風(fēng)電場諧波治理方案選擇及效果評估

文 | 楊振宏

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風(fēng)電場諧波治理方案選擇及效果評估

文 | 楊振宏

某電力生產(chǎn)企業(yè)一風(fēng)電場，安裝有東方汽輪機(jī)有限公司生產(chǎn)的FD77C型1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組17臺，總裝機(jī)容量25.5MW。

風(fēng)電場采用35kV出線直接接入當(dāng)?shù)毓╇姽?10kV變電站35kV側(cè)母線；此變電站在同母線上有煉鋼廠負(fù)荷接入，共計(jì)5臺5MVA供電變壓器。由于煉鋼廠采用電弧爐煉鋼，特別是在鋼廠生產(chǎn)高峰時段，由于電弧產(chǎn)業(yè)的大量諧波影響，造成風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組不能正常運(yùn)行，伴隨風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及設(shè)備的大批損壞，給發(fā)電企業(yè)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

（一）電力系統(tǒng)諧波危害主要表現(xiàn)在六個方面：

1. 引起供電電壓的畸變。

2.增加用電設(shè)備的功率消耗，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)。

3.增加輸電線路的損耗，特別是對輸電線路上的電纜使用壽命嚴(yán)重降低。

4.增加變壓器的功率損耗。

5.造成繼電保護(hù)裝置、自動裝置的誤動作。

6.對電氣設(shè)備及控制設(shè)備造成損壞和軟擊穿。

（二）電力系統(tǒng)諧波的主要治理方式

電力系統(tǒng)諧波從治理方式上分為主動治理、被動治理和受端治理幾種方式。

主動治理：即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波。

被動治理：即外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。

受端治理：即從收到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們的抗干擾能力；提高設(shè)備抗諧波干擾能力，使其在諧波一定限度環(huán)境中能夠正常工作，研制新型抗諧波設(shè)備，改善諧波保護(hù)性能。對諧波敏感設(shè)備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置，這能夠保證在諧波超標(biāo)情況下，保障控制系統(tǒng)設(shè)備的正常工作。

系統(tǒng)諧波對風(fēng)電場設(shè)備的主要危害

電力系統(tǒng)諧波對風(fēng)電場設(shè)備的危害主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

（一）風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)設(shè)備燒損。主要是電感原件在諧波的影響下溫度異常升高，造成電感元件繞組的匝間短路；同時由于諧波造成電容器元件絕緣性能降低而損壞。該風(fēng)電場出現(xiàn)的主要問題是風(fēng)電機(jī)組輪轂變槳驅(qū)動器大面積損壞。

（二）測量系統(tǒng)紊亂，不能真實(shí)反映系統(tǒng)性質(zhì)。如諧波使設(shè)備對系統(tǒng)頻率的測量不準(zhǔn)確，造成風(fēng)電機(jī)組設(shè)備保護(hù)異常動作。

現(xiàn)場諧波測量與系統(tǒng)諧波源的確定

針對風(fēng)電場諧波情況，對風(fēng)電場電能質(zhì)量進(jìn)行現(xiàn)場測量，測量點(diǎn)分別選取在35kV 和690V系統(tǒng)中的兩個測量點(diǎn)，其中35kV測量點(diǎn)選取在35kV配電室，690V測量點(diǎn)選取在風(fēng)電機(jī)組690V進(jìn)線側(cè)。具體測量點(diǎn)見圖1。

由于煉鋼廠生產(chǎn)時間是在每天的22點(diǎn)到次日9點(diǎn)30分時間段。在35kV和690V進(jìn)線側(cè)，使用電能質(zhì)量測試儀進(jìn)行24小時不間斷連續(xù)測量。獲得連續(xù)的電流、電壓、諧波情況及瞬時的波形、功率、諧波等詳細(xì)數(shù)據(jù)；同時在35kV高壓出線測量點(diǎn)使用Fluke 435電能質(zhì)量測試儀進(jìn)行不間斷16小時測量，獲得了35kV母線功率因數(shù)變化、35kV母線諧波電壓變化、35kV母線諧波電流畸變率等曲線。得到的測量數(shù)據(jù)如下：

一、35kV母線測量數(shù)據(jù)

（一）35kV母線功率因數(shù)變化數(shù)據(jù)

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際測量數(shù)據(jù)，鋼廠未開始生產(chǎn)時，電網(wǎng)無諧波干擾，此時風(fēng)電機(jī)組可正常發(fā)電，同時SVG同步補(bǔ)償無功功率，整個35kV母線功率因數(shù)接近1；而從22點(diǎn)到次日9點(diǎn)30分左右的鋼廠生產(chǎn)期間，因?yàn)橹C波干擾，風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組和SVG設(shè)備受到諧波影響停運(yùn)，此期間35kV母線功率因數(shù)只有0.4左右,說明在鋼廠生產(chǎn)期間，35kV系統(tǒng)電能質(zhì)量受到了影響。

（二）35kV母線諧波電壓變化曲線

從35kV母線諧波電壓變化曲線可以看出，鋼廠在22點(diǎn)冶煉爐開始生產(chǎn)后，風(fēng)電場35kV母線諧波電壓總畸變率嚴(yán)重惡化，至次日9點(diǎn)左右鋼廠冶煉爐停運(yùn)后系統(tǒng)才恢復(fù)正常，其間諧波電壓畸變率呈現(xiàn)劇烈波動，最高達(dá)25%左右，見圖2。

（三）35kV母線諧波電流畸變率曲線

從現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)看出（圖2），鋼廠在22點(diǎn)開始生產(chǎn)后，風(fēng)電場35kV母線諧波電流總畸變率嚴(yán)重惡化，至次日9點(diǎn)左右鋼廠停車后才恢復(fù)正常。其間諧波電流畸變率呈現(xiàn)劇烈波動，最高達(dá)到160%。

（四）35kV母線諧波電壓各次諧波統(tǒng)計(jì)

從電能質(zhì)量記錄儀測量生成的數(shù)據(jù)可以看出（見圖3），35kV母線系統(tǒng)內(nèi)23次和25次為主要諧波電壓，23次諧波電壓畸變率最大達(dá)到19.76%，95%概率值為15.9%；25次諧波電壓畸變率最大達(dá)到13.2%，95%概率值也達(dá)到11%。23次和25次諧波電壓畸變率分別超出國家對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)2.4% 的7倍和5倍以上。

（五）35kV母線諧波電流各次諧波統(tǒng)計(jì)

從電能質(zhì)量記錄儀測量生成的數(shù)據(jù)可以看出（圖4），35kV母線系統(tǒng)內(nèi)23次和25次為主要諧波電流，23次諧波電流畸變率達(dá)到31%左右，25次諧波電流畸變率達(dá)到25%左右，都超出國家對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)2.2%的10倍以上；35kV母線系統(tǒng)內(nèi)23次和25次為主要諧波電流，23次諧波電流最大達(dá)到44.4A，95%概率值為31A；25次諧波電流最大達(dá)到35.8A，95%概率值也達(dá)到24.8A。23次和25次諧波電流分別超出國家對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)2.2%的15倍和12倍以上，嚴(yán)重危害風(fēng)電場整個配電系統(tǒng)的安全。

二、690V進(jìn)線側(cè)測量數(shù)據(jù)

（一）690V進(jìn)線功率因數(shù)變化曲線

從電能質(zhì)量記錄儀測量生成的數(shù)據(jù)可以看出（圖4），風(fēng)電機(jī)組正常發(fā)電時因?yàn)樨?fù)載隨風(fēng)量的變化，功率因數(shù)也隨之波動變化。21點(diǎn)左右鋼廠投運(yùn)后風(fēng)電機(jī)組隨之停運(yùn)，隨后，690V系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)變化幅度很小，次日9點(diǎn)30分鋼廠停爐后，風(fēng)電機(jī)組陸續(xù)恢復(fù)運(yùn)行，此時690V系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)再次開始發(fā)生變化。

（二）690V側(cè)進(jìn)線諧波電壓變化曲線

從電能質(zhì)量記錄儀測量生成的數(shù)據(jù)可以看出（圖3），鋼廠在22點(diǎn)開始生產(chǎn)后，風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組低壓690V側(cè)諧波電壓總畸變率嚴(yán)重惡化，至次日9點(diǎn)左右鋼廠停產(chǎn)后恢復(fù)正常，期間諧波電壓畸變率呈現(xiàn)劇烈波動，最高達(dá)20%左右，波動時間范圍與節(jié)奏和35kV母線基本同步。

從690V進(jìn)線諧波電壓變化曲線可以看出（圖5），風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組低壓690V側(cè)系統(tǒng)內(nèi)23次和25次仍為主要諧波電壓，23次諧波電壓畸變率達(dá)到8%左右，25次諧波電壓畸變率達(dá)到5.5%左右，都明顯超出國家對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)4.0%安全限值要求。

諧波治理方案的提出及現(xiàn)場實(shí)施方案的確定

通過對現(xiàn)場35kV及690V系統(tǒng)諧波測量得知，主要引起風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組設(shè)備故障的原因是由于同母線上的鋼廠負(fù)荷造成35kV系統(tǒng)電壓諧波超標(biāo)。

無論是35kV高壓母線還是690V低壓風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)，侵入系統(tǒng)內(nèi)的背景諧波成分雖然比較雜亂，但23次和25次諧波都是主要的特征諧波，這兩類諧波占到整個系統(tǒng)諧波含量的70%以上，因此無論是在高壓母線上進(jìn)行背景諧波的整體防御消減，還是在風(fēng)電機(jī)組690V/400V低壓控制單元的消減隔離保護(hù)，都要圍繞23和25次這兩類高次諧波來進(jìn)行。

根據(jù)諧波治理的原則，介于客觀因素影響，從諧波產(chǎn)生的源頭進(jìn)行主動治理的方案客觀上不可行，因此只能采用被動和受端治理的方案和措施。為此，分別提出了被動治理和受端治理兩種方案。

一、被動治理方案

此被動治理方案就是在風(fēng)電場35kV 側(cè)實(shí)施，擬通過對35kV系統(tǒng)側(cè)的23、25次諧波運(yùn)用諧波濾過器分別對系統(tǒng)高次諧波進(jìn)行治理和抑制。其治理原則，一是系統(tǒng)內(nèi)諧波電壓總畸變率和諧波電流總畸變率降至風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)要求的范圍內(nèi)，能夠滿足正常運(yùn)行水平，保證整個35kV母線系統(tǒng)免受背景諧波的直接干擾而影響安全生產(chǎn)。二是投入的高次背景諧波濾波裝置能夠與現(xiàn)有35kV變電站系統(tǒng)兼容不發(fā)生諧振，在保證消減抑制背景諧波的濾波效果情況下又不過補(bǔ)系統(tǒng)無功功率。

其中，23次諧波采用單調(diào)諧濾波器，其電路原理圖及阻抗頻率特性如圖6。

q為設(shè)計(jì)濾波器的重要參數(shù)，典型值q=30－60。

25次諧波采用二階高通濾波器，其電路原理圖及阻抗頻率特性如圖7。

表1　國標(biāo)對電網(wǎng)諧波電壓限值標(biāo)準(zhǔn)表

參數(shù)選擇依據(jù)其復(fù)數(shù)阻抗為：

截止頻率為：

結(jié)構(gòu)參數(shù)m一般取0.5－2；q=0.7－ 1.4。

背景諧波濾波裝置通過電纜接入風(fēng)電場35kV高壓開關(guān)室出線柜下方，35kV背景諧波濾波器采用室內(nèi)平面布置，安裝有23次單調(diào)諧諧波濾波器和25次高通諧波濾波器的高壓濾波室土建房屋面積：長15m、寬8.5m、高4.8m，占地面積約128m2。

二、受端治理方案

受端治理方案采用分散治理方式，即對風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)電源進(jìn)行諧波治理。由于風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)電源采用一臺40kVA、690V/380V供電變壓器，對供電變壓器380V系統(tǒng)諧波測量表明，諧波成分和35kV系統(tǒng)側(cè)性質(zhì)相同，也是主要存在23、25次高次諧波。因此，主要采取相應(yīng)措施對23、25次諧波進(jìn)行抑制。同時由于風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)安裝場地的限制，對濾波設(shè)備尺寸進(jìn)行綜合考量后，決定現(xiàn)場采用高通濾過器進(jìn)行諧波治理，對23次以上諧波進(jìn)行全面抑制，同時根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)備體積不能大于40cm×40cm×120cm的制作要求。

根據(jù)動態(tài)模型仿真，最終采用一階無源高通濾過器對380V系統(tǒng)側(cè)23次以上諧波進(jìn)行抑制，同時在690V側(cè)采用串聯(lián)電抗器進(jìn)行濾波，對尖峰過電壓進(jìn)行平滑抑制。其電路原理圖如圖8。

其截止頻率為：

三、兩種治理方案的比較和選擇

對上述被動治理和受端治理兩種方案可行性的分析比較如下：

被動治理方案的優(yōu)點(diǎn)是可以對風(fēng)電場高次諧波進(jìn)行有針對性且較為徹底的治理，對風(fēng)電場全部設(shè)備得到充分的保護(hù)；存在的主要問題是受風(fēng)電場開關(guān)站場地限制，設(shè)備安裝的位置在目前情況下無法找到有效的、可行的解決辦法，主要是土地征地不易在短時間內(nèi)解決，而且一次性投入費(fèi)用較大，估算費(fèi)用在700萬元以上。

受端治理的優(yōu)點(diǎn)是不受開關(guān)站場地限制，也不需要對風(fēng)電場進(jìn)行整體停電，設(shè)備現(xiàn)場安裝總工期只需要2天時間即可全部完成，實(shí)施時間短，費(fèi)用低，實(shí)施效果明顯。存在問題是只對風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)進(jìn)行了諧波治理，站內(nèi)設(shè)備和電氣一次設(shè)備仍然存在諧波干擾，可能對一次設(shè)備特別是風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)設(shè)備使用壽命產(chǎn)生影響，但此問題可以隨政府對當(dāng)?shù)馗吆哪茉O(shè)備的治理得到根本性的解決。

綜合上述情況，決定選擇第二種受端治理的方案。

現(xiàn)場諧波治理的實(shí)施及效果

根據(jù)第二種受端治理方案，具體實(shí)施的設(shè)備原理圖如圖9。其中藍(lán)色部分即為高通濾過器主設(shè)備，其中包含690V側(cè)的平波電抗器和380V側(cè)一階高通諧波濾過器兩部分。高通濾波器采用一階高通濾波器，三相Y型接線方式，此方案的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、制造和維護(hù)成本低；在吸收諧波的基礎(chǔ)上還可以補(bǔ)償無功，改善功率因數(shù)。

在設(shè)備接入后，對風(fēng)電機(jī)組380V側(cè)電能質(zhì)量進(jìn)行檢測，在鋼廠投入生產(chǎn)期間，系統(tǒng)諧波電壓諧波含量明顯增加，在諧波高通濾過器投入后，各次諧波得到有效抑制，電壓總畸變率在4%以下。23次諧波總畸變率含量小于0.36%，25次諧波總畸變率含量小于0.66%。系統(tǒng)諧波治理前后諧波含量對比如表2所示。

表2　系統(tǒng)諧波治理前后諧波含量

從實(shí)際現(xiàn)場電壓檢測波形可以看出（圖10、圖11），諧波治理設(shè)備投運(yùn)前后電壓波形得到明顯改善；從風(fēng)電機(jī)組現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況來看，諧波治理設(shè)備投入運(yùn)行以后，風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)設(shè)備損壞和大面積元器件燒損事件。設(shè)備利用小時大幅度提高。

結(jié)語

通過對風(fēng)電場電力系統(tǒng)諧波的原因分析和治理方案的提出和選擇，治理后高次諧波得到有效抑制，諧波治理后電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)備投運(yùn)一年時間內(nèi)，效果十分顯著，風(fēng)電機(jī)組不再存在受到系統(tǒng)諧波的影響造成停機(jī)和設(shè)備損毀現(xiàn)象。經(jīng)濟(jì)效益顯著，風(fēng)電場同比增加發(fā)電量8000MW·h，一年內(nèi)節(jié)省設(shè)備維修費(fèi)用150萬元，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

（作者單位：大唐桂冠山東電力投資有限公司）