风电场谐波贡献值检测方法讨论

孟庆赫

【摘 要】 将新建设的风电场接入电网必须满足一些限制条件。设置限制条件的目的是为了保证电网的电能质量和供电可靠性。谐波注入是电能质量关注的重点，因为谐波能导致设备热损耗增加，降低设备使用寿命。然而因为电网中其他负载的存在，准确评估某一具体设备注入电网的谐波量是很困难的。在本篇文章中，首先回顾了目前使用最多的谐波评估的一些方法，其次讨论了这些方法对风电场谐波注入的结论。基于不同的应用环境，总有一种方法比其他的方法更适用。然而，对于任何方法都存在假设条件，对于谐波也是如此。目前，并不是所有的谐波阻抗计算方法都适用于风电场，为了确定风电场与公共电网之间的谐波阻抗，需要做更加深入的研究，尤其是针对谐振频率附近的阻抗。

【关键词】 电能质量；风电场；电力系统谐波

[Abstract] Some restrictions must be met for the new wind farm to be connected to the power grid. The purpose of setting limits is to ensure the power quality and reliability of power supply. Harmonic injection is the focus of attention in power quality， because harmonic can increase the heat loss and reduce the service life of the equipment. Based on different application environments， there is always one way The law is more applicable than any other method. However， assumptions exist for any method， and the same is true for harmonics.

[Keywords] power quality； wind farm； power system harmonics

为了防止风电场的接入导致公共电网电能质量的降低，在接入前，电网调度员要对风电场提出一些指标要求。其中的一项指标就是谐波畸变值，谐波畸变值是评价风电场谐波值的重要指标。对谐波畸变值进行要求的原因是为了避免接入设备对公共电网的影响。对谐波源注入值的评估是保持整体及局部谐波电压畸变在允许值之内的重要措施，也是正确分配谐波抑制责任的重要措施。然而找到准确评估谐波贡献值的方法仍然是一个挑战。目前，已经提出了一些解决这个挑战的方法，但是他们中的绝大多数方法都需要精确的数据及整个系统结构，而精确的数据是很难得到的。风电场运营者知道具体的阻抗值，基于阻抗值，一些方法可以用来确定风电场对公共电网谐波的贡献值。

风电场谐波贡献值公式存在的问题见第2节；目前使用频率最高的方法见第3节；对这些方法的讨论及是否一个新的风电场在公共连接点处提高或降低的电网的电能质量见第4节；结论见第5节；

1 风电场谐波贡献值公式存在的问题

随着风电场中变频器使用量的增加，在公共连接点谐波畸变率也在增加，因此评估风电场谐波注入值就非常重要。然而在风电场接入公共电网前就存在谐波（背景谐波）。风电场接入公共电网后，在当地测到的谐波畸变将会是两部分谐波的叠加：一部分是风电场自身风力发电机产生的谐波，另一部是风电场外部系统产生的谐波。因此，由风电场承担外部系统产生的谐波是不合适的。

图1（风电场谐波注入评价图）展示了风电场连接到公共电网时，考虑到初级及次级谐波注入时的单相电流流动情况。假设电流是线性的，根据诺顿定理和戴维南定理可以列出代表风电场和公共电网的等式。假设在公共连接点（PCC）处当地的电压（Upcc）、电流（Ipcc）已知，则得到（1）、（2）式，U1、I1代表初级注入的电压和电流，U2、I2代表次级注入的电压和电流。

诺顿等式中的J1、Z1表示新安装的风机电势与阻抗，戴维南等式中的E2、Z2表示公共电网的电势与阻抗。式（1）、（2）有两个方程四个未知量。为了解出这个方程，有许多种方法，但是这些方法都需要假设已知阻抗。

2 谐波检测方法

在本节，将介绍谐波检测中使用频率最高的方法及其优点与缺点。

2.1 畸变与非畸变电流法

畸变电流与非畸变电流将装置分成两个部分：一部分影响了电压波形（畸变部分），另一部分则不会引起波形的变化（非畸变部分）。在此方法中，任何装置都被分成两个平行的负载部分，如图2。非畸变电流（Ind）流向负载中非畸变负载，畸變电流（Id）流向负载中畸变负载。非畸变负载在任何频率下阻抗保持不变，因此这部分的贡献值可以精确的计算出来。Ih 、 Vh表示谐波电流和谐波电压，I（1） 、 V（1）表示基波电流和电压。

2.2 谐波状态估计法

谐波状态估计法被用来估计装置产生的谐波量。使用此方法需要知道网络的参数值及其拓扑结构。知道了网络参数及其拓扑结构，就可以得到所研究的谐波的导纳矩阵。被评价的状态变量是谐波的相电压值。谐波源注入的电压值与电流值提供给估计者，由此可以将谐波源分为注入源还是吸收源。n表示谐波次数；Vi（n）、Ii（n）表示节点i的谐波电压和谐波电流；I^i（n），Yi（n）表示未知的诺顿谐波注入电流和导纳。

3 讨论

畸变与非畸变电流法在时域上提供了一个很好的检测影响电压波形的谐波电流的方法，但是对于电网来说它并没有判定波形是有益的还是有害的。这个方法不适合风电场的谐波贡献值检测，因为它仅仅区分了电流中的线性与非线性部分。

谐波状态评价法广泛的应用于电力系统的研究并提供可靠的结果。此方法同样可以用于谐波分析。谐波状态评价可以用于谐波贡献值的评价。为了得到结果，需要知道风电场和电网的阻抗及拓扑结构，但是阻抗和拓扑结构并不容易得到。

4 结论

本文介绍了评价谐波贡献值常用的方法，并讨论了它们对于风电场的适用性。这些方法有各自的优点及缺点。畸变与非畸变电流法使用的是定量的方法，但是并不适用于风电场的谐波贡献值评价。谐波状态评价法需要详细的阻抗数据，它并不是一个通用的方法。因此本文的结论是检测风电场谐波电流贡献值的方法很难直接获取，一些方法有潜力，但是需要进一步的研究。