摘要：本章分析风电场产生谐波的原因，并对国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》和IEC61400-21标准中风电场注入谐波的限值和评估方法等进行总结；然后对海上风电场的谐波治理方案进行总结，分别对无源滤波器、有源电力滤波器和LC滤波器组加STATCOM这三种谐波治理方案进行分析比较。
1风电机组的谐波问题
对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电流的真正来源是风电机组中采用的电力电子元件。对于定速风电机组来说，在连续运行过程中没有电力电子器件参与，因而也基本没有谐波产生；当机组进行投入操作时，软并网装置处于工作状态，将产生谐波电流，但由于投入的过程较短，这时的谐波注入可以忽略。变速风电机组则采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风力发电机组的交直交变频器采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电；双馈式异步风力发电机组定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只滑环引出接至一台双向功率变换器，电网侧同样采用PWM逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率；转子绕组端口电功率的流向则取决于转差率。不论是哪种变速风电机组，并网后变流器将始终处于工作状态。因此，变速风电机组的谐波注入问题需要考虑。对风力发电机组产生的谐波需要采用实测的方式来确定。
2风电场向电网注入谐波的相关标准
2.1GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》中注入谐波限值与多个谐波源叠加计算方法。
1）注入电网的谐波电流限值
国标GB14549-93《电能质量公用电网谐波》中规定的公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过相关公共连接点的谐波电流中规定的允许值。
当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，谐波电流允许值的换算为：
(2.1)
式中，
为公共连接点的最小短路容量，MVA；
为基准短路容量，MVA；
为第h次谐波电流允许值，A。
2）多个谐波源的叠加
国标GB/T14549-93中给出了两个谐波源的同次谐波电流在同一相上叠加，当相位角已知时按下式计算：
(2.2)
式中，
为谐波源1的第h次谐波电流，A；
为谐波源2的第h次谐波电流，A；
为谐波源1和谐波源2的第h次谐波电流之间的相位角。
当相位角不确定时按下式计算：
(2.3)
式中，
系数按表1选取。
表1式2.3中系数
的值
两个以上同次谐波电流叠加时，首先将两个谐波电流叠加，然后再与第三个谐波电流相叠加，以此类推。
2.2 IEC61400-21《并网风电机组电能质量测试和评估》标准中风电场谐波注入计算方法与评估
该标准提出了风力发电谐波相关的检测与评估方法。
1）风力发电机组谐波的检测
IEC61400-21标准中规定，只考虑采用变换器的并网型风力发电机组的谐波问题。在连续运行过程中输出的各次电流谐波分量，必须测量到基波频率的50倍（即直到第50次谐波），并且必须确定出最大谐波电流畸变率THD。其中，各次谐波电流分量应基于10min的观察给出，并且为这10min内各次谐波电流分量的最大值。
2）多台风力发电机组谐波电流的合成
IEC61400-21根据IEC61000-3-6给出的由于负荷引起的谐波电流畸变的总和的计算方法，给出了连接在公共连接点上的多台风力发电机组引起的谐波电流的计算公式如下。
(2.4)
式中，
为连接到公共连接点上的风力发电机组的数目；
为公共连接点上的h阶谐波电流畸变；
为第i个风力发电机组变压器的变比；
为第i个风力发电机组h次谐波电流畸变；
为表2中给出的指数。
表2 IEC61000-3-6中指数的规定
式中，
为连接到公共连接点上的风力发电机组的数目；
为公共连接点上的h阶谐波电流畸变；
为第i个风力发电机组变压器的变比；
为第i个风力发电机组h次谐波电流畸变；
为表4中给出的指数。
3含风电场的电网谐波治理方法
电力系统谐波治理措施主要有三种：受端治理、主动治理、被动治理。在受端治理中，可采用改善供电环境、选择合理供电方式、利用变压器抑制谐波产生等措施；在主动治理中，可采用增加整流装置脉动数、脉宽调制PWM技术等措施。以下重点介绍被动治理的措施。
3.1采用无源滤波器PPF
PPF由电力电容器、电抗器和电阻器三大部分组成。它并联于充电站负荷，除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要。在设计中需考虑以下几点：确定投资最小；使注入系统的谐波减小到国标允许的水平；进行基波无功补偿，并避免产生过补偿。并联型PPF的电容、电感、电阻参数选择原理如下：
（1）电容器参数
的确定
滤波器的投资同滤波器的安装容量密切相关，滤波器安装容量越小，则滤波器投资越少。当
时，在第
次谐波频率发生调谐。因此，最小电容器安装容量所对应的电容量为
。式中，
--第
次谐波电流，
--电容器两端电压，
--
次谐振角频率，
--基波频率（即50HZ）。
（2）滤波支路电阻
的确定
电阻值同滤波器的最佳品质因数Q密切相关，关系如下式：
。根据工程长期经验，得出Q值可按30计算。
（3）电感器参数
的确定
考虑到系统谐波阻抗影响后单调谐滤波器并不是工作在全谐振状态时最合理。因此，滤波器中电感值应采用偏谐振值，即
。式中，
--电感偏谐振率，一般取0.015。
3.2采用有源电力滤波器APF
并联型APF由指令电流运算电路和补偿电流发生器两大部分组成。其中指令电流运算的方法采用基于瞬时无功功率理论的
运算方式，电流跟踪控制策略采用滞环比较法。此种方法具有响应速度快、实现动态连续实时补偿的特点。
3.3采用LC滤波器组加STATCOM
无功变动引起的电压波动和电力电子变换元器件引起的谐波污染是海上风电场的主要电能质量问题。因此考虑采取LC滤波器组加STATCOM的动态调节方式对其进行治理。
由STATCOM补偿原理可知，如果要实现容性无功补偿，装置输出的电压需要大于系统电压；如果要实现感性无功补偿，装置输出电压低于系统电压。从降低装置的容量及成本的角度考虑，STATCOM的容性无功补偿能力是有限的。因此可考虑用固定滤波器组实现大部分的容性补偿，而STATCOM则主要用于动态感性补偿，二者配合可达到动态调节风电场无功的目标。
4结论
本章分析了风力发电机组的谐波起因。定速风电机组连续运行过程中，谐波基本可以忽略；变速机组运行过程中有大功率电力电子设备参与，向电网有高次谐波注入。最后对海上风电场的谐波治理方案进行总结，分别对无源滤波器、有源电力滤波器和LC滤波器组加STATCOM这三种谐波治理方案进行详细说明。
论文作者:谭江平1,阳熹2,杨源2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第14期
论文发表时间:2019/11/12
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