风电场谐波治理方案选择及效果评估

文 | 杨振宏



风电场谐波治理方案选择及效果评估

文 | 杨振宏

某电力生产企业一风电场，安装有东方汽轮机有限公司生产的FD77C型1.5MW双馈风电机组17台，总装机容量25.5MW。

风电场采用35kV出线直接接入当地供电公司110kV变电站35kV侧母线；此变电站在同母线上有炼钢厂负荷接入，共计5台5MVA供电变压器。由于炼钢厂采用电弧炉炼钢，特别是在钢厂生产高峰时段，由于电弧产业的大量谐波影响，造成风电场风电机组不能正常运行，伴随风电机组控制系统及设备的大批损坏，给发电企业造成了巨大的经济损失。

（一）电力系统谐波危害主要表现在六个方面：

1. 引起供电电压的畸变。

2.增加用电设备的功率消耗，降低系统的功率因数。

3.增加输电线路的损耗，特别是对输电线路上的电缆使用寿命严重降低。

4.增加变压器的功率损耗。

5.造成继电保护装置、自动装置的误动作。

6.对电气设备及控制设备造成损坏和软击穿。

（二）电力系统谐波的主要治理方式

电力系统谐波从治理方式上分为主动治理、被动治理和受端治理几种方式。

主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。

被动治理：即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。

受端治理：即从收到谐波影响的设备或系统出发，提高它们的抗干扰能力；提高设备抗谐波干扰能力，使其在谐波一定限度环境中能够正常工作，研制新型抗谐波设备，改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，保障控制系统设备的正常工作。

系统谐波对风电场设备的主要危害

电力系统谐波对风电场设备的危害主要表现在以下两个方面：

（一）风电机组控制系统设备烧损。主要是电感原件在谐波的影响下温度异常升高，造成电感元件绕组的匝间短路；同时由于谐波造成电容器元件绝缘性能降低而损坏。该风电场出现的主要问题是风电机组轮毂变桨驱动器大面积损坏。

（二）测量系统紊乱，不能真实反映系统性质。如谐波使设备对系统频率的测量不准确，造成风电机组设备保护异常动作。

现场谐波测量与系统谐波源的确定

针对风电场谐波情况，对风电场电能质量进行现场测量，测量点分别选取在35kV 和690V系统中的两个测量点，其中35kV测量点选取在35kV配电室，690V测量点选取在风电机组690V进线侧。具体测量点见图1。

由于炼钢厂生产时间是在每天的22点到次日9点30分时间段。在35kV和690V进线侧，使用电能质量测试仪进行24小时不间断连续测量。获得连续的电流、电压、谐波情况及瞬时的波形、功率、谐波等详细数据；同时在35kV高压出线测量点使用Fluke 435电能质量测试仪进行不间断16小时测量，获得了35kV母线功率因数变化、35kV母线谐波电压变化、35kV母线谐波电流畸变率等曲线。得到的测量数据如下：

一、35kV母线测量数据

（一）35kV母线功率因数变化数据

根据现场的实际测量数据，钢厂未开始生产时，电网无谐波干扰，此时风电机组可正常发电，同时SVG同步补偿无功功率，整个35kV母线功率因数接近1；而从22点到次日9点30分左右的钢厂生产期间，因为谐波干扰，风电场风电机组和SVG设备受到谐波影响停运，此期间35kV母线功率因数只有0.4左右,说明在钢厂生产期间，35kV系统电能质量受到了影响。

（二）35kV母线谐波电压变化曲线

从35kV母线谐波电压变化曲线可以看出，钢厂在22点冶炼炉开始生产后，风电场35kV母线谐波电压总畸变率严重恶化，至次日9点左右钢厂冶炼炉停运后系统才恢复正常，其间谐波电压畸变率呈现剧烈波动，最高达25%左右，见图2。

（三）35kV母线谐波电流畸变率曲线

从现场实际测量数据看出（图2），钢厂在22点开始生产后，风电场35kV母线谐波电流总畸变率严重恶化，至次日9点左右钢厂停车后才恢复正常。其间谐波电流畸变率呈现剧烈波动，最高达到160%。

（四）35kV母线谐波电压各次谐波统计

从电能质量记录仪测量生成的数据可以看出（见图3），35kV母线系统内23次和25次为主要谐波电压，23次谐波电压畸变率最大达到19.76%，95%概率值为15.9%；25次谐波电压畸变率最大达到13.2%，95%概率值也达到11%。23次和25次谐波电压畸变率分别超出国家对应标准2.4% 的7倍和5倍以上。

（五）35kV母线谐波电流各次谐波统计

从电能质量记录仪测量生成的数据可以看出（图4），35kV母线系统内23次和25次为主要谐波电流，23次谐波电流畸变率达到31%左右，25次谐波电流畸变率达到25%左右，都超出国家对应标准2.2%的10倍以上；35kV母线系统内23次和25次为主要谐波电流，23次谐波电流最大达到44.4A，95%概率值为31A；25次谐波电流最大达到35.8A，95%概率值也达到24.8A。23次和25次谐波电流分别超出国家对应标准2.2%的15倍和12倍以上，严重危害风电场整个配电系统的安全。

二、690V进线侧测量数据

（一）690V进线功率因数变化曲线

从电能质量记录仪测量生成的数据可以看出（图4），风电机组正常发电时因为负载随风量的变化，功率因数也随之波动变化。21点左右钢厂投运后风电机组随之停运，随后，690V系统侧功率因数变化幅度很小，次日9点30分钢厂停炉后，风电机组陆续恢复运行，此时690V系统侧功率因数再次开始发生变化。

（二）690V侧进线谐波电压变化曲线

从电能质量记录仪测量生成的数据可以看出（图3），钢厂在22点开始生产后，风电场风电机组低压690V侧谐波电压总畸变率严重恶化，至次日9点左右钢厂停产后恢复正常，期间谐波电压畸变率呈现剧烈波动，最高达20%左右，波动时间范围与节奏和35kV母线基本同步。

从690V进线谐波电压变化曲线可以看出（图5），风电场风电机组低压690V侧系统内23次和25次仍为主要谐波电压，23次谐波电压畸变率达到8%左右，25次谐波电压畸变率达到5.5%左右，都明显超出国家对应标准4.0%安全限值要求。

谐波治理方案的提出及现场实施方案的确定

通过对现场35kV及690V系统谐波测量得知，主要引起风电场风电机组设备故障的原因是由于同母线上的钢厂负荷造成35kV系统电压谐波超标。

无论是35kV高压母线还是690V低压风电机组系统，侵入系统内的背景谐波成分虽然比较杂乱，但23次和25次谐波都是主要的特征谐波，这两类谐波占到整个系统谐波含量的70%以上，因此无论是在高压母线上进行背景谐波的整体防御消减，还是在风电机组690V/400V低压控制单元的消减隔离保护，都要围绕23和25次这两类高次谐波来进行。

根据谐波治理的原则，介于客观因素影响，从谐波产生的源头进行主动治理的方案客观上不可行，因此只能采用被动和受端治理的方案和措施。为此，分别提出了被动治理和受端治理两种方案。

一、被动治理方案

此被动治理方案就是在风电场35kV 侧实施，拟通过对35kV系统侧的23、25次谐波运用谐波滤过器分别对系统高次谐波进行治理和抑制。其治理原则，一是系统内谐波电压总畸变率和谐波电流总畸变率降至风电机组控制系统要求的范围内，能够满足正常运行水平，保证整个35kV母线系统免受背景谐波的直接干扰而影响安全生产。二是投入的高次背景谐波滤波装置能够与现有35kV变电站系统兼容不发生谐振，在保证消减抑制背景谐波的滤波效果情况下又不过补系统无功功率。

其中，23次谐波采用单调谐滤波器，其电路原理图及阻抗频率特性如图6。

q为设计滤波器的重要参数，典型值q=30－60。

25次谐波采用二阶高通滤波器，其电路原理图及阻抗频率特性如图7。

表1　国标对电网谐波电压限值标准表

参数选择依据其复数阻抗为：

截止频率为：

结构参数m一般取0.5－2；q=0.7－ 1.4。

背景谐波滤波装置通过电缆接入风电场35kV高压开关室出线柜下方，35kV背景谐波滤波器采用室内平面布置，安装有23次单调谐谐波滤波器和25次高通谐波滤波器的高压滤波室土建房屋面积：长15m、宽8.5m、高4.8m，占地面积约128m2。

二、受端治理方案

受端治理方案采用分散治理方式，即对风电机组控制系统电源进行谐波治理。由于风电机组控制系统电源采用一台40kVA、690V/380V供电变压器，对供电变压器380V系统谐波测量表明，谐波成分和35kV系统侧性质相同，也是主要存在23、25次高次谐波。因此，主要采取相应措施对23、25次谐波进行抑制。同时由于风电机组塔筒内安装场地的限制，对滤波设备尺寸进行综合考量后，决定现场采用高通滤过器进行谐波治理，对23次以上谐波进行全面抑制，同时根据现场实际情况，设备体积不能大于40cm×40cm×120cm的制作要求。

根据动态模型仿真，最终采用一阶无源高通滤过器对380V系统侧23次以上谐波进行抑制，同时在690V侧采用串联电抗器进行滤波，对尖峰过电压进行平滑抑制。其电路原理图如图8。

其截止频率为：

三、两种治理方案的比较和选择

对上述被动治理和受端治理两种方案可行性的分析比较如下：

被动治理方案的优点是可以对风电场高次谐波进行有针对性且较为彻底的治理，对风电场全部设备得到充分的保护；存在的主要问题是受风电场开关站场地限制，设备安装的位置在目前情况下无法找到有效的、可行的解决办法，主要是土地征地不易在短时间内解决，而且一次性投入费用较大，估算费用在700万元以上。

受端治理的优点是不受开关站场地限制，也不需要对风电场进行整体停电，设备现场安装总工期只需要2天时间即可全部完成，实施时间短，费用低，实施效果明显。存在问题是只对风电机组控制系统进行了谐波治理，站内设备和电气一次设备仍然存在谐波干扰，可能对一次设备特别是风电机组发电机设备使用寿命产生影响，但此问题可以随政府对当地高耗能设备的治理得到根本性的解决。

综合上述情况，决定选择第二种受端治理的方案。

现场谐波治理的实施及效果

根据第二种受端治理方案，具体实施的设备原理图如图9。其中蓝色部分即为高通滤过器主设备，其中包含690V侧的平波电抗器和380V侧一阶高通谐波滤过器两部分。高通滤波器采用一阶高通滤波器，三相Y型接线方式，此方案的优点在于结构简单、制造和维护成本低；在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因数。

在设备接入后，对风电机组380V侧电能质量进行检测，在钢厂投入生产期间，系统谐波电压谐波含量明显增加，在谐波高通滤过器投入后，各次谐波得到有效抑制，电压总畸变率在4%以下。23次谐波总畸变率含量小于0.36%，25次谐波总畸变率含量小于0.66%。系统谐波治理前后谐波含量对比如表2所示。

表2　系统谐波治理前后谐波含量

从实际现场电压检测波形可以看出（图10、图11），谐波治理设备投运前后电压波形得到明显改善；从风电机组现场实际运行情况来看，谐波治理设备投入运行以后，风电机组控制系统运行稳定，未出现设备损坏和大面积元器件烧损事件。设备利用小时大幅度提高。

结语

通过对风电场电力系统谐波的原因分析和治理方案的提出和选择，治理后高次谐波得到有效抑制，谐波治理后电能质量符合国家标准要求。设备投运一年时间内，效果十分显著，风电机组不再存在受到系统谐波的影响造成停机和设备损毁现象。经济效益显著，风电场同比增加发电量8000MW·h，一年内节省设备维修费用150万元，取得了明显的经济效益。

（作者单位：大唐桂冠山东电力投资有限公司）