風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)諧波疊加計(jì)算方法的研究

姚龍華

(江蘇省電力公司檢修分公司南京分部，江蘇 南京 210019)

風(fēng)能是一種取之不盡又清潔無(wú)污染的可再生能源。我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量速度很快，以每年20%以上的速度遞增。隨著風(fēng)電場(chǎng)的容量越來(lái)越大，對(duì)系統(tǒng)的影響也越來(lái)越明顯，所產(chǎn)生的諧波污染問(wèn)題是電力系統(tǒng)較為關(guān)注的電能質(zhì)量問(wèn)題[1]。諧波分析包括諧波源分析和電力系統(tǒng)諧波分析[2]。在電力電子裝置普及以前，變壓器是主要的諧波源。隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，新型的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由于采用了大容量的電力入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)會(huì)使電網(wǎng)中出現(xiàn)諧波電子設(shè)備，造成電力系統(tǒng)諧波污染，對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，同時(shí)也阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展[3]。如果在風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)后才發(fā)現(xiàn)其諧波污染達(dá)不到控制要求，投運(yùn)后的升級(jí)改造工作將不得不付出很大的代價(jià)。因此，在工程設(shè)計(jì)階段應(yīng)盡可能實(shí)際地分析預(yù)期風(fēng)電場(chǎng)接入后所造成的諧波污染，這就成為風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)重要課題。

文獻(xiàn)[1]簡(jiǎn)化風(fēng)電機(jī)組模型，在此基礎(chǔ)上計(jì)算風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)連接公共點(diǎn)的諧波大小。文獻(xiàn)[2]利用C語(yǔ)言編寫(xiě)了諧波潮流計(jì)算程序，得到結(jié)果與國(guó)家規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較；上述問(wèn)獻(xiàn)都沒(méi)能考慮風(fēng)電場(chǎng)之間的疊加效應(yīng)。因此，本文對(duì)風(fēng)電場(chǎng)疊加效應(yīng)的計(jì)算方法進(jìn)行了研究，以評(píng)估大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)所產(chǎn)生的諧波大小。

1 風(fēng)電場(chǎng)諧波源分析

1.1 風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型產(chǎn)生的諧波

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要有恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)兩大類(lèi)。對(duì)于恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有電力電阻元件參與，因此沒(méi)有諧波電流。變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可忽略發(fā)電機(jī)本身產(chǎn)生的諧波。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組投入工作時(shí)，軟并網(wǎng)裝置處于工作狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生部分諧波電流，但由于投入過(guò)程持續(xù)的時(shí)間很短，注入的諧波電流基本可以忽略[4]。

1.2 電力電子換流設(shè)備產(chǎn)生的諧波

諧波電流的真正來(lái)源是風(fēng)電機(jī)組中的電力電子元件。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的變流器始終處于工作狀態(tài)，諧波電流大小與輸出功率基本呈線(xiàn)性關(guān)系，也就是與風(fēng)速大小有關(guān)。在正常狀態(tài)下，諧波干擾的程度取決于變流器裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其安裝的濾波裝置狀況，同時(shí)與電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。因此，風(fēng)機(jī)場(chǎng)的諧波主要來(lái)源于轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)相連部分之間的一組轉(zhuǎn)換器，變換器包括一對(duì)背靠背的交直流變換裝置（分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變換器、網(wǎng)側(cè)變換器），網(wǎng)側(cè)變換器通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)升壓變向電網(wǎng)注入諧波電流。目前集中式大型風(fēng)電場(chǎng)均集中接入了數(shù)十至數(shù)百臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，為了實(shí)際計(jì)算評(píng)估所有風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的諧波電流的集合效應(yīng)，需將整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)等效為一個(gè)集中諧波源，以參與全網(wǎng)的諧波估算[5，6]。

本文主要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)多源諧波集合效應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析。第一種方法基于IEC 61400-21疊加算法，第二種方法基于更加復(fù)雜精確的模型，使該方法能夠適用于計(jì)算更高次諧波在電網(wǎng)接入點(diǎn)及周邊引起的電壓波形畸變。

2 諧波疊加IEC 61400-21方法

IEC 61400-21以及IEC 61000-3-6均確認(rèn)了諧波的疊加不應(yīng)使用代數(shù)和方法，并提供了兩種適用性不同的疊加原則[7，8]。 IEC 61400-21中規(guī)定，風(fēng)電機(jī)群注入電網(wǎng)接入點(diǎn)的諧波電流可以近似地用下式來(lái)等效：

式（1）中：Ih∑為風(fēng)電機(jī)群注入電網(wǎng)的總諧波電流畸變；NWT為風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)；Ih，i為第i臺(tái)風(fēng)機(jī)注入的第 h次諧波電流畸變；ni為從第i臺(tái)風(fēng)機(jī)到電網(wǎng)接入點(diǎn)路徑上的變壓器總變比；β為修正系數(shù)，修正系數(shù)如表1所示。

表1 諧波疊加修正系數(shù)

由于IEC 61400-21中規(guī)定的疊加原則，其事實(shí)上更多地考慮了特征諧波尤其是低次諧波的相位相關(guān)性，對(duì)于幾乎沒(méi)有相位相關(guān)性的非特征諧波，尤其是低次諧波，若也采用此法，必然會(huì)帶來(lái)不符合實(shí)際的偏差。

3 諧波疊加計(jì)算的Rayleigh方法

3.1 Rayleigh電流等效法

實(shí)際工程中需要確保風(fēng)電場(chǎng)的諧波注入所造成的電網(wǎng)接入點(diǎn)和周邊的電壓波形畸變?cè)诳扇萑痰姆秶鷥?nèi)。因此設(shè)計(jì)人員估算由風(fēng)電諧波源產(chǎn)生的電壓波形畸變時(shí)通常需要首先估算出風(fēng)場(chǎng)諧波源注入接入點(diǎn)的總諧波電流的幅值。

由文獻(xiàn)[4]可得注入接入點(diǎn)的某一第h次諧波電流幅值：

式（2）中：X，Y為總諧波電流的實(shí)部和虛部。

因?yàn)轱L(fēng)電場(chǎng)注入接入點(diǎn)的某一第h次諧波電流幅值服從Rayleigh分布，可以根據(jù)相應(yīng)的Rayleigh累積分布函數(shù)，對(duì)實(shí)際可能出現(xiàn)的諧波電流，以及其造成的電壓波形畸變進(jìn)行估算。即為Rayleigh電流等效法。

3.2 Rayleigh電壓等效法

Rayleigh電壓等效法考慮了每一單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組所注入的諧波電流所對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入點(diǎn)的諧波電壓的影響。對(duì)于每一單次諧波h，電網(wǎng)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)的諧波電壓Uh皆是各諧波源注入電網(wǎng)的h次諧波電流Ih，i的線(xiàn)性函數(shù)。因此接入點(diǎn)的h次諧波電壓：

如果只關(guān)心h次諧波電壓的實(shí)部，則：

則接入點(diǎn)的單次諧波電壓Uh服從Rayleigh分布，且標(biāo)準(zhǔn)差σ即為式（5）中的Sn。其p%幅值為：

Rayleigh電壓等效法的應(yīng)用與前一節(jié)的電流等效法類(lèi)似，但在求取標(biāo)準(zhǔn)差Sn的過(guò)程中，需要先求取h次諧波頻率下每一單臺(tái)風(fēng)機(jī)與接入點(diǎn)之間的互阻抗

4 算例分析

4.1 計(jì)算內(nèi)容

針對(duì)湖南太平里風(fēng)能電站諧波發(fā)生情況，接入系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 太平里風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)示意圖

考慮該風(fēng)電站向電網(wǎng)注入的諧波電流及諧波電流在電網(wǎng)公共連接（PCC）產(chǎn)生的諧波電壓是否在國(guó)標(biāo)限值內(nèi)。諧波電流及諧波電壓的允許值在GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》有明確規(guī)定，因此，本文在計(jì)算兩種不同疊加方法下，風(fēng)電場(chǎng)諧波電流發(fā)生量及該諧波電流在PCC點(diǎn)產(chǎn)生的諧波電壓，將之與國(guó)標(biāo)進(jìn)行比較就可以判定諧波是否超標(biāo)，以及不同方法計(jì)算得出的結(jié)果，以供參考[9]。

4.2 諧波電流和諧波接入及限制

（1）PCC點(diǎn)：根據(jù)接入系統(tǒng)方案，則PCC點(diǎn)為福沖220kV變110kV側(cè)母線(xiàn)。

（2）福沖220kV變110kV側(cè)母線(xiàn)短路容量：在系統(tǒng)小方式中計(jì)算得到的最小短路容量為2808.87 MV·A。

（3）諧波電流限值，實(shí)際變電站諧波電流允許值按系統(tǒng)實(shí)際的最小短路容量進(jìn)行換算，即：

式（7）中：Sk1為 PCC 點(diǎn)的最小短路容量，MV·A；Sk2為基準(zhǔn)短路容量，MV·A；Ihp為基準(zhǔn)短路容量對(duì)應(yīng)第h次諧波電流允許值，A；Ih為短路容量是Sk1時(shí)的第h次諧波電流允許值，A。

通過(guò)上式計(jì)算得出福沖變電站110kV母線(xiàn)總諧波電流限值，如表2所示。

表2 福沖變電站110kV母線(xiàn)總諧波電流限值 A

對(duì)應(yīng)的風(fēng)電站專(zhuān)用變?cè)试S注入系統(tǒng)主供變電站（福沖變電站）的各諧波電流允許值：

式（8）中：Si為太平里風(fēng)電站專(zhuān)用變用戶(hù)的用電協(xié)議容量，MV·A；ST為PCC點(diǎn)南大110kV母線(xiàn)的總供電容量，MV·A；Ihi為太平里風(fēng)電站專(zhuān)用變用戶(hù)對(duì)應(yīng)第h次諧波電流允許值，A；α為相位疊加系數(shù)。相位疊加系數(shù)[9]如表3所示。

表3 相位疊加系數(shù)

計(jì)算福沖變110kV母線(xiàn)總供電容量時(shí)，以福沖變110kV變的主變?nèi)萘窟M(jìn)行考慮。其中太平里風(fēng)電站專(zhuān)用變用戶(hù)的用電協(xié)議容量：50 MV·A；福沖變總的供電容量：福沖主變2×120 MV·A+太平里風(fēng)電站專(zhuān)用變50 MV·A+宜章主變63 MV·A+楊梅山30 MV·A+白石渡 63 MV·A＝446 MV·A。 則計(jì)算得太平里風(fēng)電站專(zhuān)用變注入福沖變諧波電流限值，如表4所示。

表4 太平里風(fēng)電站專(zhuān)用變注入南大變諧波電流限值 A

4.3 諧波計(jì)算

4.3.1 系統(tǒng)等值

在建立計(jì)算網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，考慮系統(tǒng)的規(guī)模，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行等值。在計(jì)算過(guò)程中以福沖變220kV母線(xiàn)為系統(tǒng)等值點(diǎn)，福沖變220kV母線(xiàn)與系統(tǒng)的連接用一個(gè)等效電網(wǎng)等值，該等效電網(wǎng)的短路容量用最小短路容量進(jìn)行賦值。對(duì)應(yīng)福沖變220kV母線(xiàn)最小短路容量Sd1＝6700.57 MV·A，則等效電網(wǎng)短路容量 Sd2＝Sd1＝6700.57 MV·A。

4.3.2 諧波計(jì)算

全部風(fēng)機(jī)滿(mǎn)出力運(yùn)行時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)注入福沖變110kV母線(xiàn)諧波電流。

（1）由IEC 61400-21方法，計(jì)算出的結(jié)果如表5所示。

表5 IEC 61400-21計(jì)算福沖變諧波電流 A

（2）由Rayleigh電流等效法計(jì)算所得福沖變110kV母線(xiàn)諧波電流大小，如表6所示。

表6 福沖變110kV母線(xiàn)諧波電流 A

由表5、表6看出，在工程設(shè)計(jì)階段的諧波研究中，尤其是非特征諧波的研究，需考慮多個(gè)諧波源之間的相位分布所產(chǎn)生的抵消效應(yīng)。該風(fēng)電場(chǎng)發(fā)射的特征諧波主要以5次諧波電流為主。而IEC 61400-21所推薦的方法夸大了較低次諧波的值，相對(duì)較高次部分結(jié)果又被低估了。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1）對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行計(jì)算時(shí)，諧波以5次諧波電流為主，則風(fēng)電場(chǎng)配置的無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC其電容器組設(shè)計(jì)時(shí)需考慮對(duì)5次諧波的濾波作用，以防止諧振。

（2）風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的非特征諧波的相關(guān)性則很弱。傳統(tǒng)的保守估計(jì)在建模時(shí)假定所有風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的諧波都是同相的，由此得出的整個(gè)風(fēng)場(chǎng)的集合效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)測(cè)結(jié)果。IEC 61400-21所建議方法的使用應(yīng)慎重考慮其適應(yīng)性。Rayleigh等效方法在風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)中實(shí)際應(yīng)用，其合理性與有效性在含風(fēng)電場(chǎng)諧波計(jì)算中得到了驗(yàn)證，大幅壓縮了傳統(tǒng)方法下的諧波計(jì)算結(jié)果不確定性。

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