王望平，程航

(1.天水長城開關廠有限公司,甘肅 天水 741000;2.蘭州工業(yè)學院,甘肅 蘭州 730050)

風力發(fā)電中所產生的諧波及其抑制措施

王望平1，程航2

(1.天水長城開關廠有限公司,甘肅 天水 741000;2.蘭州工業(yè)學院,甘肅 蘭州 730050)

在中性點不接地配電系統(tǒng)中，由于電磁式電壓互感器(PT)勵磁電感的非線性特性曲線，會在一定條件下產生鐵磁諧振，影響系統(tǒng)的安全運行。以風力發(fā)電系統(tǒng)為例，對風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機理、風力發(fā)電的特點、諧波的產生及危害等以及消諧的措施進行分析。認為在眾多消諧措施中PT一次側中性點接消諧器和選用勵磁特性曲線飽和度較高的電磁式電壓互感器(PT)的方式是比較好的消諧方法。

風力發(fā)電；鐵磁諧振；電磁式電壓互感器；消諧措施

1 引言

風力發(fā)電系統(tǒng)(中性點不接地)中，母線上的電磁式電壓互感器(簡稱PT)通常需要將中性點接地，在發(fā)生單相接地或者系統(tǒng)負荷劇烈變化等情況時，PT勵磁電感可能與系統(tǒng)對地電容形成參數(shù)匹配，引發(fā)鐵磁諧振，造成系統(tǒng)過電壓和PT高壓繞組中的過電流，嚴重影響配電系統(tǒng)的安全運行。

本文通過對風力發(fā)電系統(tǒng)中產生諧波的分析與解剖，對防止鐵磁諧振的各種措施進行分析，探討各自的優(yōu)缺點和適用范圍。

2 風力發(fā)電中諧波產生的機理

風力發(fā)電是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。風力發(fā)電機因風量不穩(wěn)定性，故其輸出的是13～25V變化的交流電，須經充電器整流，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產生的電能變成化學能，然后用有保護電路的逆變電源，轉變成交流220V市電，保證穩(wěn)定使用。

3 風力發(fā)電的特點

首先，從原始能源來看，風力發(fā)電的原始能源是風力，而風力又是不穩(wěn)定的能源，風力要根據(jù)地理位置，風速的方向、風力的分布范圍、風力的最大速度、最小風速、風力發(fā)電設備的工作范圍等因素的影響。其次，從風力發(fā)電的主要設備來看，風力發(fā)電要通過逆變裝置的裝換，才能并入公共電網，然而，逆變器裝置會給電網帶來電力諧波，使功率因數(shù)惡化、電壓波形畸變和增加電磁干擾等問題。

綜合以上兩點，可以看出風力發(fā)電的電源質量不高又不穩(wěn)定，而根據(jù)諧波的形式來看，風力發(fā)電的諧波主要是電源質量不高所導致的。

4 諧波的產生

在理想的電力系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波，在只含線性元件電阻、電感及電容的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。但此種情況過于理想，一般情況下，我們所研究的電路基本上都有諧波產生。在電力系統(tǒng)中，諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致，當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。

電網諧波主要來自于以下三方面：

4.1 發(fā)電源質量不高產生諧波

發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到均勻一致和其他一些原因，發(fā)電源多少也會產生一些諧波，但一般來很少。

4.2 輸配電系統(tǒng)產生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要由電力變壓器產生諧波。由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次波形，它的大小與鐵心的飽和程度有關，鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流的0.5%。

4.3 用電設備產生諧波

晶閘管整流設備裝置采用移相控制，無論整流裝置為單相整流電路，還是三相全控橋式整流器，從電網吸收的是缺角正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下的部分中含有大量的諧波。

5 風力發(fā)電系統(tǒng)中諧波的主要危害

風力發(fā)電系統(tǒng)中諧波具有很大的危害性，可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振，導致諧波分量放大從而使得電容器、電壓互感器等設備的燒毀，而電網諧波造成電網污染，正弦電壓波形畸變，使電力系統(tǒng)的設備出現(xiàn)異常和故障甚至會導致電力系統(tǒng)的解列。諧波的危害在電力系統(tǒng)中是多方面的，主要有：

(1)對供配電線路的危害。在諧波的影響下，容易導致機電保護誤動作，不能全面有效地發(fā)揮保護作用。

(2)影響電網的質量。諧波會引起串聯(lián)諧振及并聯(lián)諧振，放大諧波，造成危險的過電壓或過電流。

(3)增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。

(4)對電容器的影響。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發(fā)熱和溫升，加速老化。

6 諧波是產生鐵磁諧振的直接原因

當線路頻率ω等于或者接近于1/√LC時，就發(fā)生諧振。發(fā)生諧振時會使電壓或電流產生極端的變化。鐵磁諧振是諧振的一個特例，往往發(fā)生在中性點不接地的電力系統(tǒng)中，諧振元件是系統(tǒng)的零序電容和接地的非線性電感(如Y接法的電壓互感器)，在沒有消諧措施的系統(tǒng)上系統(tǒng)電壓產生擾動有可能會激發(fā)鐵磁諧振，產生很高的零序過電壓。鐵磁諧振能量較小，在電壓互感器二次側安裝消諧器就可以破壞諧振。由于在中性點接地系統(tǒng)中，母線上的電磁式電壓互感器(簡稱PT)通常需要將中性點接地，在發(fā)生合空載、母線、單相接地或者系統(tǒng)負荷劇烈變化等情況時，PT勵磁電感可能與系統(tǒng)對地電容形成參數(shù)匹配，從而引發(fā)鐵磁諧振現(xiàn)象，造成系統(tǒng)電壓和PT高壓繞組中的過電流，嚴重影響系統(tǒng)的安全運行。因此，必須采取措施加以限制。

(1)PT一次側中性點接地消諧電阻。

中性點串入的電阻能夠起到消耗能量、阻尼和抑制鐵磁諧振的作用。

(2)PT開口三角接阻尼電阻。

PT開口三角繞阻接入電阻可消耗諧振零序回路的能量，等效于在線圈的一次側串接電阻。

(3)PT一次側中性點接零序PT。

PT一次側中性點接零序PT也稱4PT接線法，即在原三相PT一次側中性點與地之間接入零序PT。

(4)選用勵磁特性好的PT，即勵磁特性曲線的飽和度較高。

(5)采用特殊工藝使PT對外呈現(xiàn)容性。

(6)在電容電流較大的系統(tǒng)采用中性點經消弧線圈接地。

7 結語

根據(jù)風力發(fā)電系統(tǒng)的機理以及風力發(fā)電的原始能源，風能的不穩(wěn)定性導致風力發(fā)電系統(tǒng)電源質量比較低，再結合對諧波產生的機理以及消諧的措施，認為在眾多消諧措施中PT一次側中性點接消諧器和選用勵磁特性曲線飽和度較高的PT的方式是比較好的消諧方法。

PT一次側中性點接消諧器消諧效果較好，但會有開口三角輸出電壓降低，影響接地裝置靈敏性的問題；選用勵磁特性曲線飽和度較高的PT，在發(fā)生諧振的過程中，能夠起到較好的消諧作用，保護本體不被燒毀，但PT的做作成本較高；4PT接線方式在實際中有一定的運行經驗，但在電容電流大的系統(tǒng)中不能較快的消除諧振。PT開口三角接阻尼電阻的方式投入費用較少，但是實際運用中消諧效果不理想。為了保護配電網安全運行，達到最理想的消諧效果，應根據(jù)配電網的具體情況，充分考慮各種消諧措施的特點，采用相應的消諧方法。如果有必要，可以在不穩(wěn)定的配電系統(tǒng)中，綜合使用消諧方式，來發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，相互彌補不足。

[1] 梁志瑞，董維，等.電磁式電壓互感器的鐵磁諧振仿真研究.高壓電器，2012(11)：48-11.

[2] 周浩，余宇紅，等.10kV配電網鐵磁諧振消諧措施的仿真比較研究[J].電網技術，2005(22)：28-38.

[3] 張海云.中性點不接地系統(tǒng)諧振過電壓消除裝置的研究[D]，武漢：武漢大學，2004.

[4] 王志新，張華強.風力發(fā)電及其控制技術新進展[J]，低壓電器，2009(19).

Harmonic of the Wind Power and Its Suppression Measures

WANGWang-ping1,CHENGHang2

(1.Tianshui Great Wall Switcher Factory Company Co.LTD.，Gansu Tianshui 741000,China;2.Lanzhou Technology Institute Department of Electrical Engineering，Gansu Lanzhou 710050,China)

In neutral point grounding power distribution system,the electromagnetic voltage transformer(PT) excitation inductance of the nonlinear characteristic curve,can under certain conditions,the ferroresonance influence safe operation of the system.Based on the wind power generation system as an example,the generation mechanism of wind power generation system,the characteristics of wind power,the production and harm of harmonic and harmonic elimination measures are analyzed.Think in numerous harmonic elimination measures PT primary side neutral harmonic elimination device and choose excitation characteristic saturation higher electromagnetic voltage transformer(PT) is a good method for harmonic elimination.

wind power generation；ferroresonance；electromagnetic voltage transformer；harmonic elimination measures

1004-289X(2015)03-0099-03

TM45

B

2014-05-03