本研究论文《基于高压有源滤波器的海上风电场谐波治理措施》由卢盛欣（河北建投海上风电有限公司）、吴宇辉、刘京波（国网冀北电力有限公司电力科学研究院）、李永进、吴宁宇、侯元柏、刘梦（河北建投海上风电有限公司）共同完成。该研究发表于《内蒙古电力技术》期刊，网络首发日期为2026年1月30日。这是一篇报道具体原始研究和工程实践的学术论文，因此，根据要求，以下将按照类型a的框架生成详细的学术报告。
本研究隶属于电力系统、新能源并网与电能质量治理领域。随着我国新能源，尤其是海上风电的高速发展，海上风电场的并网运行稳定性与电能质量问题日益突出。与陆上风电不同，海上风电场通常通过长距离的交流海底电缆（AC submarine cable）并网。交流海缆相较于架空线路，其电容效应显著增大（可达20倍以上），这一特性易引发高频谐波谐振问题，导致并网点谐波电流超标，严重影响电网的电能质量，甚至可能引发电气设备故障和大规模风机脱网，威胁电网安全。然而，现有研究虽已指出海缆可能引起背景谐波放大，并提出了如C型滤波器或混合有源滤波器等理论方案，但往往缺乏针对海上风电场多频次谐波超标问题的系统性分析及经过实际工程验证的有效解决方案。因此，本研究旨在填补这一空白，其核心目标是：深入分析某特定海上风电场出现5次、11次、13次谐波超标问题的根源，探究交流海缆在谐波放大中的作用机理，并针对海上风电场谐波频次可能变化、场地受限等特点，设计、验证并实际应用一套行之有效的高压有源滤波器（Active Power Filter, APF）谐波治理方案，以保障海上风电场的并网安全与电能质量达标，为同类工程提供可借鉴的解决方案。
研究的详细工作流程可分为四个主要步骤，层层递进，逻辑严谨。
第一步，问题定位与机理分析。 研究对象是国内某总装机容量300MW的海上风电场，其通过6.5公里长的220kV交流海缆连接至陆上汇集站并网。研究首先基于现场电能质量评估报告和实测数据，确认了并网点存在5次、11次、13次谐波电流超标的事实。随后，研究团队通过巧妙的现场试验来定位谐波源：他们分别监测了仅投入交流海缆（海上风电机组未启动）和同时投入海缆与风电机组两种状态下，陆上汇集站（K1点）的谐波电流变化。试验数据显示，仅投入海缆即导致11次和13次谐波电流显著增大，而投入风机后这些谐波值未有明显变化。这一关键对比试验初步排除了风电机组变流器作为主要谐波源的嫌疑，将问题根源指向了交流海缆本身。为了从理论上解释这一现象，研究建立了交流海缆的π型等效电路模型，并进行了合理简化。分析表明，海缆的分布式电容与系统电感（包括为补偿电容效应而安装的并联高抗）会形成LC谐振回路。当系统中存在特定频率的谐波电流时，会激发该回路的谐振，从而导致该次谐波电流被显著放大。这从理论上阐明了该风电场特定高次谐波（如11次、13次）超标的内在机理，为后续治理方案的选择提供了理论依据。
第二步，治理方案对比分析与选定。 研究对比了两种主流的谐波抑制技术：无源滤波和有源滤波（APF）。无源滤波主要通过配置串联阻塞滤波器或并联调谐支路来实现，其优点是设计简单、成本低，对单次谐波滤除效果好。但其缺点也十分明显：只能针对预设的固定频率谐波进行滤除；当系统存在多频次谐波时，需要安装多组滤波支路，占地面积大；且无法适应电网运行方式变化或谐波频谱改变的情况。考虑到海上风电场升压站空间有限，且谐波问题由海缆谐振引发，可能具有动态变化特性，研究认为传统的无源滤波方案适应性不足。因此，研究选定了高压有源滤波器（APF）作为治理方案。APF是一种基于电力电子变流技术的主动式滤波装置，其核心原理是实时检测电网中的谐波电流，并通过控制器驱动变流器产生一个与谐波电流大小相等、相位相反的补偿电流注入系统，从而抵消（抵消）谐波。并联型APF尤其适用于治理电流型谐波源。其控制框图主要包括“谐波提取”和“谐波治理”两部分，能够动态跟踪并补偿多频次谐波，适应性强，正好契合了海上风电场的治理需求。
第三步，基于硬件在环（Hardware-in-the-loop, HIL）仿真平台的方案验证。 在将APF投入实际工程前，研究团队构建了高保真的半实物仿真系统以验证控制策略的有效性。这是一个关键且体现研究严谨性的环节。他们在RT-Lab实时仿真平台上搭建了包含电网等值系统、交流海缆模型、变压器、风电机组以及APF主电路的完整数字仿真模型。而APF的实物控制器则通过A/D转换器和光纤通信接口与RT-Lab平台连接，构成硬件在环仿真。在这个系统中，数字部分模拟真实的电网和负载环境，而实物控制器则在接近真实的情况下运行其控制算法。为验证APF对多频次谐波的抑制能力，仿真中采用谐波电流注入的方式，模拟了并网点存在5次、11次、13次谐波源的情况。研究设置了APF功能“退出”和“投入”两种工况进行对比测试。仿真结果清晰显示，在APF投入后，注入的谐波电流被有效滤除，谐波频谱图中相应的谐波分量幅值大幅下降直至接近为零。这一仿真结果从控制策略层面证明了所设计的APF系统能够有效应对该风电场面临的多频次谐波超标问题，为后续的现场应用奠定了坚实的基础，降低了工程风险。
第四步，现场工程应用与效果验证。 理论研究与仿真验证的最终目的是指导工程实践。研究团队将所设计的高压APF装置实际安装于目标海上风电场，并进行了严格的现场测试。测试选择了两种典型的风电场运行工况：小风工况（出力低于额定容量的50%）和大风工况（出力高于50%），以考察APF在不同运行状态下的适应性。在现场，通过实时录波监测并网点的电流波形和谐波含量。测试时，他们对比了APF功能“关闭”和“开启”两种状态下的谐波数据。现场实测数据是本研究最有力的成果支撑。数据显示，在开启APF功能后，超标的5次、11次、13次谐波电流值均显著下降。具体而言，5次谐波电流从4.29A降至1.76A（降幅58.9%），11次谐波从8.47A降至3.31A（降幅60.9%），13次谐波从8.87A降至2.82A（降幅68.3%）。所有治理后的谐波电流值均满足GB/T 14549-1993《电能质量-公用电网谐波》规定的并网限值要求。这一结果直接、有力地证明了所提出的高压有源滤波治理方案在实际工程环境中的有效性和可靠性。
本研究取得了一系列明确而重要的结果。首先，通过现场试验与理论建模相结合，精准定位了该海上风电场谐波超标的主要原因为交流海缆的电容效应引发的特定频次（11次、13次）谐波谐振放大，而非单纯的风机变流器谐波发射。这一发现将研究焦点从常规的谐波源抑制转向了谐振回路治理。其次，基于对比分析，得出了对于此类具有多频次、可能动态变化谐波问题的海上风电场，高压有源滤波器（APF）相较于传统无源滤波器更具适应性和综合优势的结论。第三，也是最核心的结果，即通过RT-Lab硬件在环仿真和最终的现场工程应用，双重验证了所设计和实施的高压APF方案能够高效抑制5次、11次、13次谐波，现场最大谐波电流降低幅度达68.3%，成功使风电场并网电能质量达标。各步骤结果逻辑紧密：机理分析指导了方案选择（选择APF而非无源滤波），方案的有效性先通过高可靠性的半实物仿真进行预验证，最终在实际工程中得到完美印证，形成了一个从“问题诊断”到“理论分析”到“方案设计与仿真验证”再到“工程实施与效果确认”的完整闭环。
基于上述研究过程和结果，本研究的结论是：针对由长距离交流海缆电容效应引发的海上风电场高频谐波谐振超标问题，采用高压有源滤波器（APF）是一种行之有效的治理措施。该方案能够动态跟踪并补偿多频次谐波，适应系统运行方式的变化，且相对节省空间，非常适合应用于场地受限的海上风电平台。本研究不仅成功解决了一个具体工程难题，其价值更体现在：在科学价值上，深化了对海上风电场谐波产生与放大机理的理解，特别是明确了在特定条件下海缆谐振可能成为主导因素；在工程应用价值上，提供了一套经过仿真和现场实测双重验证的、完整的谐波治理技术路线与实施方案，为国内外同类型海上风电项目的电能质量治理与安全并网提供了极具参考价值的范本和解决方案。
本研究的亮点突出表现在以下几个方面：首先，研究方法的系统性与实证性。研究并非停留在理论模拟，而是遵循了“现场实测定位问题 -> 理论建模分析机理 -> 方案对比与选定 -> 硬件在环仿真验证 -> 现场工程应用检验”的完整科研与工程实践链条，证据链坚实。其次，问题定位的精准性。通过设计巧妙的“海缆空投”与“风机投入”对比试验，有效区分了风电机组谐波源与海缆谐振放大两种效应，为后续针对性治理指明了方向。第三，技术方案的先进性与工程适应性。针对海上风电特殊场景，摒弃了传统的固定调谐无源滤波方案，选用了可动态补偿、适应性强的有源滤波技术，并通过半实物仿真提前验证了控制策略，确保了工程成功率。第四，成果的实效性。研究最终以具体的、可量化的现场测试数据（如谐波电流降低百分比）证明了治理效果，解决了实际生产问题，具有直接的经济和社会效益。
此外，论文中还提及了该APF装置可能具备与无功补偿功能一体化的潜力，这为未来海上风电场集成化、多功能电能质量治理设备的开发提供了思路。研究所引用的参考文献也表明，团队广泛借鉴并融合了国内外在风机谐波特性、电缆谐振分析、有源滤波控制等多个细分领域的前沿成果，体现了研究的继承性与创新性。总之，这项研究是一项将前沿电力电子技术、系统分析与具体工程实践紧密结合的优秀范例，对推动海上风电产业的高质量发展具有重要意义。