改造消谐器

现有的一次消谐器对3次谐波的放大作用巨大，需要对消谐器进行改造，更换为具有电能治理功能的消谐器。提高电压精确测量的同时，降低对3次谐波电压含有率的影响。

5、结语

电力系统的电能质量问题越来越引起人们的关注。随着大型并网风电场日益增多，风电场的电能质量问题也日益凸显。本文基于在云南某高原风电场中发生的变流器电流故障和变桨驱动器过压故障，对该风电场的电力谐波进行了测试，分析了谐波的主要来源。经分析研究，得出了导致风机脱网的主要原因是风机产生的11次谐波超标，以及一次消谐器影响导致的3次谐波超标。从而针对性地提出了谐波治理的措施。这一研究对同类型风电场的电能质量问题防治具有一定的参考作用。

参考文献：

[1]谷佳琪,李超,王洪娟.典型谐波分析与治理措施[J].节能. 2015(07).

[2]雷亚洲.与风电并网相关的研究课题[J].电力系统自动化. 2003(08).

[3]高扬.电力系统谐波危害的检测和治理[J].科技创新与应用. 2012(14).

[4](美)德拉罗萨(Rosa).电力系统谐波[M].机械工业出版社. 2009.

作者简介：

段锐敏（1987），女，高级工程师，主要研究电压无功和电能质量分析；

郭成（1978），男，教授级高工，博士，主要研究电压无功和电能质量分析。