摘要：谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。本文通过电能质量测试及分析风电场可能产生的谐波注入，查找出风电场谐波电流源头，提出应对措施，通过对风电机组变流器滤波电容器的改造，最终解决了观音山风电场谐波电流超限问题。
关键词：电网；电能质量；谐波治理；无功功率；电容器改造
正文
1概述
广州发展观音山风电场位于广东省惠州市惠东县。风电场建设规模容量为49.6MW，安装23台单机容量为2MW和2台单机容量为1.8MW的永磁直驱型风力发电机组（XE96-2000BF）。风电场配套建设一座ll0kV升压变电站，作为风电场专用的联网工程。25台风电机组所发电量通过风机箱变由 690V升至35kV，经4条集电线路汇集电能至35kV母线，经场内50000kW容量升压变电压器升压至110kV后，再经长约9公里ll0kV输电线路接入110kV平海变电站（惠州电网）。
为补偿110kV主变压器、箱式变压器的无功损耗，需进行电容补偿。根据风电场输出的波动性，观音山风电场在35kV母线上装设一套动态无功补偿装置，容量为lOMvar。
2谐波的来源
电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要来源。影响电网电压波形质量的主要来源是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性设备用电设备主要有以下四大类：
（1）电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等；
（2）交流整流直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等；
（3）交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调、变流器等；
（4）开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
3故障现象分析及措施
3.1故障现象
2017年1月10日，故障录波启动，经录波查看发现35kV系统的电压波形有明显的畸变，谐波含量较高。观音山风电场35kV母线PT柜A、C相熔断器熔断。
3.2原因分析
通过查看系统录波的电压谐波含量，发现谐波远超出国标GB/T14549对电网谐波电压的规定。超标的谐波不仅导致发热损耗，还会影响设备寿命，PT熔丝在谐波热效应下也会加速性能劣化，最终引起熔丝断线。
3.3措施
（1）对系统的电能质量进行监测。
（2）需要查测谐波的源头，并治理电网内部的谐波，改善系统的电能质量。
4谐波的查测
4.1电能质量测试
4.1.1测试目的
对110kV平海变电站110kV观海线1545进行电能质量测试，并在测试数据基础上分析评估结果，评估电能质量指标是否满足相关国家标准。
4.1.2测试时间
测试起止日期为：2017年09月20日 至2017年09月22日。
4.1.3测试结果
（1）电压谐波：
在测试时段内，110kV平海变电站110kV观海线1545的电压总谐波畸变率95%概率统计值最大值为1.93%，低于《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-1993）规定的限值（2%），单次电压谐波含有率以3次、5次、7次为主。
（2）电流谐波：
在测试时段内，110kV平海变电站110kV观海线1545的最大视在功率为：10.5MVA；110kV平海变电站110kV观海线1545的电流谐波以3次、4次、5次、7次、8次、10次、11次、14次、16次、20次、22次、23次的谐波电流为主。
表4-1 110kV平海变电站110kV观海线
1545的电流谐波95%概率值（A）
图4-1 谐波电流95%概率直方图（A）（平均值）
（1）电压不平衡度：
在测试时段内，110kV平海变电站110kV观海线1545的电压不平衡95%概率值为0.63%，低于 GB/T15543-2008《电能质量三相电压允许不平衡度》规定的限值（2%）。
（2）电压长时间闪变值：
在测试时段内，110kV平海变电站110kV观海线1545的电压长时间闪变为0.56（取三相中最大值），低于 GB/T12326-2008《电能质量电压波动与闪变》的限值（1.0）要求。
（3）电压偏差：
在测试时段内，110kV平海变电站110kV观海线1545的电压最大正偏差为+5.63%，无负偏差，未超出GB/T 12325-2008 《电能质量供电电压偏差》规定的35kV及以上供电电压正、负偏差绝对值之和不超过标称电压的10%。
（4）频率偏差：
在测试时段内，110kV平海变电站110kV观海线1545的三相最大频率偏差为0.053，小于标准GB/T 15945-2008 《电能质量 电力系统频率偏差》限值（±0.20Hz）规定要求。
4.2谐波分析
4.2.1测试结果分析
经过测试，发现只有多次谐波电流超过国标限值。
4.2.2风电场无功特性分析
从电网结构上看，观音山风电场（49.6MW）的并网对平海站母线电压影响较大，高峰负荷、低谷负荷以及风电场投切等的影响，都体现在平海站110kV母线的电压水平上。研究发现，负荷较低时谐波电流分量较高，而负荷较高时谐波电流分量较低。负荷较低时，风电场在动态无功补偿装置停用状态下，仍然有较大的无功功率输出。负荷较高时，需要从电网吸收无功功率来保证系统电压稳定。
风机变流器的滤波电容一般根据正常的风电场电网来设计，滤波电容设计数量相对较大，以避免变流器的开关纹波电流注入电网，但在较弱电网下，由于线路上的等效电感较大，高频容易流入电网，而较大的滤波电容反而容易与线路电感产生低频谐振，减少电容容量，可避免低频谐振的发生。
经研究，风电场无功功率输出较小时，电网谐波电流分量较小，这种情况下电能质量较好，系统电压稳定，对于电网属于较稳定的无功欠补偿状态。因此，观音山风电场谐波治理应从无功着力研究。
4.2.3谐波源头分析
谐波源有两种，一种是谐波电流源，这些用电设备中的谐波含量取决于它自身的特性和工作状况基本上与供电系统参数无关。另一种是谐波电压源。在供电系统中存在并实际发生作用的谐波源，主要是谐波电流源。
与常规发电厂相比，风电场在运行中具有显著不同的特点，其一是采用异步发电机的风力发电机，在运行时需要从系统吸收无功功率来建立磁场，从而使大型风电场并网运行后对局部电网电压水平有明显影响；其二是由于风速随机变化，导致风电场的输出功率具有波动性，引起电网电压波动和闪变；此外，对带电力电子变换器的风力发电机组，风电场会产生一定的谐波电流并注入所接电网；这些因素都可能直接影响局部电网的电能质量。
变速风电机组的电力电子变流装置是风电系统的谐波源。变速风电机组的变流器在风电机组运行过程中一直处于工作状态，因此变流器产生的谐波可能对电网的电能质量产生影响。
风电机组变流器谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零。这类电气设备为了平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量，在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波。
4.3措施
（1）收集分析不同负荷下谐波电流情况。
（2）分析原因找出解决办法。
5变流器滤波电容器改造
5.1电容器改造方案
经过半年多的时间摸索，进行多种运行工况试验，得出如下改造方案：
（1）将所有风机变流器滤波电容数量由18个减至12个。（金膜电容-850Vrms-3x55.7uF-聚丙烯-圆柱形铝壳-φ136x230）
（2）风机变流器滤波电容随风机启停自动投切。
5.2电容器改造实施
5.2.1风机变流器滤波电容器改造（18个改12个）：
（2）将原来三组电容器（每组6个），拆除其中一组（详见图5-1）。
图5-1 风机变流器滤波电容器改造
5.2.2风机变流器滤波电容器自投切改造：
（1）在原滤波电容器动力回路中串接一组交流接触器，加入启、停机信号控制电容器组跟随风机启停自动投切。（详见图5-1）
图5-2 风机变流器滤波电容器改造图
（拆除电容器的位置用于安装交流接触器）
5.2.3动态无功补偿装置（SVG）运行方式：
（1）当110kV观海线1545无功功率Q由“+”降至“0”时，投入SVG恒无功运行方式，设定值0.8MVar；
（2）当110kV观海线1545无功功率Q>0.8MVar时，退出SVG运行。
5.3电容器改造后电能质量
5.3.1数据采集点
（1）110kV平海变电站110kV观海线1545采集点。
5.3.2测试结果
表5-1 110kV平海变电站110kV观海线1545数据（测试起止日期为：2018年08月06日 至2018年08月14日）
在测试时段内，110kV观海线1545最大视在功率为45.60MVA，为用户装机容量的91.2%。110kV平海变电站110kV观海线1545的电流谐波以4次、5次谐波电流为主，4次电流谐波最大值达2.97A；5次电流谐波最大值达5.41A，均低于该线路谐波电流限值。
6结语
在交流电源系统中，含有大量谐波的电源设备可以等效为一个线性负载和一系列的谐波电流源。可以认为，连接到交流电源的非线性负载从交流电源吸取基波电流并向交流电源反馈各种频率的谐波电流。谐波电流值和电源内阻越大，谐波所造成的电压波形失真也就越大，所造成的危害也越大。
电网谐波治理是行业难题，本文研究分析出的风机变流器滤波电容器改造方法，风电场电流谐波得到有效治理，解决了谐波电流超限的问题，既降低了谐波电流，又减少了发热的电能损耗，既有安全性，又有经济效益。这个方法值得在业界行业内广泛推广。
参考文献：
[1]《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）
[2]《电能质量电压波动和闪变》（GB/T 12326-2008）
[3]《电能质量三相电压不平衡》（GB/T 15543—2008）
[4]《电能质量供电电压偏差》（GB/T 12325-2008）
[5]《电力系统无功补偿配置技术原则》（Q/GDW212-2008）
[6]《电力系统电压和无功电力技术导则（试行）》SD 325-1989
论文作者:方占跃
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/8/29
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