大规模风电接入电网谐波影响分析

朱茂章

（国家电投集团福建电力有限公司，福建 福州 350003）

0 引 言

随着人们环境保护意识的提升和可再生能源技术的不断进步，大规模风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，正在全球范围内迅速发展。大规模风电场的接入对电网结构和运行方式带来革命性变化的同时也引发了一系列的技术挑战和问题，如谐波问题[1]。谐波是电力系统中频率为基波频率整数倍的周期性波形成分，大规模风电场中的风力发电机系统和电力电子设备的非线性特性以及高频开关操作等因素可能导致谐波的产生与传播。谐波波形具有频率高、能量集中等特点，影响着电网和电力设备的正常稳定运行。因此，对大规模风电接入电网的谐波影响进行全面的分析和研究，对于确保电网的稳定运行、保障电力设备的安全运行以及提高风电场的发电效率具有重要意义。

1 大规模风电接入电网的谐波发生机理

1.1 大规模风电接入电网

大规模风电接入电网的核心是风力发电机系统，主要包括风轮、变速箱、发电机以及变频器等。

风轮是风力发电机系统的核心部件之一，其作用是将风能转化为机械能，一般由大型的叶片构成，通过叶片的旋转将风能转化为动能。

变速箱用于调整风轮旋转速度，使其适应不同风速条件下的工作要求。变速箱通常采用多级齿轮传动系统，通过改变齿轮传动比实现风轮转速与发电机转速的匹配。

发动机是将风轮转动产生的机械能转化为电能的关键装置[2]。风力发电机系统中常使用同步发电机，能够将机械能直接转化为交流电能。

变频器是将发电机输出的交流电通过整流器和逆变器转换为稳定的交流电，并且可以控制输出电压和频率，广泛应用于风力发电机系统，满足电网的个性化要求。

1.2 谐波发生机理

（1）风力发电机的非线性特性。风力发电机系统中的非线性元件在工作过程中会引入谐波波形，而谐波波形的非线性特性导致输出电流中含有频率为基波频率整数倍的谐波成分，并传播到电网。

（2）电力电子设备的开关操作。风力发电机系统中的电力电子设备都具有高频开关操作特性，这些开关操作会产生谐波电流和谐波电压，进而导致谐波问题的发生。

（3）电力系统的谐波源。除了风力发电机系统本身的谐波源，电力系统中其他的负载设备也可能成为谐波源，这些负载设备在工作过程中会引入谐波波形，进而影响整个电网系统的正常工作。

（4）电网结构和拓扑结构变化。大规模风电接入电网的接入方式和拓扑结构不同于传统电网，其接入风电场后，电网的特性和谐波传播路径均发生相应变化，这可能导致谐波波形在电网中的传播和积累。

2 谐波传播分析

大规模风电接入电网具有一些独特的结构特点，对谐波的传播路径具有重要影响。风电场通常由多个风力发电机组成，这些风力发电机分布在空旷的地理区域内。其分布特点导致电网的结构相对分散，不同风电场之间的电力输送路径较长。大规模风电接入电网中的风电场容量较大，通常以百兆瓦甚至千兆瓦级别进行计量，这种大容量风电场对电网的稳定性和谐波传播路径具有重要影响[3]。为了实现风电场的电力输送，大规模风电接入电网中会配置相应的输电线路和变压器，这些输电线路和变压器的阻抗特性和连接方式也会对谐波的传播路径产生影响。

知晓谐波在大规模风电接入电网中的传播特性对于理解谐波问题的产生和解决具有重要意义。电网中不同元件和设备对谐波具有不同的阻抗特性，例如输电线路、变压器以及电力电子设备等在不同谐波频率下的阻抗会有所变化，了解电网元件的谐波阻抗特性对于确定谐波的传播路径至关重要。

大规模风电接入电网中的谐波传输路径主要包括输电线路、变压器以及电力电子设备等，这些传输线路对谐波波形的传播和衰减起着重要作用。传输线路的特性主要包括线路的参数、接地方式等，这些因素会对谐波的传播产生影响。谐波在电网中传播时也可能会遇到分支点、连接点及突变点等，谐波波形在这些点上可能会发生相应的反射、折射或干涉，从而形成新的传播路径。谐波的传播距离和衰减特性取决于电网的结构特点、谐波频率以及谐波波形。一般情况下，谐波频率越高，其传播距离就越短，衰减越快。

3 谐波功率流计算方法

3.1 谐波源建模

谐波源建模是进行谐波功率流计算的基础。在大规模风电接入电网中，谐波源主要包括风力发电机系统、电力电子设备及其他非线性负载等。

3.1.1 风力发电机系统建模

风力发电机系统通常由风轮、变速箱、发电机以及变频器等组成。在进行风力发电机系统的建模时，可以考虑将其非线性特性和谐波产生机理表示为电流源或电压源，并充分考虑其谐波含量和频谱分布[4]。

3.1.2 电力电子设备建模

变频器和整流器等电力电子设备是风力发电机系统中的重要组成部分，也是谐波源的主要来源之一。在进行电力电子设备建模时，可以考虑其非线性开关特性和谐波波形传播特点，并将其表示为电流源或电压源，合理控制其谐波频率和幅值。

3.1.3 其他非线性负载建模

除了风力发电机系统和电力电子设备，大规模风电接入电网中还可能存在其他非线性负载，如电弧炉和变频空调等。在进行这些非线性负载的建模时，需要充分考虑其非线性特性和谐波产生机理，将其表示为电流源或电压源，并考虑其谐波含量和频谱分布。

3.2 网络参数提取

计算谐波功率流前需要获取电网的参数信息。在大规模风电接入电网中，网络参数主要包括电压、电流、阻抗以及导纳等。

3.2.1 测量数据提取

通过在电网中布置合适的测量设备，获取电网的实时电压和电流数据。这些测量数据可以用于提取电网的谐波分量和频谱信息，从而获取网络参数。

3.2.2 拓扑结构分析

电网的拓扑结构对谐波传播和功率流计算具有重要影响。通过对电网的拓扑结构进行分析，提取节点之间的连接关系和各支路参数，进而得到网络参数进行模型仿真。

3.2.3 模型仿真

利用电网仿真软件进行建模从而提取网络参数，通过建立电网的数学模型，并设置合适的参数和初始条件，进行仿真计算，得到电网的谐波分量和网络参数。

3.3 谐波功率流计算

谐波功率流计算是对大规模风电接入电网中谐波问题进行定量分析的关键步骤。

3.3.1 线性化功率流方法

线性化功率流方法是一种简化的谐波功率流计算方法，适用于谐波源较小的情况。通过列出线性化电网的节点方程，将谐波源的影响表示为复数注入功率，然后利用传统的功率流计算方法求解电网的谐波电压和电流[5]。

3.3.2 基于频域分析的方法

基于频域分析的方法是将电网的谐波问题转化为频域中的线性问题，通过对电网的频域响应进行分析，将谐波源的影响表示为传输矩阵或传输函数，利用频域仿真技术求解电网的谐波电压和电流。

3.3.3 迭代法和优化算法

针对大规模复杂的风电接入电网，可以采用迭代法和优化算法进行谐波功率流计算。基于节点方程和网络参数，通过迭代法或优化算法求解谐波功率流，逐步求出电网的谐波电压和电流。

4 案例分析及其解决方案和改进措施

4.1 案例分析

以某大规模风电接入电网为例展开讨论与研究。该地区近年来大力发展风能资源，引入了大量的风力发电机组，并将其接入现有的电网系统。随着风电装机容量的不断增加，谐波问题日益显现，其对电网的稳定性和运行安全带来了一定威胁。该大规模风电接入电网由多个风电场和输电线路组成，风电场内部采用变流器进行功率转换，并通过高压输电线路将风力发电的电能送往电网。此外，该地区还应用其他工业和商业用电负载，包括电力电子设备和电弧炉等非线性负载。

该风电场谐波源主要包括风力发电机系统和电力电子设备。风力发电机系统中的变频器和整流器会引入谐波，而电力电子设备中的变频空调和电弧炉等也是谐波的重要来源。通过对风力发电机系统和电力电子设备进行物理建模与频谱分析，发现主要的谐波频率为5次、7次及11次等，其幅值随风电场的负荷变化而波动。

通过在电网中布置测量设备，获取谐波的电压和电流实时数据，利用这些数据计算电网的阻抗和导纳，并进行拓扑结构分析。通过分析，发现该地区电网的一些节点存在电压畸变和电压降低等问题，主要由谐波引起，对电网的稳定运行构成威胁。

4.2 解决方案和改进措施

针对该地区电力场的谐波问题，提出了相应的解决方案和改进措施。

（1）安装谐波滤波器。在关键节点安装谐波滤波器，以降低谐波电压和电流，改善电网的电压质量。

（2）优化电力电子设备的设计和控制。改进风力发电机系统中的变频器和整流器的设计、控制策略，降低谐波的产生频率。

（3）改进电网结构。在电网规划和设计阶段充分考虑风电接入，合理调整电网的拓扑结构，以降低谐波传播的影响。

（4）实行谐波监测与管理。建立谐波监测与管理系统，实时监测电网的谐波状况，并及时采取措施进行谐波的管理和控制。

5 结 论

大规模风电接入电网的谐波问题是一个重要且复杂的问题。随着风电装机容量的不断增加，谐波对电网的稳定性和电压质量产生了极大的影响，其中风力发电机系统和电力电子设备是大规模风电接入电网中的主要谐波源。针对谐波问题，可以采取安装谐波滤波器、优化电力电子设备设计和控制以及改进电网结构等措施进行解决。通过合理建模、参数提取及谐波功率流计算，可以准确分析谐波问题，并采取相应的解决方案和改进措施，有助于保障电网的稳定性和可靠性，促进大规模风电的可持续发展。