風電場接入系統諧波疊加計算方法的研究

姚龍華

(江蘇省電力公司檢修分公司南京分部，江蘇 南京 210019)

風能是一種取之不盡又清潔無污染的可再生能源。我國風電裝機容量速度很快，以每年20%以上的速度遞增。隨著風電場的容量越來越大，對系統的影響也越來越明顯，所產生的諧波污染問題是電力系統較為關注的電能質量問題[1]。諧波分析包括諧波源分析和電力系統諧波分析[2]。在電力電子裝置普及以前，變壓器是主要的諧波源。隨著電力電子技術的迅速發展，新型的變速風力發電機組由于采用了大容量的電力入電網運行時會使電網中出現諧波電子設備，造成電力系統諧波污染，對電力系統的安全、穩定、經濟運行構成潛在威脅，同時也阻礙了電力電子技術的發展[3]。如果在風電場接入電網后才發現其諧波污染達不到控制要求，投運后的升級改造工作將不得不付出很大的代價。因此，在工程設計階段應盡可能實際地分析預期風電場接入后所造成的諧波污染，這就成為風電場設計過程中一個重要課題。

文獻[1]簡化風電機組模型，在此基礎上計算風電場并網連接公共點的諧波大小。文獻[2]利用C語言編寫了諧波潮流計算程序，得到結果與國家規定標準進行比較；上述問獻都沒能考慮風電場之間的疊加效應。因此，本文對風電場疊加效應的計算方法進行了研究，以評估大型風電場并網所產生的諧波大小。

1 風電場諧波源分析

1.1 風電機組類型產生的諧波

風力發電系統主要有恒速恒頻風力發電機系統和變速恒頻風力發電機系統兩大類。對于恒速風力發電機組，由于在持續運行過程中沒有電力電阻元件參與，因此沒有諧波電流。變速恒頻雙饋風力發電機系統可忽略發電機本身產生的諧波。當風電機組投入工作時，軟并網裝置處于工作狀態，會產生部分諧波電流，但由于投入過程持續的時間很短，注入的諧波電流基本可以忽略[4]。

1.2 電力電子換流設備產生的諧波

諧波電流的真正來源是風電機組中的電力電子元件。變速恒頻風電機組的變流器始終處于工作狀態，諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關系，也就是與風速大小有關。在正常狀態下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設計結構及其安裝的濾波裝置狀況，同時與電網的短路容量有關。因此，風機場的諧波主要來源于轉子與電網相連部分之間的一組轉換器，變換器包括一對背靠背的交直流變換裝置（分別為轉子側變換器、網側變換器），網側變換器通過風電場升壓變向電網注入諧波電流。目前集中式大型風電場均集中接入了數十至數百臺風力發電機組，為了實際計算評估所有風機產生的諧波電流的集合效應，需將整個風電場等效為一個集中諧波源，以參與全網的諧波估算[5，6]。

本文主要對風電場多源諧波集合效應進行計算，并對其結果進行分析。第一種方法基于IEC 61400-21疊加算法，第二種方法基于更加復雜精確的模型，使該方法能夠適用于計算更高次諧波在電網接入點及周邊引起的電壓波形畸變。

2 諧波疊加IEC 61400-21方法

IEC 61400-21以及IEC 61000-3-6均確認了諧波的疊加不應使用代數和方法，并提供了兩種適用性不同的疊加原則[7，8]。 IEC 61400-21中規定，風電機群注入電網接入點的諧波電流可以近似地用下式來等效：

式（1）中：Ih∑為風電機群注入電網的總諧波電流畸變；NWT為風機個數；Ih，i為第i臺風機注入的第 h次諧波電流畸變；ni為從第i臺風機到電網接入點路徑上的變壓器總變比；β為修正系數，修正系數如表1所示。

表1 諧波疊加修正系數

由于IEC 61400-21中規定的疊加原則，其事實上更多地考慮了特征諧波尤其是低次諧波的相位相關性，對于幾乎沒有相位相關性的非特征諧波，尤其是低次諧波，若也采用此法，必然會帶來不符合實際的偏差。

3 諧波疊加計算的Rayleigh方法

3.1 Rayleigh電流等效法

實際工程中需要確保風電場的諧波注入所造成的電網接入點和周邊的電壓波形畸變在可容忍的范圍內。因此設計人員估算由風電諧波源產生的電壓波形畸變時通常需要首先估算出風場諧波源注入接入點的總諧波電流的幅值。

由文獻[4]可得注入接入點的某一第h次諧波電流幅值：

式（2）中：X，Y為總諧波電流的實部和虛部。

因為風電場注入接入點的某一第h次諧波電流幅值服從Rayleigh分布，可以根據相應的Rayleigh累積分布函數，對實際可能出現的諧波電流，以及其造成的電壓波形畸變進行估算。即為Rayleigh電流等效法。

3.2 Rayleigh電壓等效法

Rayleigh電壓等效法考慮了每一單臺風電機組所注入的諧波電流所對風電場接入點的諧波電壓的影響。對于每一單次諧波h，電網任意一個節點的諧波電壓Uh皆是各諧波源注入電網的h次諧波電流Ih，i的線性函數。因此接入點的h次諧波電壓：

如果只關心h次諧波電壓的實部，則：

則接入點的單次諧波電壓Uh服從Rayleigh分布，且標準差σ即為式（5）中的Sn。其p%幅值為：

Rayleigh電壓等效法的應用與前一節的電流等效法類似，但在求取標準差Sn的過程中，需要先求取h次諧波頻率下每一單臺風機與接入點之間的互阻抗

4 算例分析

4.1 計算內容

針對湖南太平里風能電站諧波發生情況，接入系統示意圖如圖1所示。

圖1 太平里風電場接入系統示意圖

考慮該風電站向電網注入的諧波電流及諧波電流在電網公共連接（PCC）產生的諧波電壓是否在國標限值內。諧波電流及諧波電壓的允許值在GB/T 14549-93《電能質量公用電網諧波》有明確規定，因此，本文在計算兩種不同疊加方法下，風電場諧波電流發生量及該諧波電流在PCC點產生的諧波電壓，將之與國標進行比較就可以判定諧波是否超標，以及不同方法計算得出的結果，以供參考[9]。

4.2 諧波電流和諧波接入及限制

（1）PCC點：根據接入系統方案，則PCC點為福沖220kV變110kV側母線。

（2）福沖220kV變110kV側母線短路容量：在系統小方式中計算得到的最小短路容量為2808.87 MV·A。

（3）諧波電流限值，實際變電站諧波電流允許值按系統實際的最小短路容量進行換算，即：

式（7）中：Sk1為 PCC 點的最小短路容量，MV·A；Sk2為基準短路容量，MV·A；Ihp為基準短路容量對應第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量是Sk1時的第h次諧波電流允許值，A。

通過上式計算得出福沖變電站110kV母線總諧波電流限值，如表2所示。

表2 福沖變電站110kV母線總諧波電流限值 A

對應的風電站專用變允許注入系統主供變電站（福沖變電站）的各諧波電流允許值：

式（8）中：Si為太平里風電站專用變用戶的用電協議容量，MV·A；ST為PCC點南大110kV母線的總供電容量，MV·A；Ihi為太平里風電站專用變用戶對應第h次諧波電流允許值，A；α為相位疊加系數。相位疊加系數[9]如表3所示。

表3 相位疊加系數

計算福沖變110kV母線總供電容量時，以福沖變110kV變的主變容量進行考慮。其中太平里風電站專用變用戶的用電協議容量：50 MV·A；福沖變總的供電容量：福沖主變2×120 MV·A+太平里風電站專用變50 MV·A+宜章主變63 MV·A+楊梅山30 MV·A+白石渡 63 MV·A＝446 MV·A。 則計算得太平里風電站專用變注入福沖變諧波電流限值，如表4所示。

表4 太平里風電站專用變注入南大變諧波電流限值 A

4.3 諧波計算

4.3.1 系統等值

在建立計算網絡過程中，考慮系統的規模，需要對系統進行等值。在計算過程中以福沖變220kV母線為系統等值點，福沖變220kV母線與系統的連接用一個等效電網等值，該等效電網的短路容量用最小短路容量進行賦值。對應福沖變220kV母線最小短路容量Sd1＝6700.57 MV·A，則等效電網短路容量 Sd2＝Sd1＝6700.57 MV·A。

4.3.2 諧波計算

全部風機滿出力運行時，風電場注入福沖變110kV母線諧波電流。

（1）由IEC 61400-21方法，計算出的結果如表5所示。

表5 IEC 61400-21計算福沖變諧波電流 A

（2）由Rayleigh電流等效法計算所得福沖變110kV母線諧波電流大小，如表6所示。

表6 福沖變110kV母線諧波電流 A

由表5、表6看出，在工程設計階段的諧波研究中，尤其是非特征諧波的研究，需考慮多個諧波源之間的相位分布所產生的抵消效應。該風電場發射的特征諧波主要以5次諧波電流為主。而IEC 61400-21所推薦的方法夸大了較低次諧波的值，相對較高次部分結果又被低估了。

5 結束語

（1）對實際工程進行計算時，諧波以5次諧波電流為主，則風電場配置的無功補償裝置SVC其電容器組設計時需考慮對5次諧波的濾波作用，以防止諧振。

（2）風電場內的非特征諧波的相關性則很弱。傳統的保守估計在建模時假定所有風機產生的諧波都是同相的，由此得出的整個風場的集合效應遠遠大于實測結果。IEC 61400-21所建議方法的使用應慎重考慮其適應性。Rayleigh等效方法在風電場接入系統的工程設計中實際應用，其合理性與有效性在含風電場諧波計算中得到了驗證，大幅壓縮了傳統方法下的諧波計算結果不確定性。

[1]白鴻斌，王瑞紅，王 真，等.風電場接入電網的電能質量分析方法研究及案例分析[J].東北電力大學學報，2008，28(6).

[2]韓肖清，張 健，張友民，等.風電場諧波分析與計算[J].太原理工大學學報，2009，40(5).

[3]高玉潔.風電場接入電網后的電能質量問題分析[J].南方電網技術，2009，03(4).

[4]陸一川，尹 凡.使用大型風力發電站的多元非特征諧波的疊加效應算法[J].華東電力，2010，38(9).

[5]WANG L,CHEN S S.Excitation Capacitors on Harm onic-Current Amplification of Self-Excited Wind Induction Generators[C].Power Systems Conference and Exposition,Vol.2,10-13 Oct.2004:802-806.

[6]PAPATHANASSIOU S A,PAPADOPOULOS M P.Harmonic Analysis in a Power System with Wind Generation[C].IEEE Transactions on Power Delivery,Volume 21 Oct.2006:2006-2016.

[7]Measurement and Assessment of Power Quality Characteristics of Grid Connected Wind Turbines[S].IEC Standard 61400-21,Ed2.0,Aug,2008.

[8]Assessment of Emission Limits for the Connection of Distorting Installations to MV,HV and EHV power systems[S].IEC Standard 61000-3-6,Ed.2.0,Feb.2008.

[9]GB/T 14549-93，電能質量公用電網諧波[S].