风力发电中所产生的谐波及其抑制措施

王望平，程航

(1.天水长城开关厂有限公司,甘肃 天水 741000;2.兰州工业学院,甘肃 兰州 730050)

风力发电中所产生的谐波及其抑制措施

王望平1，程航2

(1.天水长城开关厂有限公司,甘肃 天水 741000;2.兰州工业学院,甘肃 兰州 730050)

在中性点不接地配电系统中，由于电磁式电压互感器(PT)励磁电感的非线性特性曲线，会在一定条件下产生铁磁谐振，影响系统的安全运行。以风力发电系统为例，对风力发电系统的发电机理、风力发电的特点、谐波的产生及危害等以及消谐的措施进行分析。认为在众多消谐措施中PT一次侧中性点接消谐器和选用励磁特性曲线饱和度较高的电磁式电压互感器(PT)的方式是比较好的消谐方法。

风力发电；铁磁谐振；电磁式电压互感器；消谐措施

1 引言

风力发电系统(中性点不接地)中，母线上的电磁式电压互感器(简称PT)通常需要将中性点接地，在发生单相接地或者系统负荷剧烈变化等情况时，PT励磁电感可能与系统对地电容形成参数匹配，引发铁磁谐振，造成系统过电压和PT高压绕组中的过电流，严重影响配电系统的安全运行。

本文通过对风力发电系统中产生谐波的分析与解剖，对防止铁磁谐振的各种措施进行分析，探讨各自的优缺点和适用范围。

2 风力发电中谐波产生的机理

风力发电是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。风力发电机因风量不稳定性，故其输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能，然后用有保护电路的逆变电源，转变成交流220V市电，保证稳定使用。

3 风力发电的特点

首先，从原始能源来看，风力发电的原始能源是风力，而风力又是不稳定的能源，风力要根据地理位置，风速的方向、风力的分布范围、风力的最大速度、最小风速、风力发电设备的工作范围等因素的影响。其次，从风力发电的主要设备来看，风力发电要通过逆变装置的装换，才能并入公共电网，然而，逆变器装置会给电网带来电力谐波，使功率因数恶化、电压波形畸变和增加电磁干扰等问题。

综合以上两点，可以看出风力发电的电源质量不高又不稳定，而根据谐波的形式来看，风力发电的谐波主要是电源质量不高所导致的。

4 谐波的产生

在理想的电力系统中，电流和电压都是正弦波，在只含线性元件电阻、电感及电容的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。但此种情况过于理想，一般情况下，我们所研究的电路基本上都有谐波产生。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

电网谐波主要来自于以下三方面：

4.1 发电源质量不高产生谐波

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来很少。

4.2 输配电系统产生谐波

输配电系统中主要由电力变压器产生谐波。由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次波形，它的大小与铁心的饱和程度有关，铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。

4.3 用电设备产生谐波

晶闸管整流设备装置采用移相控制，无论整流装置为单相整流电路，还是三相全控桥式整流器，从电网吸收的是缺角正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下的部分中含有大量的谐波。

5 风力发电系统中谐波的主要危害

风力发电系统中谐波具有很大的危害性，可引起电力系统局部并联谐振，导致谐波分量放大从而使得电容器、电压互感器等设备的烧毁，而电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的设备出现异常和故障甚至会导致电力系统的解列。谐波的危害在电力系统中是多方面的，主要有：

(1)对供配电线路的危害。在谐波的影响下，容易导致机电保护误动作，不能全面有效地发挥保护作用。

(2)影响电网的质量。谐波会引起串联谐振及并联谐振，放大谐波，造成危险的过电压或过电流。

(3)增加了输电线路的损耗，缩短了输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。

(4)对电容器的影响。由于谐波使通过电的电流增加，使电容器损耗增加，从而引起电容器发热和温升，加速老化。

6 谐波是产生铁磁谐振的直接原因

当线路频率ω等于或者接近于1/√LC时，就发生谐振。发生谐振时会使电压或电流产生极端的变化。铁磁谐振是谐振的一个特例，往往发生在中性点不接地的电力系统中，谐振元件是系统的零序电容和接地的非线性电感(如Y接法的电压互感器)，在没有消谐措施的系统上系统电压产生扰动有可能会激发铁磁谐振，产生很高的零序过电压。铁磁谐振能量较小，在电压互感器二次侧安装消谐器就可以破坏谐振。由于在中性点接地系统中，母线上的电磁式电压互感器(简称PT)通常需要将中性点接地，在发生合空载、母线、单相接地或者系统负荷剧烈变化等情况时，PT励磁电感可能与系统对地电容形成参数匹配，从而引发铁磁谐振现象，造成系统电压和PT高压绕组中的过电流，严重影响系统的安全运行。因此，必须采取措施加以限制。

(1)PT一次侧中性点接地消谐电阻。

中性点串入的电阻能够起到消耗能量、阻尼和抑制铁磁谐振的作用。

(2)PT开口三角接阻尼电阻。

PT开口三角绕阻接入电阻可消耗谐振零序回路的能量，等效于在线圈的一次侧串接电阻。

(3)PT一次侧中性点接零序PT。

PT一次侧中性点接零序PT也称4PT接线法，即在原三相PT一次侧中性点与地之间接入零序PT。

(4)选用励磁特性好的PT，即励磁特性曲线的饱和度较高。

(5)采用特殊工艺使PT对外呈现容性。

(6)在电容电流较大的系统采用中性点经消弧线圈接地。

7 结语

根据风力发电系统的机理以及风力发电的原始能源，风能的不稳定性导致风力发电系统电源质量比较低，再结合对谐波产生的机理以及消谐的措施，认为在众多消谐措施中PT一次侧中性点接消谐器和选用励磁特性曲线饱和度较高的PT的方式是比较好的消谐方法。

PT一次侧中性点接消谐器消谐效果较好，但会有开口三角输出电压降低，影响接地装置灵敏性的问题；选用励磁特性曲线饱和度较高的PT，在发生谐振的过程中，能够起到较好的消谐作用，保护本体不被烧毁，但PT的做作成本较高；4PT接线方式在实际中有一定的运行经验，但在电容电流大的系统中不能较快的消除谐振。PT开口三角接阻尼电阻的方式投入费用较少，但是实际运用中消谐效果不理想。为了保护配电网安全运行，达到最理想的消谐效果，应根据配电网的具体情况，充分考虑各种消谐措施的特点，采用相应的消谐方法。如果有必要，可以在不稳定的配电系统中，综合使用消谐方式，来发挥它们各自的优势，相互弥补不足。

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Harmonic of the Wind Power and Its Suppression Measures

WANGWang-ping1,CHENGHang2

(1.Tianshui Great Wall Switcher Factory Company Co.LTD.，Gansu Tianshui 741000,China;2.Lanzhou Technology Institute Department of Electrical Engineering，Gansu Lanzhou 710050,China)

In neutral point grounding power distribution system,the electromagnetic voltage transformer(PT) excitation inductance of the nonlinear characteristic curve,can under certain conditions,the ferroresonance influence safe operation of the system.Based on the wind power generation system as an example,the generation mechanism of wind power generation system,the characteristics of wind power,the production and harm of harmonic and harmonic elimination measures are analyzed.Think in numerous harmonic elimination measures PT primary side neutral harmonic elimination device and choose excitation characteristic saturation higher electromagnetic voltage transformer(PT) is a good method for harmonic elimination.

wind power generation；ferroresonance；electromagnetic voltage transformer；harmonic elimination measures

1004-289X(2015)03-0099-03

TM45

B

2014-05-03