海上风电场谐波分析及抑制措施研究

海上风电场谐波分析及抑制措施研究

吕冠成

（山东电力工程咨询院有限公司 山东省 济南市 250013）

摘要：随着大规模风电场接入电力系统，风电场并网的谐波含量对电网的稳定运行造成威胁，因此，对风电场谐波的分析与抑制措施研究显得格外重要，本文以半岛南3号海上风电项目为例，通过在ETAP中构建风电场谐波模型，研究单台风力电机运行与风电场全机组投入情况下的谐波传导与耦合作用，以及海缆长度对风电场谐波含量的影响，得出以下结论，风电场内部的谐波电流是从风机侧向电网侧传导的，风力电机出口侧电压总谐波含量最高，在电网220kV侧电压总谐波含量最低，在不同电压等级母线谐波相互耦合作用下，电网侧220kV母线电压谐波分量的占比与谐波频次分布呈现削减趋势，其次，随着海缆长度的缩减，不仅总谐波含量下降，而且7次谐波逐渐取代5次谐波，成为主导的谐波分量，建议海上风电场运营商优化海上风电设备到220kV电网侧母线海缆路径，通过缩短海缆长度来降低总谐波含量，同时应注意对7次谐波的抑制以及其对风电设备的影响。

关键词：风电场、谐波传导、谐波耦合、谐波抑制

1．前言

随着可持续能源日益增长，电力系统中更多的风力发电机投入使用，由于风力发电机包含大量的电力电子设备，以及风力发电的随机性和不可控性，风电场在向电网输入有功功率的同时，注入了大量的谐波，给电力系统带来了诸多不利影响。谐波水平是风电场业主和电网运营企业共同关心的问题。电网运营企业担心电网中的电压失真极限被超过。风电场业主必须应对网络运营商规定的并网谐波含量限制，并避免谐波导致的设备损坏和保护误动。因此，海上风电场谐波分析及抑制措施研究是风电产业发展中的一个关键问题。本文对半岛南3号海上风电场的谐波传播和耦合进行研究。通过对单台风力发电机到电网，以及由多台风力机组到电网的谐波分布研究，找出风力电场谐波传导与耦合的规律，通过分析海缆长度对谐波分布的影响，提出风电场谐波的抑制措施。

2.文献综述

国内外学者对风力发电的谐波做了大量的研究。文献[1]建立多个风电场的谐波相互作用模型，表明随着风电场之间的距离减少，它们之间的接触阻抗会降低，谐波相互作用会增强。文献[2]通过研究在不同风速与短路容量下风电场出口电压与电流，以及110kV电压与电流的畸变率，得出了风机在不同风速类型情况下的谐波含量。文献[3]发现在采用相同风力机组情况下，接入点短路容抗越大，风电场对并网点的谐波影响越小。在文献[4]中，次同步谐波监测系统被用于对次同步谐波振荡的判断，根据PMU记录的数据频谱得出风电场29．6 Hz和19．4 Hz次同步谐波分量较多，主导动作频率为19．4 Hz。文献[5]发现风力发电机产生的电流谐波有两种:高次开关谐波和锁相环产生的低次谐波。文献[6]通过转换函数建立风电场的数学模型，研究发现谐波共振频率的振幅强度依赖于地下电缆和变压器的阻抗。

3.谐波与风力电机模型理论研究

3.1谐波的定义

谐波严格意义上是指电流中所包含的基波频率大于1整数倍的分量。一般指周期性非正弦电量的傅里叶级数分解。大于基频的电流所产生的剩余电量。从广义上讲，由于交流电网的有效分量是工频的单一频率，任何不同于工频的分量都可以称为谐波。电力系统中的理想电压或电流波形是基频为50 Hz且幅值恒定的正弦曲线。然而，在现实中，由于多种原因，波形是非正弦的或带有变化的幅度或频率的。电压与电流的偏移会严重影响电力系统的电能质量，因此，谐波是影响电能质量的重要因素。

3.2谐波的影响

高水平的电压或电流波形失真会导致电力系统中敏感元件的故障和损坏。失真电压会影响并联网络组件(如电容器组)，而失真电流会影响串联网络组件(如变压器)。高频电压谐波可能导致电容器过热和损坏，电容器的热应力与频率的平方成比例，电容器的介电应力与电压峰值的幅度相关，高频电压谐波导致电容器的热应力和介电应力增加，进而损坏风力电场与电网的电容器。高频电流谐波会引起的变压器与电机发热，设备的热损耗与电流的平方成正比，大量非基频的电流分量流经变压器与电机，会产生热点与设备过热问题。

4．半岛南3号海上风电模型构建

半岛南3号海上风电模型在ETAP软件中构建（详见图4.1），风力电机的额定风速为10m/s，额定功率为5.2MW。风电场模型频率为50Hz，风力电机出口侧电压为1.14kV，中压与高压段母线电压分别为35kV与220kV，如表格4.1所示，本工程从35kV段到1.14kV段总共包含10条集电线路，除集电线路3与6仅包含5台风力机组以外，其余集电线路均接入6台风力电机，35kV侧母线共分为4段，其中35kV 1A与2B段仅投入2条集电线路，35kV 2A与1B段连接3条集电线路， #1主变与#2主变低压侧分别接两段35kV母线，两者的高压侧通过38km海缆与2.5km陆缆接到电网220kV侧，每台风力电机的谐波发生量由风力发电机组电能质量测试单位出具的“风力发电机组电能质量测试报告”获取，风力发电机的谐波模型根据谐波发生量在ETAP中建模。

图 4.1 半岛南3号海上风电模型

图 4.2 集电线路5模型

5.半岛南3号海上风电场谐波分析

5.1单台风力电机运行与风电场全机组投入情况下谐波分布对比

单台风力电机运行与风电场全机组投入情况下谐波分布的观测点分别设置在集电线路5的电机出口F6（详见图4.2）的1.14kV段母线、35kV 2A段母线以及电网220kV侧母线，谐波分布模拟采用ETAP谐波分析模块。

根据结果分析得出以下结论，单台风力电机产生的谐波总含量随着母线电压等级的升高依次递减，1.14kV母线电压谐波失真程度最大，以5、7与17次谐波含量最为突出，而220kV母线侧谐波失真程度最小，相比于前者，17次谐波含量明显降低而7次谐波含量显著增长。通过对比单台风力电机运行情况下，不同电压等级母线谐波频谱图，可以发现风电场内部的谐波电流是从风机侧向电网侧传导的，220kV电网侧谐波占比与谐波频次分布呈减弱趋势。

通过对比单台风力电机运行与风电场全机组投入情况下不同电压等级母线的高频谐波含量，可以得出结论在同一集电线路下的多台风力电机构成的谐波源存在相互耦合的现象，致使在1.14kV母线电压谐波频谱中，多台风力电机产生的5与17次谐波分别叠加，在多个集电线路的谐波相互耦合的作用下，35kV母线电压谐波中7次谐波含量相互抵消，两台机组的谐波分量一同汇集到电网侧220kV母线，导致5次谐波含量增加，而7次谐波含量下降。

5.2风电场全机组投入并且海缆长度减半情况下谐波分布

在本次模拟中，假设海缆长度缩减为之前的一半及19km，进而研究海缆长度对风电场谐波分布的影响。

在将220kV海缆长度38km缩减为之前一半及19km后，可以发现风电场各电压等级母线的总谐波含量得到明显改善，在220kV电网侧的谐波总畸变率降低了27%，这是因为降低海缆长度抑制了电力电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，海缆长度减半对5次谐波起到较好抑制作用，相反其增加了7次谐波含量占比。电网侧220kV母线7次电压谐波含量占比随着海缆长度减半变为之前的3倍左右，因此，可以得出结论，海缆长度较低时，7次谐波占据主导地位，随着海缆长度的增加5次谐波逐渐成为主导的谐波分量，7次谐波含量受到抑制，建议海上风电场运营商尽量缩减海上风电设备到220kV电网侧母线海缆长度，同时应注意对7次谐波的抑制以及其对风电设备的影响。

6.总结

本文以半岛南3号海上风电项目为例，依据风力发电机组电能质量测试单位提供的数据在ETAP中构建风电场模型，研究了单台风力电机运行与风电场全机组投入情况下的谐波传导与耦合作用，以及海缆长度对风电场谐波含量的影响，最终得出下列结论。

风电场内部谐波电流是由风力电机侧向电网侧传导，在风力电机出口侧电压总谐波含量最高，在电网220kV侧电压总谐波含量最低，在不同电压等级母线谐波相互耦合作用下，电网侧220kV电压谐波的占比与谐波频次分布呈现削减趋势。

缩减海缆长度对5次谐波起到较好的抑制作用，但其大幅度增加了7次谐波含量占比，海缆长度减半使得220kV电网侧的总谐波含量降低了27%，因此，随着海缆长度的增加，不仅总谐波含量上升，而且5次谐波逐渐取代7次谐波，成为主导的谐波分量，建议海上风电场运营商优化海上风电设备到220kV电网侧母线海缆路径，通过缩短海缆长度来降低总谐波含量，同时应注意对7次谐波的抑制以及其对风电设备的影响。

参考文献：

[1] Jinhui Shi, Wei Chen, Zhanhong Wei, Xiping Pei and Xuebo Sun. Quantitative Analysis of the Interactive Influence for Harmonic Emission in Wind Farms [D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2022.

[2] 熊来红，单瑞卿，汪皓钰，刘会金，刘勇. 不同风况和系统容量下双馈风机并网谐波特性研究 [D]. 武汉: 武汉大学电气工程学院, 2011.

[3] 蔡志远，戈阳阳，马少华. 大规模风电接人电网谐波影响研究 [D]. 辽宁: 沈阳工业大学,2014.

[4] 李自明，姚秀萍，王维庆，常喜强，郭小龙，薛 忠，王 衡. 风电场次同步谮波监测系统的研究与应用 [D].新疆：新疆大学电气工程学院，2017.

[5] Audun Matre Meinich. Harmonic Propagation and Production in Offshore Wind Farms [D]. Norwegian University of Science and Technology, 2018.

[6] Kai Yang. Wind Turbine Harmonic Emissions and Propagation [D].Sweden: Luleå University of Technology, 2012.

作者简介：吕冠成，1996年7月，男，电气工程师，电力系统设计