風(fēng)電場接入系統(tǒng)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(fēng)能是一種取之不盡又清潔無污染的可再生能源。我國風(fēng)電裝機容量速度很快，以每年20%以上的速度遞增。隨著風(fēng)電場的容量越來越大，對系統(tǒng)的影響也越來越明顯，所產(chǎn)生的諧波污染問題是電力系統(tǒng)較為關(guān)注的電能質(zhì)量問題[1]。諧波分析包括諧波源分析和電力系統(tǒng)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(shù)的迅速發(fā)展，新型的變速風(fēng)力發(fā)電機組由于采用了大容量的電力入電網(wǎng)運行時會使電網(wǎng)中出現(xiàn)諧波電子設(shè)備，造成電力系統(tǒng)諧波污染，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在威脅，同時也阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展[3]。如果在風(fēng)電場接入電網(wǎng)后才發(fā)現(xiàn)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(shè)計階段應(yīng)盡可能實際地分析預(yù)期風(fēng)電場接入后所造成的諧波污染，這就成為風(fēng)電場設(shè)計過程中一個重要課題。

文獻[1]簡化風(fēng)電機組模型，在此基礎(chǔ)上計算風(fēng)電場并網(wǎng)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(jié)果與國家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進行比較；上述問獻都沒能考慮風(fēng)電場之間的疊加效應(yīng)。因此，本文對風(fēng)電場疊加效應(yīng)的計算方法進行了研究，以評估大型風(fēng)電場并網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波大小。

1 風(fēng)電場諧波源分析

1.1 風(fēng)電機組類型產(chǎn)生的諧波

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)兩大類。對于恒速風(fēng)力發(fā)電機組，由于在持續(xù)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(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)可忽略發(fā)電機本身產(chǎn)生的諧波。當(dāng)風(fēng)電機組投入工作時，軟并網(wǎng)裝置處于工作狀態(tài)，會產(chǎn)生部分諧波電流，但由于投入過程持續(xù)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(shè)備產(chǎn)生的諧波

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

本文主要對風(fēng)電場多源諧波集合效應(yīng)進行計算，并對其結(jié)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(fù)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(wǎng)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(rèn)了諧波的疊加不應(yīng)使用代數(shù)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(guī)定，風(fēng)電機群注入電網(wǎng)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(fēng)電機群注入電網(wǎng)的總諧波電流畸變；NWT為風(fēng)機個數(shù)；Ih，i為第i臺風(fēng)機注入的第 h次諧波電流畸變；ni為從第i臺風(fēng)機到電網(wǎng)接入點路徑上的變壓器總變比；β為修正系數(shù)，修正系數(shù)如表1所示。

表1 諧波疊加修正系數(shù)

由于IEC 61400-21中規(guī)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(guān)性，對于幾乎沒有相位相關(guān)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(fēng)電場的諧波注入所造成的電網(wǎng)接入點和周邊的電壓波形畸變在可容忍的范圍內(nèi)。因此設(shè)計人員估算由風(fēng)電諧波源產(chǎn)生的電壓波形畸變時通常需要首先估算出風(fēng)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(fēng)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(jù)相應(yīng)的Rayleigh累積分布函數(shù)，對實際可能出現(xiàn)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(fēng)電機組所注入的諧波電流所對風(fēng)電場接入點的諧波電壓的影響。對于每一單次諧波h，電網(wǎng)任意一個節(jié)點的諧波電壓Uh皆是各諧波源注入電網(wǎng)的h次諧波電流Ih，i的線性函數(shù)。因此接入點的h次諧波電壓：

如果只關(guān)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(biāo)準(zhǔn)差σ即為式（5）中的Sn。其p%幅值為：

Rayleigh電壓等效法的應(yīng)用與前一節(jié)的電流等效法類似，但在求取標(biāo)準(zhǔn)差Sn的過程中，需要先求取h次諧波頻率下每一單臺風(fēng)機與接入點之間的互阻抗

4 算例分析

4.1 計算內(nèi)容

針對湖南太平里風(fēng)能電站諧波發(fā)生情況，接入系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 太平里風(fēng)電場接入系統(tǒng)示意圖

考慮該風(fēng)電站向電網(wǎng)注入的諧波電流及諧波電流在電網(wǎng)公共連接（PCC）產(chǎn)生的諧波電壓是否在國標(biāo)限值內(nèi)。諧波電流及諧波電壓的允許值在GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》有明確規(guī)定，因此，本文在計算兩種不同疊加方法下，風(fēng)電場諧波電流發(fā)生量及該諧波電流在PCC點產(chǎn)生的諧波電壓，將之與國標(biāo)進行比較就可以判定諧波是否超標(biāo)，以及不同方法計算得出的結(jié)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(jù)接入系統(tǒng)方案，則PCC點為福沖220kV變110kV側(cè)母線。

（2）福沖220kV變110kV側(cè)母線短路容量：在系統(tǒng)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(tǒng)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(zhǔn)短路容量，MV·A；Ihp為基準(zhǔn)短路容量對應(yīng)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(yīng)的風(fēng)電站專用變允許注入系統(tǒng)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(fēng)電站專用變用戶的用電協(xié)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(fēng)電站專用變用戶對應(yīng)第h次諧波電流允許值，A；α為相位疊加系數(shù)。相位疊加系數(shù)[9]如表3所示。

表3 相位疊加系數(shù)

計算福沖變110kV母線總供電容量時，以福沖變110kV變的主變?nèi)萘窟M行考慮。其中太平里風(fēng)電站專用變用戶的用電協(xié)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(tǒng)等值

在建立計算網(wǎng)絡(luò)過程中，考慮系統(tǒng)的規(guī)模，需要對系統(tǒng)進行等值。在計算過程中以福沖變220kV母線為系統(tǒng)等值點，福沖變220kV母線與系統(tǒng)的連接用一個等效電網(wǎng)等值，該等效電網(wǎng)的短路容量用最小短路容量進行賦值。對應(yīng)福沖變220kV母線最小短路容量Sd1＝6700.57 MV·A，則等效電網(wǎng)短路容量 Sd2＝Sd1＝6700.57 MV·A。

4.3.2 諧波計算

全部風(fēng)機滿出力運行時，風(fēng)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(jié)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(shè)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(chǎn)生的抵消效應(yīng)。該風(fēng)電場發(fā)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(jié)果又被低估了。

5 結(jié)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(fēng)電場配置的無功補償裝置SVC其電容器組設(shè)計時需考慮對5次諧波的濾波作用，以防止諧振。

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

[1]白鴻斌，王瑞紅，王 真，等.風(fēng)電場接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析方法研究及案例分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2008，28(6).

[2]韓肖清，張 健，張友民，等.風(fēng)電場諧波分析與計算[J].太原理工大學(xué)學(xué)報，2009，40(5).

[3]高玉潔.風(fēng)電場接入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量問題分析[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009，03(4).

[4]陸一川，尹 凡.使用大型風(fēng)力發(fā)電站的多元非特征諧波的疊加效應(yīng)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(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].