大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)諧波影響分析

朱茂章

（國家電投集團(tuán)福建電力有限公司，福建 福州 350003）

0 引 言

隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提升和可再生能源技術(shù)的不斷進(jìn)步，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電作為一種清潔、可再生的能源形式，正在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展。大規(guī)模風(fēng)電場的接入對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式帶來革命性變化的同時(shí)也引發(fā)了一系列的技術(shù)挑戰(zhàn)和問題，如諧波問題[1]。諧波是電力系統(tǒng)中頻率為基波頻率整數(shù)倍的周期性波形成分，大規(guī)模風(fēng)電場中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電力電子設(shè)備的非線性特性以及高頻開關(guān)操作等因素可能導(dǎo)致諧波的產(chǎn)生與傳播。諧波波形具有頻率高、能量集中等特點(diǎn)，影響著電網(wǎng)和電力設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行。因此，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的諧波影響進(jìn)行全面的分析和研究，對(duì)于確保電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行、保障電力設(shè)備的安全運(yùn)行以及提高風(fēng)電場的發(fā)電效率具有重要意義。

1 大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的諧波發(fā)生機(jī)理

1.1 大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)

大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的核心是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，主要包括風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)以及變頻器等。

風(fēng)輪是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的核心部件之一，其作用是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一般由大型的葉片構(gòu)成，通過葉片的旋轉(zhuǎn)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。

變速箱用于調(diào)整風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)速度，使其適應(yīng)不同風(fēng)速條件下的工作要求。變速箱通常采用多級(jí)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，通過改變齒輪傳動(dòng)比實(shí)現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的匹配。

發(fā)動(dòng)機(jī)是將風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的關(guān)鍵裝置[2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中常使用同步發(fā)電機(jī)，能夠?qū)C(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為交流電能。

變頻器是將發(fā)電機(jī)輸出的交流電通過整流器和逆變器轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的交流電，并且可以控制輸出電壓和頻率，廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，滿足電網(wǎng)的個(gè)性化要求。

1.2 諧波發(fā)生機(jī)理

（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的非線性特性。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的非線性元件在工作過程中會(huì)引入諧波波形，而諧波波形的非線性特性導(dǎo)致輸出電流中含有頻率為基波頻率整數(shù)倍的諧波成分，并傳播到電網(wǎng)。

（2）電力電子設(shè)備的開關(guān)操作。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的電力電子設(shè)備都具有高頻開關(guān)操作特性，這些開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生諧波電流和諧波電壓，進(jìn)而導(dǎo)致諧波問題的發(fā)生。

（3）電力系統(tǒng)的諧波源。除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)本身的諧波源，電力系統(tǒng)中其他的負(fù)載設(shè)備也可能成為諧波源，這些負(fù)載設(shè)備在工作過程中會(huì)引入諧波波形，進(jìn)而影響整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的正常工作。

（4）電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化。大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的接入方式和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)電網(wǎng)，其接入風(fēng)電場后，電網(wǎng)的特性和諧波傳播路徑均發(fā)生相應(yīng)變化，這可能導(dǎo)致諧波波形在電網(wǎng)中的傳播和積累。

2 諧波傳播分析

大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)具有一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)諧波的傳播路徑具有重要影響。風(fēng)電場通常由多個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成，這些風(fēng)力發(fā)電機(jī)分布在空曠的地理區(qū)域內(nèi)。其分布特點(diǎn)導(dǎo)致電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)分散，不同風(fēng)電場之間的電力輸送路徑較長。大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中的風(fēng)電場容量較大，通常以百兆瓦甚至千兆瓦級(jí)別進(jìn)行計(jì)量，這種大容量風(fēng)電場對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和諧波傳播路徑具有重要影響[3]。為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的電力輸送，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中會(huì)配置相應(yīng)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(huì)對(duì)諧波的傳播路徑產(chǎn)生影響。

知曉諧波在大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中的傳播特性對(duì)于理解諧波問題的產(chǎn)生和解決具有重要意義。電網(wǎng)中不同元件和設(shè)備對(duì)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(shè)備等在不同諧波頻率下的阻抗會(huì)有所變化，了解電網(wǎng)元件的諧波阻抗特性對(duì)于確定諧波的傳播路徑至關(guān)重要。

大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)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(shè)備等，這些傳輸線路對(duì)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(shù)、接地方式等，這些因素會(huì)對(duì)諧波的傳播產(chǎn)生影響。諧波在電網(wǎng)中傳播時(shí)也可能會(huì)遇到分支點(diǎn)、連接點(diǎn)及突變點(diǎn)等，諧波波形在這些點(diǎn)上可能會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(wǎng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、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(jì)算方法

3.1 諧波源建模

諧波源建模是進(jìn)行諧波功率流計(jì)算的基礎(chǔ)。在大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中，諧波源主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、電力電子設(shè)備及其他非線性負(fù)載等。

3.1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)建模

風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)通常由風(fēng)輪、變速箱、發(fā)電機(jī)以及變頻器等組成。在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的建模時(shí)，可以考慮將其非線性特性和諧波產(chǎn)生機(jī)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(shè)備建模

變頻器和整流器等電力電子設(shè)備是風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的重要組成部分，也是諧波源的主要來源之一。在進(jìn)行電力電子設(shè)備建模時(shí)，可以考慮其非線性開關(guān)特性和諧波波形傳播特點(diǎn)，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(fù)載建模

除了風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電力電子設(shè)備，大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中還可能存在其他非線性負(fù)載，如電弧爐和變頻空調(diào)等。在進(jìn)行這些非線性負(fù)載的建模時(shí)，需要充分考慮其非線性特性和諧波產(chǎn)生機(jī)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(wǎng)絡(luò)參數(shù)提取

計(jì)算諧波功率流前需要獲取電網(wǎng)的參數(shù)信息。在大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)主要包括電壓、電流、阻抗以及導(dǎo)納等。

3.2.1 測量數(shù)據(jù)提取

通過在電網(wǎng)中布置合適的測量設(shè)備，獲取電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電壓和電流數(shù)據(jù)。這些測量數(shù)據(jù)可以用于提取電網(wǎng)的諧波分量和頻譜信息，從而獲取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

3.2.2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)諧波傳播和功率流計(jì)算具有重要影響。通過對(duì)電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提取節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系和各支路參數(shù)，進(jìn)而得到網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行模型仿真。

3.2.3 模型仿真

利用電網(wǎng)仿真軟件進(jìn)行建模從而提取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過建立電網(wǎng)的數(shù)學(xué)模型，并設(shè)置合適的參數(shù)和初始條件，進(jìn)行仿真計(jì)算，得到電網(wǎng)的諧波分量和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

3.3 諧波功率流計(jì)算

諧波功率流計(jì)算是對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中諧波問題進(jìn)行定量分析的關(guān)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(jì)算方法，適用于諧波源較小的情況。通過列出線性化電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)方程，將諧波源的影響表示為復(fù)數(shù)注入功率，然后利用傳統(tǒng)的功率流計(jì)算方法求解電網(wǎng)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(wǎng)的諧波問題轉(zhuǎn)化為頻域中的線性問題，通過對(duì)電網(wǎng)的頻域響應(yīng)進(jìn)行分析，將諧波源的影響表示為傳輸矩陣或傳輸函數(shù)，利用頻域仿真技術(shù)求解電網(wǎng)的諧波電壓和電流。

3.3.3 迭代法和優(yōu)化算法

針對(duì)大規(guī)模復(fù)雜的風(fēng)電接入電網(wǎng)，可以采用迭代法和優(yōu)化算法進(jìn)行諧波功率流計(jì)算?；诠?jié)點(diǎn)方程和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，通過迭代法或優(yōu)化算法求解諧波功率流，逐步求出電網(wǎng)的諧波電壓和電流。

4 案例分析及其解決方案和改進(jìn)措施

4.1 案例分析

以某大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)為例展開討論與研究。該地區(qū)近年來大力發(fā)展風(fēng)能資源，引入了大量的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，并將其接入現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，諧波問題日益顯現(xiàn)，其對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行安全帶來了一定威脅。該大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)由多個(gè)風(fēng)電場和輸電線路組成，風(fēng)電場內(nèi)部采用變流器進(jìn)行功率轉(zhuǎn)換，并通過高壓輸電線路將風(fēng)力發(fā)電的電能送往電網(wǎng)。此外，該地區(qū)還應(yīng)用其他工業(yè)和商業(yè)用電負(fù)載，包括電力電子設(shè)備和電弧爐等非線性負(fù)載。

該風(fēng)電場諧波源主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電力電子設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器和整流器會(huì)引入諧波，而電力電子設(shè)備中的變頻空調(diào)和電弧爐等也是諧波的重要來源。通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電力電子設(shè)備進(jìn)行物理建模與頻譜分析，發(fā)現(xiàn)主要的諧波頻率為5次、7次及11次等，其幅值隨風(fēng)電場的負(fù)荷變化而波動(dòng)。

通過在電網(wǎng)中布置測量設(shè)備，獲取諧波的電壓和電流實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)計(jì)算電網(wǎng)的阻抗和導(dǎo)納，并進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析。通過分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)電網(wǎng)的一些節(jié)點(diǎn)存在電壓畸變和電壓降低等問題，主要由諧波引起，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行構(gòu)成威脅。

4.2 解決方案和改進(jìn)措施

針對(duì)該地區(qū)電力場的諧波問題，提出了相應(yīng)的解決方案和改進(jìn)措施。

（1）安裝諧波濾波器。在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)安裝諧波濾波器，以降低諧波電壓和電流，改善電網(wǎng)的電壓質(zhì)量。

（2）優(yōu)化電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)和控制。改進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中的變頻器和整流器的設(shè)計(jì)、控制策略，降低諧波的產(chǎn)生頻率。

（3）改進(jìn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段充分考慮風(fēng)電接入，合理調(diào)整電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以降低諧波傳播的影響。

（4）實(shí)行諧波監(jiān)測與管理。建立諧波監(jiān)測與管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)的諧波狀況，并及時(shí)采取措施進(jìn)行諧波的管理和控制。

5 結(jié) 論

大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)的諧波問題是一個(gè)重要且復(fù)雜的問題。隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的不斷增加，諧波對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電壓質(zhì)量產(chǎn)生了極大的影響，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和電力電子設(shè)備是大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)中的主要諧波源。針對(duì)諧波問題，可以采取安裝諧波濾波器、優(yōu)化電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和控制以及改進(jìn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等措施進(jìn)行解決。通過合理建模、參數(shù)提取及諧波功率流計(jì)算，可以準(zhǔn)確分析諧波問題，并采取相應(yīng)的解決方案和改進(jìn)措施，有助于保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性，促進(jìn)大規(guī)模風(fēng)電的可持續(xù)發(fā)展。