風(fēng)電場新型綜合電能質(zhì)量治理裝置

常亮亮，謝　毅，曾　萍，楊翠翠

（國網(wǎng)山西省電力公司，太原　030001）

風(fēng)電場新型綜合電能質(zhì)量治理裝置

常亮亮，謝毅，曾萍，楊翠翠

（國網(wǎng)山西省電力公司，太原030001）

針對風(fēng)電場并網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求，研究了一種新型電能質(zhì)量治理裝置，其兼具電壓無功控制和有源電力濾波的功能，既能對電壓質(zhì)量進行控制，又可以對諧波進行治理，大大改善了風(fēng)電場并網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低了線路損耗，還能動態(tài)調(diào)節(jié)諧波阻抗，避免電網(wǎng)局部發(fā)生振蕩。并通過接受自動電壓無功控制系統(tǒng)指令實現(xiàn)閉環(huán)控制。仿真和現(xiàn)場調(diào)試的效果，滿足了風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量條件。

電能質(zhì)量；有源電力濾波；電壓無功控制；多目標(biāo)優(yōu)化

隨著國家對新能源的開發(fā)利用，風(fēng)電裝機規(guī)模迅速增加，對電力系統(tǒng)形成了新挑戰(zhàn)。由于風(fēng)能的不可控性，風(fēng)電經(jīng)常扮演著逆調(diào)峰的角色。此外，風(fēng)電場電能質(zhì)量問題與傳統(tǒng)火電相比，主要體現(xiàn)在電壓閃變和諧波兩個方面［1-3］，一是由于配置了數(shù)量眾多的箱式變壓器，對電網(wǎng)不僅不能提供無功，反而從電網(wǎng)吸收大量無功；二是大量采用了以電力電子為核心的整流逆變裝置，諧波污染嚴(yán)重?，F(xiàn)有無功補償裝置主要采用無功補償電容器組、靜止無功補償裝置SVC（static var compensa?tor）、靜止無功發(fā)生器SVG（static var generator）。風(fēng)電場在投產(chǎn)前要滿足系統(tǒng)并網(wǎng)電能質(zhì)量要求，就會投產(chǎn)SVC、SVG、電容器組和濾波器組等設(shè)備，這會造成部分功能重疊，重復(fù)投資，增加成本［4-8］。

本文提出一種適用于風(fēng)電場的大功率電能質(zhì)量治理裝置，它兼具無功補償和諧波抑制的功能，既能實現(xiàn)電壓質(zhì)量控制，又能實現(xiàn)諧波電流治理，可大大改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，降低線路損耗。根據(jù)電網(wǎng)需求及時精準(zhǔn)地自動控制風(fēng)電場并網(wǎng)母線電壓、改善電網(wǎng)無功分布、降少諧波電流，從而減低網(wǎng)損，提高電網(wǎng)安全經(jīng)濟優(yōu)質(zhì)運行。

圖1　HSVQC電路原理框圖Fig.1　Circuit principle block diagram of HSVQC

1　電能質(zhì)量裝置的拓撲結(jié)構(gòu)

諧振注入結(jié)構(gòu)電能質(zhì)量綜合治理裝置HSVQC （harmonic suppress and voltage quality control）框圖如圖1所示，它由有載調(diào)壓變壓器OLTC（on load tap changer）、注入諧振支路、晶閘管控制電抗器TCR（thyristor controlled reactor）和并聯(lián)有源濾波器APF（active power filter）組成，其中注入諧振支路由電容和電感諧振支路構(gòu)成，TCR與串聯(lián)諧振支路可實現(xiàn)無極調(diào)節(jié)。

HSVQC具有傳統(tǒng)電壓無功控制VQC（voltage and reactive power control）和SVC的功能。圖1中，左虛框由載調(diào)壓變壓器與注入諧振支路構(gòu)成VQC調(diào)節(jié)裝置，右虛框由TCR與注入諧振支路構(gòu)成SVC調(diào)節(jié)裝置，APF與隔離變壓器低壓側(cè)附加電抗La并聯(lián)，通過耦合變壓器與由Ln1、Cn1和Ln2、Cn2構(gòu)成的串聯(lián)諧振注入支路串聯(lián)接入電網(wǎng)。與傳統(tǒng)注入式結(jié)構(gòu)相比，基波諧振支路替換為變壓器并聯(lián)附加電抗La，注入支路由注入電容換為串聯(lián)諧振支路。由于串聯(lián)諧振支路的存在，其有源部分不承受諧波電壓，又因為附加電抗La與串聯(lián)諧振支路Ln、Cn的基波阻抗相比很小，因此有源部分承受電壓很低，所以該結(jié)構(gòu)大大減小了裝置有源部分的容量，使其更加適合應(yīng)用于高壓系統(tǒng)［9-10］。此外，串聯(lián)諧振支路Ln1、Cn1和Ln2、Cn2還可以與附加電抗La構(gòu)成另外2組單調(diào)諧，達到4組濾波器的效果，附加電抗并聯(lián)在低壓側(cè)可以降低電抗器的投資。系統(tǒng)不僅能夠調(diào)節(jié)電壓、補償無功和消除諧波，還可以動態(tài)地調(diào)節(jié)諧波阻抗，避免電網(wǎng)局部發(fā)生諧振，在動態(tài)治理諧波的情況下，對無功功率進行連續(xù)調(diào)節(jié)。

2　電能質(zhì)量治理裝置的工作原理

HSVQC系統(tǒng)的單相等效電路如圖2所示。圖中，負荷的諧波特性用一個諧波電流源ILh等效，電網(wǎng)諧波電壓為USh，系統(tǒng)阻抗為ZS，變壓器等效電抗為XT，有源濾波器APF為電壓型逆變模塊，輸出電壓為U，晶閘管控制電抗器為LS。APF通過發(fā)出與負載電流中的諧波成分相反的電流來達到諧波治理的目的。其中，Cn、Ln分別為串聯(lián)諧振注入支路電容、電感，La為附加小電抗，L0為逆變器輸出電感，Ls為TCR等效電抗。

圖2　HSVQC系統(tǒng)單相等效電路Fig.2　Single phase equivalent circuit of HSVQC

從圖2可以看出，有源逆變器部分通過耦合變壓器與串聯(lián)諧振支路串連接入電網(wǎng)。不接有源部分時U=0，系統(tǒng)的無功補償特性由TCR和串聯(lián)諧振支路決定，通過串聯(lián)諧振投入組數(shù)與晶閘管投切角度控制可實現(xiàn)無功連續(xù)調(diào)整，電壓平滑調(diào)節(jié)，具體特性不再贅述。接入有源逆變部分，控制U=KIsh，有源濾波器將發(fā)出諧波電流抵消系統(tǒng)所含諧波，使得電源電流不含諧波。在基波域附加電抗基波阻抗值小，有源部分承擔(dān)很小基波電壓，在諧波域有源部分不承受諧波電壓，從而有效降低了有源部分的容量，有效控制系統(tǒng)的投資成本。

控制器通過控制U來實現(xiàn)Ish為0，控制指令U可以通過以下不同的補償方式得到，即基于檢測諧波源側(cè)的控制策略U=KILh、基于電網(wǎng)諧波側(cè)控制策略U=KISh以及基于電網(wǎng)側(cè)電流ISh和諧波源側(cè) ILh的復(fù)合控制U=（α1ILh+α2ISh）K，其中 α1、α2、K分別為不同的控制系數(shù)，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，采用復(fù)合控制方法合理有效地進行控制。

定義HSVQC諧波抑制性能函數(shù)H為

式中，ZSh、ZGh、ZRh、ZPh分別為電網(wǎng)阻抗、串聯(lián)諧振注入支路等效阻抗、附加電抗電路阻抗和TCR電抗器阻抗。

HSVQC的諧波抑制特性可通過對式（1）幅頻特性分析。令α1=α2=1，控制系數(shù)分別為K=0、K=10和K=20的諧波函數(shù)幅頻特性如圖3所示。

圖3　不同K值時諧波抑制函數(shù)幅頻特性Fig.3　Amplitude-frequency characteristics of harmonic suppression function with different K

從圖3可見，當(dāng)K=0時，補償裝置相當(dāng)于只投入注入諧振支路和TCR，裝置對特定頻率的諧波及其高次諧波有較好的抑制作用，對角頻率ω=2 000rad/s以下諧波抑制效果不理想，有的頻率點甚至出現(xiàn)了放大現(xiàn)象；系統(tǒng)中存在3個明顯的諧振頻率點，當(dāng)電網(wǎng)含有相應(yīng)諧波時系統(tǒng)很容易發(fā)生諧振現(xiàn)象。當(dāng)投入有源逆變器后，幅頻特性曲線的幅值都減小，極大提高諧波抑制的效果，流入電網(wǎng)側(cè)的諧波電流也減少很多，HSVQC在所有諧波頻域段都有良好的穩(wěn)態(tài)補償特性。隨著K值增大，系統(tǒng)的諧波抑制效果也變得更好，諧振點的幅值響應(yīng)也明顯降低，有效地抑制了電網(wǎng)可能發(fā)生的諧振現(xiàn)象。但是隨著K值的逐漸增大，抑制效果并非成比例提高，而會使系統(tǒng)不穩(wěn)定。

3　HSVQC多目標(biāo)優(yōu)化控制

HSVQC的控制目標(biāo)涉及到電壓、無功和諧波，多目標(biāo)優(yōu)化控制不再追求單一性能的最優(yōu)，而從全局進行優(yōu)化［11-12］，根據(jù)電網(wǎng)下發(fā)AVC控制指令，實現(xiàn)無功就地平衡；根據(jù)風(fēng)電場并網(wǎng)電能質(zhì)量諧波要求，控制諧波含量，從而提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性。優(yōu)化目標(biāo)以系統(tǒng)運行可靠為基礎(chǔ)，控制目標(biāo)以電壓合格、無功達標(biāo)、網(wǎng)損、電壓波動和諧波含有率等各指標(biāo)為目標(biāo)限值，運用優(yōu)化方法得到控制參數(shù)的最優(yōu)解；以變壓器分接頭、晶閘管控制電抗器和有源電力濾波器為控制變量，建立配電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制模型。

考慮電壓、無功、網(wǎng)損和諧波等目標(biāo)限值，變壓器分接頭、晶閘管控制電抗器和有源電力濾波器為控制變量，HSVQC多目標(biāo)優(yōu)化控制數(shù)學(xué)模型可以表示為

目標(biāo)函數(shù)表達式為

式中：f1（x）為電網(wǎng)AVC電壓控制目標(biāo)；f2（x）為電壓波動性指標(biāo)；f3（x）為系統(tǒng)網(wǎng)損指標(biāo)；f4（x）為并網(wǎng)諧波指標(biāo)；ω1、ω2、ω3、ω4分別為電壓、無功、損耗和諧波函數(shù)的加權(quán)因子，其值取決于各分目標(biāo)函數(shù)的數(shù)量級及重要程度，并滿足ω1+ω2+ω3+ω4=1；Tt和Qc分別為變壓器分接頭和TCR無功出力；THDi為有源電力濾波器補償后的電流畸變率，約束條件是控制變量不超其上下限；U?、Q?、δ、G（i，j）分別為參考電壓值、無功值、功角和節(jié)點電壓矩陣。

對HSVQC采用多目標(biāo)優(yōu)化控制算法分析，采用粒子群優(yōu)化算法PSO（particle swarm optimiza?tion）得到一個最優(yōu)解向量［13-14］，如表1所示。從表1中可以得到，單一目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計只對某一種控制目標(biāo)達到要求，其他目標(biāo)不能保證，多目標(biāo)優(yōu)化算法將電壓，無功、網(wǎng)損和畸變率加以綜合優(yōu)化，使各項并網(wǎng)指標(biāo)都達到預(yù)定目標(biāo)。

表1　優(yōu)化前后各目標(biāo)值比較Tab.1　Target comparison before and after optimization

4　HSVQC仿真與實驗

根據(jù)某風(fēng)電場系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合圖1的拓撲結(jié)構(gòu)搭建仿真模型，通過測量投運前后數(shù)據(jù)對對治理裝置效果進行對比分析如表2、表3和圖4所示。

表2　投運前后并網(wǎng)線路主要諧波電流畸變率對比Tab.2　Main harmonic current comparison before after HSVQC operation　A

表3　投運前后母線主要諧波電壓對比Tab.3　Main harmonic voltage THD comparison before and after HSVQC operation %

圖4　HSVQC投入前后的電流波形Fig.4　Current waveforms before and after HSVQC operation

由表2、表3可見，對HSVQC系統(tǒng)投入前后母線電壓、并網(wǎng)電流對比分析，電壓畸變率從3%變到1.5%，電流畸變率從13%變到3%。從圖4可直觀看出，電流波形趨于平滑，治理效果顯著。

圖5為多目標(biāo)優(yōu)化控制前后電壓調(diào)節(jié)對比波形，Vpu1、Vpu2是投入裝置前后的電壓波動情況。由圖可以看出，優(yōu)化后效果顯著，傳統(tǒng)控制策略，在調(diào)節(jié)性能上電壓的波動較大，響應(yīng)時間較慢，特別是在電壓無功控制死區(qū)，裝置無法確定控制方式，延長了調(diào)節(jié)時間；優(yōu)化后的控制策略響應(yīng)時間縮短，穩(wěn)定性提高。

圖5　多目標(biāo)優(yōu)化前后的電壓波形Fig.5　Voltage waveforms before and after multiobjective optimization optimization

通過風(fēng)電場實驗裝置參數(shù)測量對比分析，HS? VQC裝置投運后與仿真效果一致，電流畸變率滿足諧波并網(wǎng)要求，系統(tǒng)電壓無功滿足AVC控制目標(biāo)。

5　結(jié)語

本文對風(fēng)電場新型HSVQC電能質(zhì)量裝置拓撲結(jié)構(gòu)進行了研究，系統(tǒng)工作原理展開分析，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用了多目標(biāo)優(yōu)化控制策略。

HSVQC兼具傳統(tǒng)VQC和SVC的功能，在保證電壓控制的同時，既能實現(xiàn)無功的連續(xù)調(diào)節(jié)，也能實現(xiàn)對諧波動態(tài)治理，采用電壓無功諧波多目標(biāo)優(yōu)化控制策略，同時考慮電壓、無功、諧波和網(wǎng)損等多個優(yōu)化目標(biāo)，使系統(tǒng)性能最優(yōu)，效益最大，不僅提高了系統(tǒng)的控制精度，還有利于系統(tǒng)穩(wěn)定。通過仿真和實驗驗證了HSVQC系統(tǒng)可行性和穩(wěn)定性。

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New Integrated Quality Devices for Wind Farm

CHANG Liangliang，XIE Yi，ZENG Ping，YANG Cuicui
（State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，China）

For the wind farm requirements of power quality，This paper studies a new power quality control device，which is combined voltage control and harmonic suppression function.It can not only improves power quality，reduces line losses，but also avoids oscillation.Accepting the automatic voltage control（AVC）system control commands closedloop control is achieved.Simulation and experimental results meet the demand for power quality of wind power grid.

power quality；active power filter；voltage and reactive power control；multi objective optimization

TM614

A

1003-8930（2016）03-0082-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.03.015

常亮亮（1983—），男，碩士，工程師，研究方向為智能調(diào)度、電力系統(tǒng)運行與控制。Email：cll150@163.com

謝毅（1980—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)調(diào)度運行與控制。Email：xie_yi@sina.com

曾萍（1985—），女，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化控制。Email：zping0516@163.com

2014-05-20；

2015-07-16