摘要：本文讨论了一个50MW风场谐波问题及解决方法的方案。首先分析了谐波现象和谐波标准，列举了风机的谐波源，分析了风机滤波电路的等效数学模型，引申出各种解决方案。采用LC滤波（LCL滤波），在特定次谐波较大的场合，可以选择调整参数；在谐波分布比较均匀的场合，可以选择LRC滤波。该方法对风电场的谐波治理有借鉴意义，对风场的在设计阶段，系统中设备的参数选型有实际参考意义。
关键词：谐波；滤波；谐波治理
0引言
目前，单台风力发电机功率越来越大，陆地上主流风机在1.5MW-3MW之间，风电厂一般大于5MW，对局部电网的影响比例越来越大，谐波引起的电能质量问题，越来越频繁，需要更多的关注。
一方面，风场存在多种多样谐波源，双馈电机定子谐波，变流器转子侧耦合到定子侧谐波，变流器网侧谐波，风机辅助设备也有少量谐波电流，另一方面，风场电网中的设备，可等效为电感，电阻和电容，必然存在多个谐振点。一般由10台风机组成一个35KV的线路。单台风机的等效LCL滤波电路，有可能与外部的谐波源，产生谐振。基于以上事实，本文总结了一个典型双馈风机的风场谐波问题，问题解决方案有助于解决类似风电场谐波问题。
1 风场谐波现象与初步分析
江西某风场，共计25台2MW双馈风机，设备完成吊装调试，试运行期间，值班人员发现，升压站35KV/110V变压器有时会出现噪音，人耳清晰听到的噪音，观察发现噪音在特定的功率时段出现。变压器厂家检查后排除本身的质量问题。从变压器的角度分析，特定次谐波可以引起变压器铁芯震动，发出人耳可闻噪音。测定声音频率约为26倍频（1.3KHZ附近）。在风机满发和轻载情况下，没有噪音。检测风机发电机端口的电能质量，发现电压和电流的特定次谐波含量过大，尤其是在特定转速段，特定的功率段。
25台风机配置了两个厂家的变流器，不同厂家的发电机配置的滤波器参数不同。其中一个厂商，为了避免谐波震荡，采用去掉滤波电容，单纯采用电感滤波的方式。这种方案，虽然避免了特定频率谐波谐振超标，但是，每台风机注入到电网的各次谐波值都没有衰减，整个风场注入到系统的谐波会比较高。另一个厂商采用变频器内部滤波器采用LC方案，与变压器漏感构成LCL电路。但是，变压器漏感受短路百分比的限制，电感值比较小，LCL的固有频率，有可能与外部谐波频率接近。
国标对1-26次谐波电流有要求，更高的频次谐波电流，一般要求考核总量。一般按国标GB∕T14549-1993电能质量公用电网谐波要求执行。具体执行过程中，受容量和电压水平限制。如果按容量均分，电流的THD必须小于4%，各次谐波必须要小于下表。
2谐波源分析
双馈风力发电系统中谐波源主要有变流器，发电机等设备。谐波频率分布广泛，从3，5，7次谐波到几千赫兹频率的，数万赫兹频率的谐波。主要谐波源，包括双馈电机的齿谐波，变流器网侧谐波，变流器机侧耦合到定子侧的谐波。风机的一些辅助设备，非线性负载会产生一些谐波，所占比例很小，可以忽略不急。
双馈发电机由于制造工艺限制，会产生齿谐波。谐波分布，与齿槽数和电机转速（磁场旋转速度）密切相关。公式如下：
（1）
式中，S为电机定子开槽数，Np为极对数，s为转差率，f1是电网频率。
谐波电动势计算公式：E=4.44NkwvfvΦ1
图1齿槽数为30，转差率不同时的谐波次数曲线
由上可知，齿槽越少，转速越低，则齿谐波频率越低。因此，当双馈电机齿槽较少，需要考虑因齿槽引起的齿谐波。定子齿槽数36，滑差0.3，则产生的谐波频率为24、26；额定转速下的齿谐波频率为35、37。
变流器产生的谐波，与变流器的软件、硬件配置有关，例如滤波器的参数，PWM死区，开关频率，PI环控制参数都会产生影响。
3系统等效电路
对线路，变压器，发电机和变流器建模，系统原理图如下，进一步得到等效电路。
图2单个风机的电气系统原理图
图3典型的2MW双馈风机及其参数
L1电感阻抗3mohm，C2滤波电容55.7*3uF，R2阻尼电阻60mΩ，L3电感未装设，R4变压器损耗（690V/110kV）6.5mΩ，L4变压器等效漏感40mH，L5电网系统等效电感3mH。
经过理论分析知道谐波有可能放大震荡的，已经运行的风场，谐波源难以改变，改进滤波器参数容易实施，比如，增加阻尼，改变电容或电感的参数。
上述电路简化为二端口电路，含有4个参数L1，R2，C2，L3。
图4简化成二端口等效电路
典型LCL电路二端口的输入阻抗：
输入阻抗谐振点
，
输出阻抗串联谐振点
，
由于电路存在串联和并联谐振点，当某次谐波靠近电路的谐振点时，谐波会被放大，甚至引起震荡。滤波电路参数设计，必须考虑谐波源的分布特点。
4.滤波电路调整方案比较
为了避免谐波电路放大甚至震荡，可以对滤波电路进行调整，可选择方案L方案，LC方案和LCR方案。
L方案去掉电容，单纯采用电感滤波的方案，
图5去掉电容后的L等效电路
风机等效电路里面没有电容元件，因此不存在谐振点，完全避免了震荡问题。仅依靠电感抑制谐波，谐波电流幅值衰减与电感大小值成比例，但是，有更多的高次谐波注入电网。另外，由于双馈风机等效的内阻抗较大，引起电网电压的畸变，电网电压畸变超出范围时，应尽量避免使用。
（2）LC方案，不管如何调整参数，谐振点都存在，端口阻抗特性如图所示：
LC方案，电感和电容参数根据谐波源进行调整，使谐振频率远离谐波源。适合外部电网波较少的情况，或者外部电网谐波分布集中的情况。
（3）LCR方案，增加电阻可以使谐振频率分量衰减，LCR滤波方案，能够较好的适应电网电压谐波含量较大的环境。由于谐波分布均匀，采用陷波器不可行。采用更改谐振点，存在不确定性，因此，采用阻尼滤波器较为合适。加入阻尼后，单个风机的等效电气原理图
图6加入阻尼电阻后二端口等效电路
如果，L1=350uH，L1=43uH，R=0，计算得到w1=380，w2=1084Hz。如果变压器的漏感参数为32uH，w=1.2kHz，两端的输入阻抗BOD图如下：
图7加阻尼前的波特图
图8加阻尼后波特图
4各个方案对比后总结如下：
表1三种滤波器方案谐波测试数据
对单台风机进行改造，风场中其它风机部分采用LC方案，部分采用L方案。采用3hz60mOHM阻尼电阻，在风机并网前，电网电压谐波7.2%，虽然背景压谐波较大，LRC滤波方案仍能取得较好的滤波效果。数据如下：
表2 各个功率点测量的谐波值
5结论
谐波超标引起的变压器噪音，应该通过消除或减弱谐波的方法解决。已建成的风电场，可依靠改变滤波器电路参数，以较小代价的解决谐波问题。目前市场变流器产品，一般配置为LC或LCL方案。LC方案，靠近谐振点的个别次谐波容易超标，这种方案在电网背景谐波分布集中，或者说与电路谐振频率可以避开的情况下，效果较好。单纯电感L方案滤波，应尽量避免使用，虽然电流THD能满足要求，电压THD往往不能满足要求。LCR滤波方案，能够较好的适应电网电压谐波含量较大的环境，缺点是有一定的功率损失。对于已经投运的谐波较大的风场，该方案是LC或LCL方案的补救方案。
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作者简介：
周德超 中广核新能源投资（深圳）有限公司江西分公司安质部经理，工程师.
汤建方.中广核新能源投资（深圳）有限公司江西分公司总经理，高级工程师.
论文作者:周德超,汤建方
论文发表刊物:《电力设备》2018年第3期
论文发表时间:2018/6/25
标签：谐波论文; 风机论文; 方案论文; 谐振论文; 变流器论文; 电网论文; 电感论文; 《电力设备》2018年第3期论文;