风电机组整数次谐波幅值分析

风电机组的谐波无论在幅值和相位方面，与传统的相控整流器产生的谐波都有很大不同。前面推导得出的结论从相角来分析，相控整流中电路，三次谐波属于零序谐波不能通过无中线系统，而风电系统中三次谐波属于正序谐波，与基波一样能够通过各种变压器。例如最常见的三相六脉波整流电路电流波形，其傅里叶级数展开主要包含6n±1次谐波分量：

一般情况下，对于常见的相控整流类谐波源，从幅值方面来说，输出谐波电流与基波电流成正比，且n次谐波幅值不大于基波幅值的n分之一，传统的谐波分析方法也主要基于这种谐波源，常见的描述电流谐波的参数主要有以下几种。

（1）h次谐波电流含量：Ih

（2）h次谐波电流含有率：

（3）谐波电流含量：

（4）电流总畸变率：

对于传统的谐波源，若相控电路控制角不变，当设备工作电流变化时，通常谐波电流同比例变化，电流谐波含有率和电流畸变率的值较为稳定，最适合用来描述该设备的电能质量特性。而变速恒频风机的谐波，主要来自变流器的电网侧输出单元，谐波幅值较为稳定，谐波含量主要取决于变流器的控制和电网三相电压的平衡程度，不随输出电流和输出功率成比例增减，甚至在输出电流很小时，谐波电流反而增大。上述参数中Ih和IH的值较为稳定，适合用来描述变速恒频风机的谐波情况，HRIh和THDi对于同一台风机，随功率增大而减小，变化非常大，仅对I1取额定功率时计算才有意义。对于电压的评估，有同样类似的四项指标，由于电压基波幅值波动不大，描述电压谐波的上述指标都适用。

图8.3是对一台3.6 MW双馈风机在不同功率下的近3 000次采样实测数据分别进行谐波分析的结果。对该风机进行的48 h运行数据记录，在其中每分钟采集一个时间窗，计算出的2 880个数据点，按功率从30～3 000 kW顺序排列，采样点数据可近似为相应的功率值，可以近似看做风机功率-谐波电流含量分布图。风机采用双馈电机，额定电流700 A，额定电压3 kV，经3/35 kV变压器升压后并网，当前工作状态三相电压、三相电流不平衡度小于1%，因工作状态电压稳定、平衡度较好，功率因数接近于1，基波电流基波与有功功率成正比。

图8.3　3.6 MW风机谐波电流有效值　统计分布图

计算出总谐波含量IH分布图，如图8-3所示，横轴为总谐波电流，纵轴为采样出现频数。从图中可以看出，风机的谐波电流含量比较稳定，95%的数值分布在7.8～9.3 A，与平均值偏差在±10%。说明采样IH描述风机电流谐波数值较为稳定，可以找出其中变化的规律性，并建立统一的谐波模型。(www.xing528.com)

图8.4为谐波电流IH随风机输出功率变化的分布特性，纵轴为电流，横轴为有功功率，从图中可以看出，大多数功率段电流谐波幅值平稳，不随功率增大而成比例增减。输出总谐波电流仅在500 kW附近有增大接近1 A的峰值，主要由于3次谐波异常增大引起的，系统三相电压不平衡是造成3次风电机组谐波增大的主要原因之一。除了这个峰值点外，在风机输出功率很大，接近额定时谐波也有明显增大，由于系统电压平衡度很好，主要原因是电机磁饱和造成的定子电流谐波异常增大。其他各次谐波幅值基本稳定，这里不一一列举。

只要在风机工作过程中，变流器不调整开关频率，高次谐波（本风机为41～43次）电流幅值也与输出功率及基波电流基本无关。采用软件仿真得出的数据波形结果与实测数据分析结果相似，这里不再重复。

从图8.5可以看出，三相电流中幅值较大的各次谐波为3、5、7、11、13、16、17、41次等，提取并比较分析各次谐波含量与输出功率的关系可以看出，谐波电流幅值非常稳定，基本不随功率变化而变化。

图8.4　3.6 MW风机有功功率-谐波电流有效值分布图

图8.5　3.6 MW风机谐波电流有效值频谱图

除电网电压不平衡、变流器主回路及测量回路的三相参数差异，造成风机产生3次谐波外，发电机磁饱和同样是3次谐波的主要来源。实测3.6 MW/3 kV双馈风机的3次谐波电流状态，可以发现当风电机组输出功率在560 kW时，3次谐波含量最大，有效值接近5 A，是间谐波的特征谐波与3次谐波叠加造成的。三相3次谐波有效值差异较大，最大差值达到25%，且差值比较稳定属于系统误差，表明系统或变流器三相分布参数有较大差异。整体来看，由于3次谐波频率较低，在输出负功率时，受转子侧电流频率及幅值的影响较大。超过1 650 MW风机进入恒转速控制状态，变流器输出的转子转差功率不再增加，随着目标电磁转矩增大，转子侧励磁电流无功电流逐渐增加，3次谐波电流也逐渐增大。谐波电流幅值与基波电流和输出有功功率没有直接线性关系。

图8.6对各次谐波分布的离散性进行分析，采用箱式图进行统计，每个箱内为75%的采样数据，中间的线是平均值。从每个数据箱的长度可以看出各次谐波分布的离散情况。可以看出，除了3、5、7次谐波分布范围较大，其他各次谐波电流幅值的分布都非常集中。由于基波电流数值太大，影响对其他各次谐波的观测，在分析数据中删除了基波分量。

图8.6　3.6 MW风机2－23次谐波电流有效值分布图

由此可见，采用传统的谐波分析方法对风电机组的电流谐波含量评估，有很大差距。谐波电流含有率和电流总畸变率用于风电机组评估，只有对额定功率输出时计算才有意义，其他工作状态下，对同一台机组，数值差异都会非常大。而在整个工作过程中，各次谐波电流的幅值差距不大，直接用谐波电流含量Ih来描述风机机组谐波更为合理。若能找出一种方法来描述分布在数据箱外的离散点的分布规律，就可以建立完备的谐波模型，使风电谐波由随机信号变为有规律可循的确定信号。