風(fēng)力發(fā)電中所產(chǎn)生的諧波及其抑制措施

王望平，程航

(1.天水長(zhǎng)城開關(guān)廠有限公司,甘肅 天水 741000;2.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

風(fēng)力發(fā)電中所產(chǎn)生的諧波及其抑制措施

王望平1，程航2

(1.天水長(zhǎng)城開關(guān)廠有限公司,甘肅 天水 741000;2.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050)

在中性點(diǎn)不接地配電系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器(PT)勵(lì)磁電感的非線性特性曲線，會(huì)在一定條件下產(chǎn)生鐵磁諧振，影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。以風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)理、風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)、諧波的產(chǎn)生及危害等以及消諧的措施進(jìn)行分析。認(rèn)為在眾多消諧措施中PT一次側(cè)中性點(diǎn)接消諧器和選用勵(lì)磁特性曲線飽和度較高的電磁式電壓互感器(PT)的方式是比較好的消諧方法。

風(fēng)力發(fā)電；鐵磁諧振；電磁式電壓互感器；消諧措施

1 引言

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)(中性點(diǎn)不接地)中，母線上的電磁式電壓互感器(簡(jiǎn)稱PT)通常需要將中性點(diǎn)接地，在發(fā)生單相接地或者系統(tǒng)負(fù)荷劇烈變化等情況時(shí)，PT勵(lì)磁電感可能與系統(tǒng)對(duì)地電容形成參數(shù)匹配，引發(fā)鐵磁諧振，造成系統(tǒng)過電壓和PT高壓繞組中的過電流，嚴(yán)重影響配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

本文通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的分析與解剖，對(duì)防止鐵磁諧振的各種措施進(jìn)行分析，探討各自的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。

2 風(fēng)力發(fā)電中諧波產(chǎn)生的機(jī)理

風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)力帶動(dòng)風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機(jī)將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機(jī)發(fā)電。風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)量不穩(wěn)定性，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經(jīng)充電器整流，再對(duì)蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能，然后用有保護(hù)電路的逆變電源，轉(zhuǎn)變成交流220V市電，保證穩(wěn)定使用。

3 風(fēng)力發(fā)電的特點(diǎn)

首先，從原始能源來看，風(fēng)力發(fā)電的原始能源是風(fēng)力，而風(fēng)力又是不穩(wěn)定的能源，風(fēng)力要根據(jù)地理位置，風(fēng)速的方向、風(fēng)力的分布范圍、風(fēng)力的最大速度、最小風(fēng)速、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的工作范圍等因素的影響。其次，從風(fēng)力發(fā)電的主要設(shè)備來看，風(fēng)力發(fā)電要通過逆變裝置的裝換，才能并入公共電網(wǎng)，然而，逆變器裝置會(huì)給電網(wǎng)帶來電力諧波，使功率因數(shù)惡化、電壓波形畸變和增加電磁干擾等問題。

綜合以上兩點(diǎn)，可以看出風(fēng)力發(fā)電的電源質(zhì)量不高又不穩(wěn)定，而根據(jù)諧波的形式來看，風(fēng)力發(fā)電的諧波主要是電源質(zhì)量不高所導(dǎo)致的。

4 諧波的產(chǎn)生

在理想的電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波，在只含線性元件電阻、電感及電容的簡(jiǎn)單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。但此種情況過于理想，一般情況下，我們所研究的電路基本上都有諧波產(chǎn)生。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致，當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。

電網(wǎng)諧波主要來自于以下三方面：

4.1 發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波

發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來很少。

4.2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要由電力變壓器產(chǎn)生諧波。由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次波形，它的大小與鐵心的飽和程度有關(guān)，鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流的0.5%。

4.3 用電設(shè)備產(chǎn)生諧波

晶閘管整流設(shè)備裝置采用移相控制，無論整流裝置為單相整流電路，還是三相全控橋式整流器，從電網(wǎng)吸收的是缺角正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下的部分中含有大量的諧波。

5 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中諧波的主要危害

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中諧波具有很大的危害性，可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波分量放大從而使得電容器、電壓互感器等設(shè)備的燒毀，而電網(wǎng)諧波造成電網(wǎng)污染，正弦電壓波形畸變，使電力系統(tǒng)的設(shè)備出現(xiàn)異常和故障甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)的解列。諧波的危害在電力系統(tǒng)中是多方面的，主要有：

(1)對(duì)供配電線路的危害。在諧波的影響下，容易導(dǎo)致機(jī)電保護(hù)誤動(dòng)作，不能全面有效地發(fā)揮保護(hù)作用。

(2)影響電網(wǎng)的質(zhì)量。諧波會(huì)引起串聯(lián)諧振及并聯(lián)諧振，放大諧波，造成危險(xiǎn)的過電壓或過電流。

(3)增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。

(4)對(duì)電容器的影響。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發(fā)熱和溫升，加速老化。

6 諧波是產(chǎn)生鐵磁諧振的直接原因

當(dāng)線路頻率ω等于或者接近于1/√LC時(shí)，就發(fā)生諧振。發(fā)生諧振時(shí)會(huì)使電壓或電流產(chǎn)生極端的變化。鐵磁諧振是諧振的一個(gè)特例，往往發(fā)生在中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)中，諧振元件是系統(tǒng)的零序電容和接地的非線性電感(如Y接法的電壓互感器)，在沒有消諧措施的系統(tǒng)上系統(tǒng)電壓產(chǎn)生擾動(dòng)有可能會(huì)激發(fā)鐵磁諧振，產(chǎn)生很高的零序過電壓。鐵磁諧振能量較小，在電壓互感器二次側(cè)安裝消諧器就可以破壞諧振。由于在中性點(diǎn)接地系統(tǒng)中，母線上的電磁式電壓互感器(簡(jiǎn)稱PT)通常需要將中性點(diǎn)接地，在發(fā)生合空載、母線、單相接地或者系統(tǒng)負(fù)荷劇烈變化等情況時(shí)，PT勵(lì)磁電感可能與系統(tǒng)對(duì)地電容形成參數(shù)匹配，從而引發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，造成系統(tǒng)電壓和PT高壓繞組中的過電流，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，必須采取措施加以限制。

(1)PT一次側(cè)中性點(diǎn)接地消諧電阻。

中性點(diǎn)串入的電阻能夠起到消耗能量、阻尼和抑制鐵磁諧振的作用。

(2)PT開口三角接阻尼電阻。

PT開口三角繞阻接入電阻可消耗諧振零序回路的能量，等效于在線圈的一次側(cè)串接電阻。

(3)PT一次側(cè)中性點(diǎn)接零序PT。

PT一次側(cè)中性點(diǎn)接零序PT也稱4PT接線法，即在原三相PT一次側(cè)中性點(diǎn)與地之間接入零序PT。

(4)選用勵(lì)磁特性好的PT，即勵(lì)磁特性曲線的飽和度較高。

(5)采用特殊工藝使PT對(duì)外呈現(xiàn)容性。

(6)在電容電流較大的系統(tǒng)采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)理以及風(fēng)力發(fā)電的原始能源，風(fēng)能的不穩(wěn)定性導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)電源質(zhì)量比較低，再結(jié)合對(duì)諧波產(chǎn)生的機(jī)理以及消諧的措施，認(rèn)為在眾多消諧措施中PT一次側(cè)中性點(diǎn)接消諧器和選用勵(lì)磁特性曲線飽和度較高的PT的方式是比較好的消諧方法。

PT一次側(cè)中性點(diǎn)接消諧器消諧效果較好，但會(huì)有開口三角輸出電壓降低，影響接地裝置靈敏性的問題；選用勵(lì)磁特性曲線飽和度較高的PT，在發(fā)生諧振的過程中，能夠起到較好的消諧作用，保護(hù)本體不被燒毀，但PT的做作成本較高；4PT接線方式在實(shí)際中有一定的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但在電容電流大的系統(tǒng)中不能較快的消除諧振。PT開口三角接阻尼電阻的方式投入費(fèi)用較少，但是實(shí)際運(yùn)用中消諧效果不理想。為了保護(hù)配電網(wǎng)安全運(yùn)行，達(dá)到最理想的消諧效果，應(yīng)根據(jù)配電網(wǎng)的具體情況，充分考慮各種消諧措施的特點(diǎn)，采用相應(yīng)的消諧方法。如果有必要，可以在不穩(wěn)定的配電系統(tǒng)中，綜合使用消諧方式，來發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，相互彌補(bǔ)不足。

[1] 梁志瑞，董維，等.電磁式電壓互感器的鐵磁諧振仿真研究.高壓電器，2012(11)：48-11.

[2] 周浩，余宇紅，等.10kV配電網(wǎng)鐵磁諧振消諧措施的仿真比較研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005(22)：28-38.

[3] 張海云.中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)諧振過電壓消除裝置的研究[D]，武漢：武漢大學(xué)，2004.

[4] 王志新，張華強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電及其控制技術(shù)新進(jìn)展[J]，低壓電器，2009(19).

Harmonic of the Wind Power and Its Suppression Measures

WANGWang-ping1,CHENGHang2

(1.Tianshui Great Wall Switcher Factory Company Co.LTD.，Gansu Tianshui 741000,China;2.Lanzhou Technology Institute Department of Electrical Engineering，Gansu Lanzhou 710050,China)

In neutral point grounding power distribution system,the electromagnetic voltage transformer(PT) excitation inductance of the nonlinear characteristic curve,can under certain conditions,the ferroresonance influence safe operation of the system.Based on the wind power generation system as an example,the generation mechanism of wind power generation system,the characteristics of wind power,the production and harm of harmonic and harmonic elimination measures are analyzed.Think in numerous harmonic elimination measures PT primary side neutral harmonic elimination device and choose excitation characteristic saturation higher electromagnetic voltage transformer(PT) is a good method for harmonic elimination.

wind power generation；ferroresonance；electromagnetic voltage transformer；harmonic elimination measures

1004-289X(2015)03-0099-03

TM45

B

2014-05-03