风电机组谐波分类及其模型

目前，针对风机机组的各个主要系统都有了比较完善的模型，如风机的叶轮气动模型、传动链机械模型、发电机与变流器的电气模型、控制模型等，对风机的工作参数特性也有相应的数学关系式或数学模型，如风速-功率特性、转速转矩特性、有功和频率特性、无功和电压特性等相应的数学模型。对于风电机组和风电场谐波和闪变的研究相对要少一些，目前还没有文献提出风电机组和风电场的谐波和闪变模型。

现在通常对风电场谐波的测量和分析都是参照相应的国际标准IEC61400-21并网型风电机组电能质量特性的测量和评估。但目前所有基于IEC标准的研究文献，还只是对风机谐波和闪变等相关数据的检测，和统计方法的应用与改进及限定值的修正，目前没有建立统一模型的主要原因是无法解释风机峰值谐波变化分布的随机性问题。

风电机组谐波可以按照频率分为高次谐波和低次谐波，高次谐波通常在50次左右或更高，产生的原因和频率点分布与电网基波频率关系不大。低次谐波与电网频率关系密切，相对于电网基波的倍频关系，又分为整数次谐波和分数谐波（或间谐波），整数次谐波又可以分为偶次谐波和奇次谐波，正常情况下，风机变流系统和发电机的输出电流波形正负半波通常有良好的对称性，偶次谐波通常很少出现，除非风机变流系统出现故障或电网出现谐振情况，否则偶次谐波幅值通常很小，风电现场实际测量情况与理论分析相同。奇次谐波中由于对于风机这类三相对称型负荷，变流器和电气系统的其他部分基本上都是无中线系统，零线的作用仅做EMC屏蔽保护，几乎所有的滤波器、功率因数补偿器等装置都是三角形联接，变压器高压侧和风电场补偿装置也都有三角形联接。按照传统的谐波理论，在电网三相电压平衡的系统中，所有的零序三次谐波相角一致，这些三角形连接的装置对于零序3n次谐波相当于开路，从而消除了零序3n次谐波，不会对电网造成任何影响。剩下的主要是5、7、11、13，…，49、51次等6n±1次谐波。下面就这些谐波特点及其产生原因进行简要分析。

1.高次谐波

风机的高次谐波的产生主要有两个原因，一是由于变流器开关元件的PWM开关频率而产生的开关脉冲谐波。通常MW级变流器IGBT大多数采用2.5 kHz的开关频率，实际工作过程中可能有一定偏差。这种谐波在电能质量分析仪器或用存储示波器记录后，在时域波形上可以看到叠加在正弦波上的毛刺，FFT分析后反映出来的频率，通常主要在2.5 kHz附近，即47、49、51、53次等。还有其倍频5 kHz、7.5 kHz和10 kHz附近等。二是风机系统中的高频滤波器，通常调谐在变流器开关频率附近，也可能与系统线路电抗发生稳态的串联谐振，谐振频率在1～2 kHz，具体频点取决于滤波电容与线路电抗的数值，是否产生这种谐波及其幅值决定于和滤波电容串联的电阻值，电阻值小容易谐振，阻值大开关高频滤波效果弱、功耗增加。由于风电场系统无功调节的变化，引起系统阻抗特性不确定，这种谐振对各类并网型变流器都难以避免。

2.整数次谐波(www.xing528.com)

风电机组的变流器与其他各种类型的并网型逆变器，其电网侧变流器都是采用PWM整流器的设计原理，硬件拓扑结构和基本控制算法都非常相近，通常都是以直流母线实测电压与参考电压的差值形成有功目标，结合风电场调度及主控系统给出的无功目标，进行有功无功解耦，得出目标电流幅值和相位，形成标准正弦波的电流目标波形。系统给定的变流器输出电流虽然是标准正弦波参考电流作为其控制模板，但由于电流采样及控制电路计算的延时，IGBT的开关死区影响，造成实际输出波形发生畸变。在过零点处输出电流波形与控制目标差别不大，但在峰值附件相对于目标的正弦波不可避免的产生波形发生扭曲滞后，造成波形不规范，发生变形而产生的谐波，集中在5～43次，由此原因产生的高次谐波幅值非常小，通常5、7、11、13次谐波幅值较大，表8.1给出了IEC标准中对风机各次谐波限值的要求。

表8.1　IEC61400-21所规定的风电谐波限值

3.间谐波

当单台风机功率很大或整个风电场风机台数很少时，间谐波与整数次谐波具有同样的危害性，必须考虑间谐波影响。标准要求从75 Hz到1 975 Hz每50 Hz一个观测点。但由于测点固定，而间谐波频率分布不一定在测点上，这种定频检测方法本身就存在较大误差，要实现精确测量，必须采用小波分析等可变基频的分析方法。

传统的间谐波研究都是基于传统的固定频率谐波的思路，虽然理论上都清楚风电机组间谐波主要是由转子相关的频率与电网频率共同作用的结果，频率不固定，但由于检测设备和分析手段不足，无法正确测量计算出其幅值。认为其幅值和影响很小，可以忽略不计。实际变速恒频风机的有些可变频率谐波有时会是该风机所有特征谐波中幅值最大的。目前还没有文献提出可变频率谐波的概念，忽略了可变频率谐波，就无法解释风机特征谐波峰值的变化原因，也就无法建立风机的谐波模型。