云和黄源风场电网谐波问题与改进处置方案分析林建平

云和黄源风场电网谐波问题与改进处置方案分析林建平

林建平刘彬

（华能浙江新能源分公司云和风力发电有限公司310013）

摘要：伴随社会经济发展速度的加快和人们日常生产生活中对电力能源需求量的增加，电网系统在现代社会的地位也在不断提高，这使得社会各界人士对电网运行可靠性和相关问题的关注度也在逐年提升。电网谐波问题作为影响电网系统运行安全性和可靠性的关键因素，本文特以云和黄源风场为例，通过对其电网谐波问题的简单分析，从而就相应的改进和处置方案展开研究，以期可以为保障该风场电网系统的安全稳定运行奠定良好的基础。

关键词：风场电网；谐波问题；改进；处置

云和黄源风场本身属于双馈机组，该风场的电网系统是从2015年5月27号，正式开始进行调试。截止到目前，该风场中已经由23台机组成功完成并网工作。现阶段，影响该风场正常运行的一个主要原因为：外界大功率负载在夜间的投入，会瞬间增加电网的背景谐波，导致变流器中滤波电容的滤波电流增大，系统自发做出保护动作，引发脱网停机，影响整个风场电网的正常运行，降低电网运行的稳定性与安全性。

一.电网谐波问题

（一）电网背景谐波较大

我方人员在使用电能质量测试仪，对风场690V电网的电能质量进行现场分析后发现：云和风场电网系统中部门参数指标存在严重超标的现象，电压谐波THD更是严重超标，已经对电能质量带来了巨大的负面影响。我方人员在对电网谐波数据进行分析之后发现，谐波超标现象主要存在于每晚的10点到第二天早8点。通过现场实际调查后发现，距云和风场较近的位置有一家冶炼厂，厂内有大量功率较大的电子电力设备，且这些设备一般都会在夜间工作，也就是导致风场出现谐波超标问题的一项重要因素。与此同时，在7月初，阳光厂家的工作人员再一次来到云和风场，对现场的升压站中400V和110KV电网电压的谐波情况进行了检测，测试结果显示，在第23和25次时，电网的电压谐波相对较大，已经明显超过了我国《GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波》规范中，有关电网背景谐波标准的限制要求。通过对现场环境的调查分析后了解，因为云和风场附近炼铝厂等高能耗企业数量相对较多，这些厂区白天一般不工作，主要是在进入夜晚后，陆续投入工作状态，导致电网夜间会因此受到较大的污染，电网质量也因此大幅度下降。笔者利用电压检测设备，对风场白天和夜间电网电能质量进行实时检测，发现电网在夜间包含的高次谐波含量相对较多，特别是23和25次谐波的含量。通常情况下，夜间电网的电压平均谐波已经达到了5%左右，瞬时最大谐波更是高达11%，已经远远超出了相关规范对电网背景谐波的限定要求。

（二）变流器网侧滤波器的影响

风能变流器网侧滤波器一般采用LC滤波器，即采用电抗器+电容器组合而成（见下图），用于滤除变流器运行时产生的高次电压、电流谐波，以满足并网谐波符合国家标准的相关要求。由电容特性Xc=1/WC可知，电容的容抗随着频率的增加而减小，利用这一特性，电容可以有效的滤除变流器产生的高次电压谐波，但如果电网中含有较大的高次谐波电压时，会产生较大的谐波电流流入滤波电容，如果电流值超过电容的承受能力，则会导致变流器内部的滤波电容过流损坏，同时，也会引起变流器并网的谐波电流增大，导致变流器并网电流谐波超标。

二、谐波问题的改进处置方案

（一）降低电网背景谐波

通过上述分析研究可以发现，致使云和风场在运行期间出现谐波问题的主要原因之一，就是电网系统背景谐波过大，致使高频电压谐波需要通过变流器中的滤波电容完成滤波工作，导致变流器中的滤波电容和电网间形成高频振荡，致使电容电流在瞬时间出现超标的情况。因为电网系统内谐波频率较高，且电网系统本身在短时间内无法对其进行有效的处理，人们一般都会通过增加滤波回路阻尼这种被动手段，来达到抑制电网电压对于滤波回路产生的高频电流，保证滤波电容电流可以在风场电网能够承受的工作范围之内。具体来讲：减少风场电网中一只交流滤波电容，在滤波回路电容中增添0.1mh电感。为了保证滤波电容电流可以被有效抑制，变流器能够正常工作。在借助串入阻尼电感抑制高频谐波电流，避免电容大的谐波电流出现时，需要以现场检测的并网波形电能质量为根据，对不同的方案进行比较，折中选择适合的参数数据，以此来防止滤波电容对变流器中，IGBT开关器件开关频率处谐波的抑制能力被降低。

（二）减少组网侧滤波电容

通过对云和风场现场运行环境的调查分析了解到，因为附近高能耗企业数量较多，且都是夜间工作状态，导致其对电网系统污染力较大，电能质量也因此降低，是造成变流器故障停机的关键问题。由于云和风场的电网条件在短时间内无法被改善，所以，相关人员可以通过减少一只组网侧滤波电容，在滤波回路中增加0.1mh电感的方式来处理。但根据现场调查数据结果的反馈我们可以了解到：一是当风场在近期产生小风停机问题时，交流器检测功率会在零功率位置出现小幅度波动，致使人们无法根据主控停机时，判断功率的条件了解电网运行情况，引发停机超时等故障问题。二是当风机在待机状态中出现反转时，变流器需要取发电机转速的绝对值，并对取值结果进行处理，而后上传给主控制室，方便主控制室判断相关逻辑。

为了解决停机超时故障，满足主控工作的最新要求，我们组织相关人员，以现场反馈的信息数据为依据，初步认定导致停机超时故障的原因为：当零转矩附近的并网电流相对较小时，受基波电流小、电压存在一定谐波的影响，致使检测功率出现波动，检测结果产生偏差[2]。因此，相关人员应当优化低功率段电流的滤波系数，以此来保证功率检测过程的稳定性与结果的准确性。此外，云和风场负责人可以向上级部门申请，升级现场软件，减少小风停机时，停机超时故障的出现，并满足主控对于电机反转工作的各项要求，最大限度的配合主控提出的最新逻辑要求，使机组的整体运行效率得到提升。

（三）风能变流器网滤波器的改造方案

前面已经提到，在夜间，风场的电网电压23次、25次谐波电压含有量超标，从实际的测试数据看，在夜间，电网电压中含有的23次谐波含量明显增大，最大值达到11%，这就超出了GB/T14549-1993标准的奇次谐波小于4%的要求。通过现场测试和仿真分析，确定了变流器脱网故障是因电网电压谐波严重超标引起的，所以出于对变流器及风电机组安全稳定运行的考虑，最好的解决方案是对电网谐波进行治理。但在电网短期内无法治理的情况下，只能采用被动措施，在变流器的网侧滤波电路中增加阻尼，以提高变流器对电网的适应能力。改造原理图如下：在滤波电容C的电路中，串入滤波电抗器L1，增大滤波电路阻抗，在一定的电网谐波含量下，使变流器不会出现因滤波电容过流而保护，但改造也会带来并网电能质量的问题，因为滤波电路阻抗增大，滤波器的滤波能力被降低。因此，依据电网23次谐波的特性，选取L1参数为100uH，同时在原设计上，拆除1只滤波电容，以改变滤波电容参数[3]。

总结：总而言之，应2015年6月16号三方会议中纪要的要求，云和黄源风场要想提升自身的电能供应质量，就必须从治理电网谐波问题入手，通过积极的制定相关器件和工业装备的改造方案，借助增强变流器对于电网系统的适应性等，确保该风场可以很好的适应此种背景谐波下的电网环境。此外，负责人还应当要找寻电网系统出现谐波问题的原因，通过治理电网系统的背景谐波问题，从业主方和风场整体机能统筹考虑，在保证各个机组能够维持长时间安全可靠运行的基础上，改变电网系统的适应性，保证电能供应质量可以得到有效的提升。

参考文献

[1]王海明，韩肖清，秦文萍，等.风电场谐波分析及治理方案研究[J].电气应用，2015，34(11):104-109.[2017-09-20].

[2]杜旭浩，魏力强，马天祥，孙翠英.风电场并网电能质量分析与评估[J].电气应用，2016，35(13):42-46.[2017-09-20].

[3]巢睿祺.风力发电并网中的谐波检测与综合治理研究[D].上海交通大学，2014.