一起風電場諧波影響導致變壓器運行異常分析

張惠銘

（中國華電科工集團有限公司，北京 100160）

0 引 言

海上風電場經交流海纜送出系統在一定條件下可能出現諧波諧振的問題。近些年，某海上風電場經交流海纜送出系統出現諧振問題，產生的諧波導致風電場主變壓器在運行時出現異常噪聲，但是對于該風電場中諧波的特性、產生機理及初步抑制措施尚不明確[1]。

本文針對此風電場提出了諧波的測試方案，依據測量數據對諧波的特性及諧波的產生機理進行說明。并在測試基礎上，測量得到各監測點的電壓及電流諧波情況，基于實測的數據進行諧波特性分析并總結諧波諧振的機理，揭示諧波諧振與風電場主變異常運行的關系。最后，提出了修改風機側電氣一次參數以避免諧振的方法來進行抑制。

1 風電場諧波諧振導致運行異常分析

該風電場一期安裝10臺單機容量5 MW的風力發電機組（以下簡稱“機組”），裝機容量為50 MW，二期安裝41臺單機容量6 MW的機組，裝機容量為246 MW，總裝機容量296 MW。1號主變容量為150 MVA，1號SVG容量為±12 Mvar，2號SVG容量為±25 Mvar。目前，一期10臺單機容量為5 MW的機組都已投入運行，二期僅兩臺機組投入運行。近期該風電場主變在某些運行工況下出現異響，并且此時在繼保室故障錄波屏上可監測到1號主變35 kV側、A組集電線路、B組集電線路23次諧波電流異常偏大。其中A組集電線路波形畸變嚴重，在基波電流30 A左右，23次諧波高達10 A，而B組集電線路波形較好，在基波電流30 A左右，23次諧波在1 A左右[2,3]。依據故障現象及異常信息，初步分析可能是由諧波諧振引起的，為查明該現象出現的原因，對其不同運行工況下各相關監測點進行測試分析。

2 測試方案及測試結果

2.1 測試方案

針對出現諧波超標問題的風電場，提出諧波的測試方案，確定測試的內容以及監測裝置的施加位置，同時確定相應的諧波測試標準，為測量得到的實際數據提供可供對比的依據。

2.1.1 測試內容及地點

風電場電氣一次接線拓撲結構如圖1所示，其中標明了測試點的位置，通過在風電場繼保室放置故障錄波屏，測試了1號主變35 kV側（監測點1）、A組集電線路（監測點2）、2號SVG（監測點3）的電能質量指標。在風電場1號風機變頻器網側5A1開關柜，測試了1號機組（監測點4）的電能質量指標；在風電場6號風機變頻器網側5B1開關柜，測試了6號機組（監測點5）的電能質量指標。根據測點布局，可以獲得風電場內不同電壓等級的運行諧波數據，為全面分析故障原因、掌握風電場、風電機組運行狀態以及諧波治理方案提供依據[4]。

測試期間，風電場已投入使用的機組正常發電，1號SVG處于停運狀態，2號SVG正常運行，并根據需要進行投、退操作。

2.1.2 測試相關標準

根據國標《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549—1993）的要求，公用電網各電壓等級母線諧波電壓（相電壓）限值，35 kV電壓等級總諧波畸變率限值為3%，各奇次諧波畸變率限值為2.4%，各偶次諧波畸變率限值為1.2%[5]。110（220）kV電壓等級總諧波畸變率限值為2%，各奇次諧波畸變率限值為1.6%，各偶次諧波畸變率限值為0.8%。根據國標《電能質量電壓波動和閃變》（GB/T 12326—2008），110 kV電壓及以下閃變限值為1%，高于110 kV電壓閃變限值為0.8%。根據國標《電能質量三相電壓不平衡》（GB/T 15543—2008）的要求，公共連接點的三相電壓不平衡度的正常允許值為2%（以95%概率值作為判斷依據），短時允許值為4%，任何時刻均不能超過。根據國標《電能質量電力系統頻率偏差》（GB/T 15945—2008）的要求，用戶沖擊負荷引起的系統頻率變動一般不得超過±0.2 Hz。

2.2 測試結果

在給出諧波的測量結果時，給出了最大值以及95%值。其中最大值為在測試時段所測得的最大值；95%值為將該測試時段所有實測值按由大到小次序排列，舍棄前面5%的大值，取剩余實測值中的最大值。國標規定將各相實測值的95%概率大值中最大的一相值作為判斷諧波是否超過允許值的依據。根據測試方案，對監測點1～監測點5進行了諧波測量。得出諧波電壓測量結果、諧波電流測試結果和母線電壓閃變、頻率以及三相電壓不平衡度的測試結果。

根據測試方案，對監測點1～監測點5進行了諧波測量。其中監測點1處的諧波電壓測量結果如表1所示（表中帶*者為超標值），諧波電流測量結果如表2所示，母線電壓閃變、頻率測試以及三相電壓不平衡度的測試結果如表3所示。

表1 監測點1的母線諧波電壓測試統計

表2 監測點1的諧波電流實測統計

表3 監測點1母線電壓閃變、頻率以及三相電壓不平衡度統計

由表1和表2所示的諧波電壓和諧波電流測量結果可知，系統中的23次電壓和電流諧波明顯超標，23次電壓和電流諧波的超標也進一步導致了電壓和電流總諧波畸變率的超標。高幅值的諧波分量會威脅到設備的安全，因此有必要關注這一問題。

3 測試結果分析

3.1 諧波幅值分析

風電場35 kV Ⅰ段母線的23次諧波電壓含有率及電壓總諧波畸變率超標。超標原因為風電場機組發電時會產生23次諧波電流并注入到所在的35 kV Ⅰ段母線，引起其所在的35 kV Ⅰ段母線諧波電壓超標。根據實際測量得到，單臺機組正常運行時產生的23次諧波電流值是11.5 A，換算到箱變（電壓變比為35 kV/3 kV）高壓側的23次諧波電流值是0.986 A。根據國標《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549—1993）的C5式計算得到，1～5號機組注入35 kV母線的23次諧波電流值應該是2.2 A，而在35 kVA組集電線路測試到的23次諧波電流值是7.27 A，說明23次諧波電流存在被放大的現象。

3.2 諧振產生機理分析

根據系統實際參數進行計算分析，當天風電場35 kV Ⅰ段母線2號SVG調節無功功率變化為9 Mvar時，測得35kV Ⅰ段母線電壓變動值為1.73%，短路容量為520.23 MVA，估算得到系統工頻阻抗為2.355 Ω。根據風電場A、B組集電線路海陸纜參數計算得到，35 kV A組集電線路電纜對地工頻容抗為1 211.031 Ω，35 kV B組集電線路電纜對地工頻容抗為1 142.371 Ω。根據計算得到，35kV A組集電線路電纜充電電容跟系統阻抗形成的并聯諧振次數為22.68次；35kV B組集電線路電纜充電電容跟系統阻抗形成的并聯諧振次數為22.02次；并聯諧振點均位于23次附近，會造成23次諧波電流的放大。

進而根據計算結果可知，由于35kV A組集電線路電纜充電電容跟系統阻抗、35kV B組集電線路電纜充電電容跟系統阻抗形成的并聯諧振次數與機組發電時產生的23次諧波電流很接近，從而引起23次諧波電流被放大。

3.3 SVG影響分析

測試期間，在1號機組至10號機組全部投運的情況下，投入2號SVG后35 kV A組集電線路的23次諧波電流值明顯變??；投入2號SVG后1號主變35 kV側的23次諧波電流值同樣明顯變小。23次諧波電流值變小的原因分析如下，投入2號SVG后，相當于改變了系統阻抗，35 kV集電線路電纜充電電容跟系統阻抗形成的并聯諧振次數偏離23次諧波電流較遠，從而使23次諧波電流沒有被放大。

4 初步治理方案建議

對于本海上風電經交流海纜送出系統中存在的23諧波問題，區別于已有存在的3、5、7諧波超標問題，建議從風機源側與并網系統兩個方面開展抑制，具體的抑制措施如下。一是對于源側的治理方式。通過改變風電機組變流器網側濾波電容器參數、優化變流器控制策略，減少風電機組23次諧波電流的發射量，從源頭上降低注入的23次諧波電流。二是對于網側的抑制措施。采取有效措施改變系統的諧振頻率點，使系統的諧振頻率點偏移現有的諧振頻率點，可在主變低壓側增加串聯固定式電抗器、鄰近系統母線裝設并聯電抗器。

5 結 論

本文針對某實際風電場提出了諧波的實測方案，基于測量得到的實際數據對諧波的產生機理進行了初步解釋，并給出初步的抑制措施建議。該風電場中23次諧波電流存在超標，主要是由于35 kV A組集電線路電纜充電電容跟系統阻抗、35 kV B組集電線路電纜充電電容跟系統阻抗形成的并聯諧振次數與機組發電時產生的23次諧波電流很接近，從而引起23次諧波電流被放大。通過調整風電機組變流器濾波電容參數、優化控制策略、改變鄰近系統阻抗，可達到抑制諧波、消除諧振的目的。