大規模風電接入電網諧波影響分析

朱茂章

（國家電投集團福建電力有限公司，福建 福州 350003）

0 引 言

隨著人們環境保護意識的提升和可再生能源技術的不斷進步，大規模風力發電作為一種清潔、可再生的能源形式，正在全球范圍內迅速發展。大規模風電場的接入對電網結構和運行方式帶來革命性變化的同時也引發了一系列的技術挑戰和問題，如諧波問題[1]。諧波是電力系統中頻率為基波頻率整數倍的周期性波形成分，大規模風電場中的風力發電機系統和電力電子設備的非線性特性以及高頻開關操作等因素可能導致諧波的產生與傳播。諧波波形具有頻率高、能量集中等特點，影響著電網和電力設備的正常穩定運行。因此，對大規模風電接入電網的諧波影響進行全面的分析和研究，對于確保電網的穩定運行、保障電力設備的安全運行以及提高風電場的發電效率具有重要意義。

1 大規模風電接入電網的諧波發生機理

1.1 大規模風電接入電網

大規模風電接入電網的核心是風力發電機系統，主要包括風輪、變速箱、發電機以及變頻器等。

風輪是風力發電機系統的核心部件之一，其作用是將風能轉化為機械能，一般由大型的葉片構成，通過葉片的旋轉將風能轉化為動能。

變速箱用于調整風輪旋轉速度，使其適應不同風速條件下的工作要求。變速箱通常采用多級齒輪傳動系統，通過改變齒輪傳動比實現風輪轉速與發電機轉速的匹配。

發動機是將風輪轉動產生的機械能轉化為電能的關鍵裝置[2]。風力發電機系統中常使用同步發電機，能夠將機械能直接轉化為交流電能。

變頻器是將發電機輸出的交流電通過整流器和逆變器轉換為穩定的交流電，并且可以控制輸出電壓和頻率，廣泛應用于風力發電機系統，滿足電網的個性化要求。

1.2 諧波發生機理

（1）風力發電機的非線性特性。風力發電機系統中的非線性元件在工作過程中會引入諧波波形，而諧波波形的非線性特性導致輸出電流中含有頻率為基波頻率整數倍的諧波成分，并傳播到電網。

（2）電力電子設備的開關操作。風力發電機系統中的電力電子設備都具有高頻開關操作特性，這些開關操作會產生諧波電流和諧波電壓，進而導致諧波問題的發生。

（3）電力系統的諧波源。除了風力發電機系統本身的諧波源，電力系統中其他的負載設備也可能成為諧波源，這些負載設備在工作過程中會引入諧波波形，進而影響整個電網系統的正常工作。

（4）電網結構和拓撲結構變化。大規模風電接入電網的接入方式和拓撲結構不同于傳統電網，其接入風電場后，電網的特性和諧波傳播路徑均發生相應變化，這可能導致諧波波形在電網中的傳播和積累。

2 諧波傳播分析

大規模風電接入電網具有一些獨特的結構特點，對諧波的傳播路徑具有重要影響。風電場通常由多個風力發電機組成，這些風力發電機分布在空曠的地理區域內。其分布特點導致電網的結構相對分散，不同風電場之間的電力輸送路徑較長。大規模風電接入電網中的風電場容量較大，通常以百兆瓦甚至千兆瓦級別進行計量，這種大容量風電場對電網的穩定性和諧波傳播路徑具有重要影響[3]。為了實現風電場的電力輸送，大規模風電接入電網中會配置相應的輸電線路和變壓器，這些輸電線路和變壓器的阻抗特性和連接方式也會對諧波的傳播路徑產生影響。

知曉諧波在大規模風電接入電網中的傳播特性對于理解諧波問題的產生和解決具有重要意義。電網中不同元件和設備對諧波具有不同的阻抗特性，例如輸電線路、變壓器以及電力電子設備等在不同諧波頻率下的阻抗會有所變化，了解電網元件的諧波阻抗特性對于確定諧波的傳播路徑至關重要。

大規模風電接入電網中的諧波傳輸路徑主要包括輸電線路、變壓器以及電力電子設備等，這些傳輸線路對諧波波形的傳播和衰減起著重要作用。傳輸線路的特性主要包括線路的參數、接地方式等，這些因素會對諧波的傳播產生影響。諧波在電網中傳播時也可能會遇到分支點、連接點及突變點等，諧波波形在這些點上可能會發生相應的反射、折射或干涉，從而形成新的傳播路徑。諧波的傳播距離和衰減特性取決于電網的結構特點、諧波頻率以及諧波波形。一般情況下，諧波頻率越高，其傳播距離就越短，衰減越快。

3 諧波功率流計算方法

3.1 諧波源建模

諧波源建模是進行諧波功率流計算的基礎。在大規模風電接入電網中，諧波源主要包括風力發電機系統、電力電子設備及其他非線性負載等。

3.1.1 風力發電機系統建模

風力發電機系統通常由風輪、變速箱、發電機以及變頻器等組成。在進行風力發電機系統的建模時，可以考慮將其非線性特性和諧波產生機理表示為電流源或電壓源，并充分考慮其諧波含量和頻譜分布[4]。

3.1.2 電力電子設備建模

變頻器和整流器等電力電子設備是風力發電機系統中的重要組成部分，也是諧波源的主要來源之一。在進行電力電子設備建模時，可以考慮其非線性開關特性和諧波波形傳播特點，并將其表示為電流源或電壓源，合理控制其諧波頻率和幅值。

3.1.3 其他非線性負載建模

除了風力發電機系統和電力電子設備，大規模風電接入電網中還可能存在其他非線性負載，如電弧爐和變頻空調等。在進行這些非線性負載的建模時，需要充分考慮其非線性特性和諧波產生機理，將其表示為電流源或電壓源，并考慮其諧波含量和頻譜分布。

3.2 網絡參數提取

計算諧波功率流前需要獲取電網的參數信息。在大規模風電接入電網中，網絡參數主要包括電壓、電流、阻抗以及導納等。

3.2.1 測量數據提取

通過在電網中布置合適的測量設備，獲取電網的實時電壓和電流數據。這些測量數據可以用于提取電網的諧波分量和頻譜信息，從而獲取網絡參數。

3.2.2 拓撲結構分析

電網的拓撲結構對諧波傳播和功率流計算具有重要影響。通過對電網的拓撲結構進行分析，提取節點之間的連接關系和各支路參數，進而得到網絡參數進行模型仿真。

3.2.3 模型仿真

利用電網仿真軟件進行建模從而提取網絡參數，通過建立電網的數學模型，并設置合適的參數和初始條件，進行仿真計算，得到電網的諧波分量和網絡參數。

3.3 諧波功率流計算

諧波功率流計算是對大規模風電接入電網中諧波問題進行定量分析的關鍵步驟。

3.3.1 線性化功率流方法

線性化功率流方法是一種簡化的諧波功率流計算方法，適用于諧波源較小的情況。通過列出線性化電網的節點方程，將諧波源的影響表示為復數注入功率，然后利用傳統的功率流計算方法求解電網的諧波電壓和電流[5]。

3.3.2 基于頻域分析的方法

基于頻域分析的方法是將電網的諧波問題轉化為頻域中的線性問題，通過對電網的頻域響應進行分析，將諧波源的影響表示為傳輸矩陣或傳輸函數，利用頻域仿真技術求解電網的諧波電壓和電流。

3.3.3 迭代法和優化算法

針對大規模復雜的風電接入電網，可以采用迭代法和優化算法進行諧波功率流計算。基于節點方程和網絡參數，通過迭代法或優化算法求解諧波功率流，逐步求出電網的諧波電壓和電流。

4 案例分析及其解決方案和改進措施

4.1 案例分析

以某大規模風電接入電網為例展開討論與研究。該地區近年來大力發展風能資源，引入了大量的風力發電機組，并將其接入現有的電網系統。隨著風電裝機容量的不斷增加，諧波問題日益顯現，其對電網的穩定性和運行安全帶來了一定威脅。該大規模風電接入電網由多個風電場和輸電線路組成，風電場內部采用變流器進行功率轉換，并通過高壓輸電線路將風力發電的電能送往電網。此外，該地區還應用其他工業和商業用電負載，包括電力電子設備和電弧爐等非線性負載。

該風電場諧波源主要包括風力發電機系統和電力電子設備。風力發電機系統中的變頻器和整流器會引入諧波，而電力電子設備中的變頻空調和電弧爐等也是諧波的重要來源。通過對風力發電機系統和電力電子設備進行物理建模與頻譜分析，發現主要的諧波頻率為5次、7次及11次等，其幅值隨風電場的負荷變化而波動。

通過在電網中布置測量設備，獲取諧波的電壓和電流實時數據，利用這些數據計算電網的阻抗和導納，并進行拓撲結構分析。通過分析，發現該地區電網的一些節點存在電壓畸變和電壓降低等問題，主要由諧波引起，對電網的穩定運行構成威脅。

4.2 解決方案和改進措施

針對該地區電力場的諧波問題，提出了相應的解決方案和改進措施。

（1）安裝諧波濾波器。在關鍵節點安裝諧波濾波器，以降低諧波電壓和電流，改善電網的電壓質量。

（2）優化電力電子設備的設計和控制。改進風力發電機系統中的變頻器和整流器的設計、控制策略，降低諧波的產生頻率。

（3）改進電網結構。在電網規劃和設計階段充分考慮風電接入，合理調整電網的拓撲結構，以降低諧波傳播的影響。

（4）實行諧波監測與管理。建立諧波監測與管理系統，實時監測電網的諧波狀況，并及時采取措施進行諧波的管理和控制。

5 結 論

大規模風電接入電網的諧波問題是一個重要且復雜的問題。隨著風電裝機容量的不斷增加，諧波對電網的穩定性和電壓質量產生了極大的影響，其中風力發電機系統和電力電子設備是大規模風電接入電網中的主要諧波源。針對諧波問題，可以采取安裝諧波濾波器、優化電力電子設備設計和控制以及改進電網結構等措施進行解決。通過合理建模、參數提取及諧波功率流計算，可以準確分析諧波問題，并采取相應的解決方案和改進措施，有助于保障電網的穩定性和可靠性，促進大規模風電的可持續發展。