风电场谐波和闪变的处理方法

谐波问题是风电系统的一个难题，风机本身的电力电子装置在工作时能够产生谐波。风电场谐波的检测一般依据IEC61000-4-7、IEC 61400-21：2008和GB/T 20320-2006标准。有大量文献对风电机组的谐波和闪变情况进行了研究，包括在理论上对风力发电机和风电场的各次谐波、间谐波和闪变的类型，产生原因及基于实测数据的检测评估方法等。

按照IEC标准对谐波和间谐波的测量要求，被测电信号可以表示为如下的傅里叶级数形式：

其中，ω0＝2πf0是电网基波电压的角频率，An是相应谐波频率分量的幅值，N是进行傅里叶分析的数据窗口时间相当于基波周期的个数，φn是该谐波分量的初始相位角。A0是该电信号的直流分量。对于50 Hz的电网，标准规定每个采用时间窗口的长度为200 ms，即N＝10，相应的傅里叶级数的频率分辨率为5 Hz，即包含所有频率为5 Hz整数倍的频率。

当前的研究主要集中于谐波和间谐波检测方法，细化谐波和间谐波的测量环境和衡量指标，一般情况是把信号与信息系统分析中对确定信号和随机信号的处理方法扩展到电力系统的谐波、闪变等方法的分析和诊断中。研究风电机组的谐波和闪变，需要针对风电机组和风电场的特殊性，对其产生的谐波、闪变进行分类，再根据各个类型的特点，分别进行分析。

大多数的电能质量分析过程中，把谐波和闪变分别独立研究，两者在对电网及电力用户的影响上有一定区别，相应的关注点也各有侧重，由此产生的分析方法也有很大差异，但理论和测量方面有很多共性，通常是采用同一套仪器完成谐波和闪变的测量。要求数据的差别是谐波分析需要高频（至少20 kHz以上）短时（200 ms）的数据段，闪变对数据的采样频率要求2 kHz即可，采样时间则要10 min。闪变从幅值的角度看到的影响是50 Hz正弦波信号幅值波动，类似于调幅波。从频率的角度来说，闪变是一种低频的调幅信号，频率通常低于间谐波标准要求计算从0.5 Hz到40 Hz中7个给定的频率点，频率范围正好与间谐波频点的下限相接，闪变在概念上容易与低频间谐波混淆，实际两者有一定联系，但也有着本质的区别。(www.xing528.com)

由于风速的随机变化引起转子的旋转速度随时间变化，相应地引起励磁电流的频率变化，这使得各次谐波和间谐波的频率随转子速度而变化。风机转速的周期性波动最主要来自叶轮旋转一周过程中的风速差异，由于大型风电机组的风轮直径超过100 m，相应叶片运行轨迹的最高点和最低点相差100 m，风速也有很大差距，尤其是叶片通过最低点时，会扫过塔筒形成风速涡流的塔筒效应，此时整个叶轮的风动力扭矩最小，叶片通过最高点时扭矩最大，产生相应的扭矩波动，网侧变流器需要不断调整励磁电流，形成阻尼来减小轴系的扭振。

随着风电机组单机容量的不断增大，机组对电力系统电能质量的影响日益明显。对于小功率机风电机组，各机组所产生的谐波和间谐波由于相位的偏差大部分都相互抵消，对系统造成的影响相对较小。当单机容量达到5 MW以上时，机组的间谐波会对系统和其他机组的运行造成影响。风电机组的谐波类型按频率范围分为三类，第一类是由变流器电力电子元件的开关频率产生的高次谐波，频率为5 kHz及其倍频10 kHz，超大功率变流器的也有采用较低的开关频率3 kHz及6 kHz。第二类为电力系统常见的5、7、11、13、17、19、23等次特征谐波。第三类为频率低于基波频率的间谐波及介于整数次谐波之间，频率为非整数倍基波频率的分量。随着风电机组单机容量的增大，含有大容量电力电子装置的变速风力发电机组已成为不可忽视的间谐波源。间谐波问题当前的研究集中于间谐波的信号检测，对于风电机组间谐波产生的机理，及特征频率等问题还缺少深入的分析。2010年西北百万千瓦级风电并网后，对电能质量情况的研究结论表明，直驱、双馈机型为主的风电场，并网发电的闪变值小于标准规定的闪变限值，但部分机型的电流谐波不符合国标规定，在并网、切换和风速波动时定桨恒速型风机会给电网带来一定的闪变问题。虽然风力发电机组大多采用软并网方式，但在启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，整个风电场的风机会从额定出力状态几乎同时自动退出运行，对电网冲击很大。风机的塔影效应及风速的变化都会影响风机出力，造成功率波动。其波动频率处于电压闪变的频率范围（低于25 Hz），因此，风机正常运行也会因功率波动给电网带来闪变问题。

此外，风电场风机的排布即风电场微观选址对风电场电能质量也会产生一定影响，每台风力发电机的瞬时输出功率主要决定于该时段的瞬时风速和风向，单台风机在风速波动或紊流状态下很难获得稳定或变化平滑的输出功率，功率往往有大幅快速波动。这种功率波动通常会对电网的电压和频率稳定性带来一定影响。整个风电场通常有几十台风电机组，这种功率波动叠加起来可能造成的影响不容忽视。机组间的功率波动叠加可能会有两种结果，增强或者相互抵消，分析这种波动对整个风电场功率稳定性的影响，结合每台风机的安装位置，对50 Hz以下的各种频率的功率波动做出频率-相位分析，在该风电场最常见的特征风速波动下，通过对各台风机的功率波动进行分析，结合风机的尾流效应，得出整个风电场的功率波动情况。以整个风电场功率波动最小为优化目标，结合最大功率获取，给出风机排布方案。