2. 风电场谐波源识别与建模

风电场并网点的谐波电压、谐波电流并不是凭空出现的，它们由场内若干类非线性设备共同产生，再经集电线路、箱变、主变和外部电网传播、叠加与放大。要做谐波分析，第一步不是直接套仿真软件，而是把“谁在发谐波、发什么频次、通过什么路径流出、在什么条件下变化”识别清楚，然后为每一类源建立与工程精度相匹配的模型。本节围绕风电场三类主要谐波源——风力发电机组变流器、变压器、无功补偿装置——说明其谐波特性与建模方法。

一、谐波源识别的三个基本判据

识别谐波源，可以从三个维度入手：非线性机理（开关调制、铁芯饱和、晶闸管触发）、频谱特征（特征次、间谐波、高频段分布）、运行相关性（与风速、功率、触发角、投切状态的关联）。例如，变流器谐波与输出功率和调制方式强相关；变压器谐波与励磁电压、铁芯饱和程度相关；SVC/TCR类装置谐波与触发角和吸收电流相关。识别时还应区分“源”与“传播路径”：箱变、集电电缆本身不产生主要谐波，但会改变谐波阻抗和放大条件。

二、风力发电机组变流器：最主要的谐波源

目前主流风电机组采用“永磁直驱+全功率变流器”或“双馈+部分功率变流器”结构。无论哪种，机侧变流器（MSC）和网侧变流器（GSC）都通过PWM调制工作，其输出并非理想正弦。以两电平电压源型变流器为例，在理想开关、无死区条件下，线电压主要谐波集中在开关频率及其边带附近，即 f_h = m·f_sw ± n·f₁，其中 f_sw 为开关频率，f₁ 为基波频率，m、n 为整数。若开关频率为2 kHz、基波50 Hz，则高频谐波集中在2 kHz、4 kHz附近，并伴随±50 Hz、±100 Hz的边带。低频段则因调制比、死区、电网背景不对称而出现5、7、11、13次等低次谐波。

变流器谐波建模常用三种方法：

• 开关函数模型：用调制波与载波比较得到开关函数，再与直流电压相乘得到交流侧电压，精度高但步长小、计算量大，适合机理研究。
• 平均值模型：忽略开关细节，用占空比表示交流侧基波与低频谐波，适合机电暂态和长时间尺度分析，但无法反映高频谐波。
• 谐波电流源模型：把变流器等效为若干次谐波电流源并联，幅值、相位由实测或厂家频谱数据给定，工程上最常用。建模时需注意谐波电流随功率变化，例如在10%额定功率、50%额定功率、100%额定功率下分别给出频谱，而不是只给一组额定数据。

三、变压器：铁芯饱和与励磁谐波

风电场中的箱式变压器和主变压器本身也是谐波源。当铁芯工作点进入饱和区，励磁电流不再与磁通成正比，产生以3次、5次为主的奇次谐波。正常运行时励磁电流很小，谐波含量有限；但在合闸涌流、过电压、直流偏磁或轻载高电压条件下，励磁谐波会明显增大。此外，变压器绕组连接方式影响谐波流通：Dyn11接线可为零序3次谐波提供环流通路，使3次谐波不易流入电网；而Yyn接线则可能让3次谐波进入系统。

变压器谐波建模通常采用谐波阻抗模型：对每一次谐波，用 R_h + jhX₁ 表示，其中 X₁ 为基波漏抗，h 为谐波次数。若需考虑铁芯饱和，可在模型中增加非线性励磁支路，用分段线性或Jiles-Atherton磁滞模型描述。工程计算中，若变压器不是主要谐波源，可只保留其谐波阻抗，用于分析谐波在网络中的分配和放大。

四、无功补偿装置：SVC、SVG与电容器组

风电场常用无功补偿装置包括TCR型SVC、SVG和并联电容器组。TCR通过晶闸管触发角控制电抗器电流，其电流波形为断续非正弦，特征谐波为6k±1次（5、7、11、13次），谐波幅值随触发角变化。SVG采用PWM变流器，谐波特性与风电机组变流器类似，高频谐波集中在开关频率附近。并联电容器组本身不产生谐波，但会与系统电感形成并联谐振，若谐振频率接近某次谐波，将放大该次谐波电流和电压。

建模时，TCR可用触发角—谐波电流关系表表示，即给定触发角α，查表得到5、7、11、13次谐波电流幅值和相位；SVG可参照变流器谐波电流源模型；电容器组则用 R + j(hX_L - X_C/h) 表示，并检查谐振点。实际工程中，还应把无功补偿装置的控制策略纳入考虑：SVC/SVG会随电压和无功需求动态调节，其谐波输出不是恒定的，建模时应按典型运行点分别计算。

五、谐波源建模的基本方法

风电场谐波源建模，核心是回答两个问题：源发出多少谐波，以及这些谐波如何在网络中分配。前者用谐波源模型描述，后者用网络谐波阻抗模型描述。常用方法可归纳为四类：

1. 谐波电流源模型：将谐波源等效为各次谐波电流源并联。适用于变流器、SVC等，数据来源为厂家频谱或现场实测。优点是简单、计算快，适合并网点谐波评估；缺点是无法反映源与网络之间的交互影响。
2. 谐波电压源模型：将谐波源等效为各次谐波电压源串联谐波阻抗。适用于变压器励磁谐波等电压驱动型源。
3. 开关函数/时域模型：直接模拟变流器开关过程，输出瞬时波形再做FFT。精度最高，但步长需小于开关周期，适合机理研究和模型校验。
4. 平均值/动态相量模型：保留基波和低频谐波动态，忽略开关细节，适合风电场机电暂态与长时间谐波趋势分析。

实际工程中，常采用“谐波电流源 + 谐波阻抗网络”的混合建模方式：把风电机组变流器、SVG等作为电流源注入节点，把变压器、电缆、电网等作为谐波阻抗网络，最后在并网点求解谐波电压和电流。建模时应注意：谐波次数范围一般取到50次（2500 Hz）或按开关频率的2倍确定；各次谐波相位不能随意忽略，因为多台机组并联时相位差异会导致叠加结果明显不同。

六、建模结果如何判断是否可信

模型建好后，不能只看仿真曲线是否“好看”，而应做三项校验：一是频谱对比，将仿真得到的并网点各次谐波电流与实测或厂家数据对比，重点看5、7、11、13次和开关频率附近；二是功率相关性校验，改变输出功率，观察谐波幅值变化趋势是否与理论一致；三是谐振点校验，检查网络阻抗频率特性，确认谐振频率是否落在主要谐波附近。若偏差超过工程允许范围，应优先修正谐波源频谱数据，再检查变压器和电缆的谐波阻抗参数。

综上，风电场谐波源识别应围绕变流器、变压器、无功补偿装置三类对象，分别抓住其非线性机理和频谱特征；建模时根据分析目的选择电流源、电压源、开关函数或平均值模型，并通过频谱、功率相关性和谐振点三项校验确认模型可信度。只有源模型和网络模型都合理，后续的谐波潮流、谐振分析和治理方案才有意义。