验证风机电能质量：1.25MW和2MW风机谐波检测数据分析

前面的模型辨识中需要大量的实时数据来进行分析，但这些实时数据往往很难得到，风机的电能质量检测报告通常提供两种谐波统计数据表，一个是各整数次谐波的峰值数据及其对应的功率值，另一个是风机间谐波最大电流值及其对应功率表。这些数据对于用户是开放的，可以分别利用这两组数据来建立初步的谐波模型。

下面用1.25 MW和2 MW风机的谐波检测报告数据来对谐波模型进行验证。表8.10为1.25 MW的谐波报告数据。

表8.10　1.25 MW双馈风机谐波-最大电流值-对应功率表

续　表

表8-10为风机生产厂家公布的风机电能质量测试报告中间谐波测试结果中75 Hz到412.5 Hz的间谐波检测数据。直接从数据表很难看出其中隐藏的规律性，把数据表扩充到全部的功率和频率区域，其中的空白区域数据都填0后生成三维图8.18。

图8.18　1.25 MW风机功率-间谐波电流有效值三维分布图

图8.19　1.25 MW风机功率-间谐波电流有效值平面分布图

把图8.18平面化变为图8.19，从图8.19中可以清楚的看出间谐波峰值分布的规律性。有两组平行线，每组有两条，相距100 Hz，同组平行线幅值非常接近。从以上数据中提取出相应的两条谱线数据，分别为平行谱线1A和1B，代入特征间谐波频率公式6k（f0＋fr）±f0，k＝1，2，3，…，可计算出k＝1。

由此可以得出相应的转子电流频率及转速，见表8.11。

表8.11　特征谐波频谱-功率表

续　表

表中加黑数据为计算数据，其余为原始数据。根据该风机技术资料数据，发电机转速范围：700～1 300 r/min，与计算值相符。两条谱线计算数据吻合的非常好，两条谱线在各谐波频点对应的转子频率、发电机转速、输出功率、谐波电流值等非常一致。只有一个标为斜体的数据点（加底色的数据）与理论有差异，从转矩曲线上看，应该是控制系统作用产生的转矩滞环，以避开特定转速的机械谐振点。

由此得到模型中第一组间谐波，幅值取所有电流的平均值：(www.xing528.com)

式中，i1_hint（t）为该类型风机谐波模型中，第一组的两簇间谐波电流。f0为电网频率50 Hz，fr由功率值查表可得。φ1（t）为第一组谐波的相位角，该相角不固定，以角频率2π*6（f0＋fr）的速度随时间t而变化。I（Ir）为该组间谐波电流幅值，与发电机转矩或转子的电流相关。

从图8.20可以看出两簇谐波分量幅值非常一致。图8.21为风机转速－转矩－谐波电流幅值图。风机转速在830～875 r/min有一个滞回区，转子转矩分为三段：①转速低于1 000 r/min，即风机转矩低于550 kW，发电机转矩变化很小。谐波电流幅值平稳；②转速在1 000～1 125 r/min，即风机功率低于1 250 kW，转矩线性增加。谐波电流同样线性增加；③转速高于1 125 r/min，即风机功率高于1 250 kW，超过风机的额定转速，发电机转矩线性减小。电流幅值也随转速增加快速减小。

图8.20　1A、1B变频谐波电流有效值分布图

图8.21　1.25 MW风机功率-间谐波电流有效值分布图

由风机的定、转子功率分配，测量或计算出转子有功功率，可以进一步计算出I（Ir）。

为确定上述谐波模型适用于各种双馈风电机组，并非为一种或几种机型的特例。下面再以某风场运行的2 MW风机的电能质量报告原始数据（表8.12）为基准，来进一步验证前面归纳出的谐波模型的准确性，原始数据仅提供了部分幅值较大的整数次谐波，谐波电流占额定基波电流百分比和对应的输出功率。为方便比较，统一转换成电流有效值计算。

表8.12　2 MW双馈风机谐波-最大电流值-对应功率表

以上为2 MW风机电能质量检测报告中的整数次谐波峰值数据，单独从以上原始数据表中同样看不出任何的规律性，把数据表转为三维图形（见图8.22），从中可以看出谐波电流的幅值-频率和输出功率（与转速直接相关）的规律性，从中找出成线性分布的特征频率组。由于原始数据量太小，只能计算出两条谱线各自的一个片段，无法得到全部的幅值-频率分布信息。

图8.22　2 MW风机功率-间谐波电流有效值分布图

图8.22平面中，可以看出三条成线性分布的频率组，用谐波组去推算，找出满足转子频率fr分布范围（－15＜fr＜15）的谱线，计算得出特征频率如表8.13所示。

表8.13　特征谐波频谱-功率表

其中加黑数据为根据原始数据得出的计算结果，从数据上看计算结果与理论的符合精度非常好，大部分数据都非常吻合，只有两个标为斜体的功率值与理论有差异，可能是由于控制系统的功率调节产生的功率奇点。该风机发电机转速范围：983～1 983 r/min，额定转速：1 812 r/min，与计算得到的转速范围和额定转速相符。由于原始数据仅有34个整数次的谐波点，不足以辨识出所有的谐波，只能辨识出两对特征谐波谱线，其他谱线只能靠推测得到。如9次谐波在185 kW出现15 A电流峰值，相应功率点的转子频率约为－8.33 Hz。分析主要是与12（f0＋fr）－f0谐波叠加产生的。5、7次谐波峰值理论上应该在转子频率0 Hz时出现，由6（f0＋fr）±f0叠加产生，对应功率应该为458 kW，与实测值有较大偏差，不排除还有其他特征频谱由于数据不足未观测到。要想建立完整的谐波模型还需要更多的观测数据。

从对上述三种机型的分析可以看出，高次谐波主要分布在开关频率的附近，对于采用滞环控制PWM调整方式的变流器，其开关频率分布范围很广，表现为FFT分析系统本底噪声较高，谐波为一个固定频率群，如在2.5 kHz±100 Hz范围内普遍幅值较广，在低分辨率FFT下，看到的结果为相邻的2～3个整数次谐波，如49、50次或50、51次谐波，及其倍频谐波，频率和幅值都固定不变。对于采用定频PWM方式，开关频率固定如2.4 kHz，对应48次谐波，通常会与50 Hz基波电流发生调制效应，产生上、下两个频点，即相间的两个频率，如47、49次。除有些变流器在功率增大或温度过高时，采用降频控制，否则其频率和幅值都是定值。