采用濾波器的風(fēng)電場(chǎng)諧波抑制策略研究

張 瑜，李穎峰

（陜西理工大學(xué)，陜西 漢中 723000）

1 緒 論

1.1 課題研究的背景和意義

風(fēng)力發(fā)電是一種利用現(xiàn)代科技的綠色發(fā)電技術(shù)，且風(fēng)能屬于再生資源，是一種很好的發(fā)電手段，擁有廣闊的利用前景。目前，我國(guó)具有風(fēng)能的地區(qū)多人煙稀少，存在分布不均衡的問(wèn)題[1]。我國(guó)西北地區(qū)的草原和沙漠以及沿海地區(qū)，利用風(fēng)力發(fā)電是一種良好的發(fā)電手段，對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)具有重要意義。近幾年，隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)電能的需求日益加劇?？紤]到我國(guó)能源供需的不充分、不平衡矛盾越來(lái)越尖銳，合理利用電能、節(jié)約能源問(wèn)題成為我國(guó)的一大社會(huì)問(wèn)題。

風(fēng)電一體化需要大規(guī)模接入電力電子設(shè)備，不可避免地帶來(lái)了高頻次、隨機(jī)性、寬頻域諧波污染。因此，抑制并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的諧波問(wèn)題顯得尤為重要，以保障風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的廣泛化、安全化運(yùn)用。當(dāng)前，研究學(xué)者致力于找到并網(wǎng)諧波的解決手段。

1.2 課題的研究現(xiàn)狀

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，并網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的諧波問(wèn)題依然沒(méi)有得到完美解決。目前，國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多數(shù)是雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)。一般而言，發(fā)電場(chǎng)的容量相當(dāng)大，相對(duì)風(fēng)電機(jī)組的輸出電抗值來(lái)說(shuō)相對(duì)較小，產(chǎn)生的諧波問(wèn)題也相對(duì)較少。

1.2.1 控制相關(guān)的電力電子器件

由于風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能電壓具有隨機(jī)性，頻率十分不穩(wěn)定也不規(guī)律，雖然也是交流電，但無(wú)法直接并入正常使用的擁有穩(wěn)定電壓的電網(wǎng)。因此，需要使用變流器對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的不規(guī)律交流電進(jìn)行整流和逆變，以符合并網(wǎng)要求，通過(guò)控制相關(guān)的電力電子器件的開(kāi)斷時(shí)間優(yōu)化改進(jìn)變流裝置的控制效果，從根本上抑制諧波。

1.2.2 使用濾波器過(guò)濾諧波

考慮到抑制諧波過(guò)程中的成本問(wèn)題，使用濾波器是成本低、應(yīng)用廣泛的一種方式[2]。工作人員可以對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)置，使其自動(dòng)過(guò)濾頻率紊亂的諧波，以達(dá)到符合并網(wǎng)要求的穩(wěn)定頻率的波形。

1.2.3 使用裝置對(duì)諧波進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)

在諧波抑制過(guò)程中，精準(zhǔn)的檢測(cè)諧波是關(guān)鍵，也是前提。采用更加完備的裝置在風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程中監(jiān)控電壓質(zhì)量和電壓的穩(wěn)定性，通過(guò)精確計(jì)算確定最佳的控制策略，以追求最佳抑制效果。目前，經(jīng)常使用的兩種諧波檢測(cè)方法分別是畸變與非畸變電流法和諧波狀態(tài)估計(jì)法，但其局限性十分明顯。考慮到各種方法在各種不同情況下的適用性，對(duì)諧波的精準(zhǔn)檢測(cè)和評(píng)估仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

1.3 主要研究?jī)?nèi)容

在閱讀國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本文重點(diǎn)探討如何抑制風(fēng)力發(fā)電組并網(wǎng)中的諧波。組織結(jié)構(gòu)為：（1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理及其并網(wǎng)過(guò)程；（2）諧波的來(lái)源和諧波的分析方法，其中有頻率掃描法、模態(tài)分析法和頻模分析法3種方法，以及它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)；（3）無(wú)源濾波器、有源濾波器以及將其應(yīng)用于諧波抑制的控制策略研究。

2 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行問(wèn)題概況

2.1 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的工作原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為電能的裝置。核心是發(fā)電機(jī)，常用的有雙饋異步電機(jī)、同步電機(jī)和永磁電機(jī)等。圖1為風(fēng)電機(jī)組發(fā)電與并網(wǎng)過(guò)程原理圖。

圖1 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程原理圖

由于變流器內(nèi)部含有無(wú)數(shù)的電力電子器件，能量在供給電網(wǎng)前會(huì)含有大量諧波，所以此時(shí)應(yīng)采取措施降低諧波含量。常用的措施是運(yùn)用電力電子設(shè)備如濾波器、電抗器等除去能量中的部分諧波。

2.2 風(fēng)電機(jī)組諧波來(lái)源

雖然風(fēng)力發(fā)電是目前能被大眾廣泛認(rèn)可的清潔新能源，但是其自身仍然存在著不穩(wěn)定性、地域性、隨機(jī)性等特點(diǎn)，使其產(chǎn)生的電能無(wú)法源源不斷且穩(wěn)定供應(yīng)到電網(wǎng)中去。諧波含量超標(biāo)嚴(yán)重降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，為了維持電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需將諧波含量降低到一定標(biāo)準(zhǔn)以下。表1給出了不同電壓等級(jí)母線的各次諧波電流注入允許值。

2.3 風(fēng)電機(jī)組諧波分析方法

在對(duì)諧波進(jìn)行研究前，首先需要對(duì)產(chǎn)生的諧波進(jìn)行檢測(cè)與分析。目前，分析諧波的方法多種多樣，常用的有頻率掃描法、模態(tài)分析法和頻模分析法3種[3]。這3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，運(yùn)用時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況合理選擇或搭配諧波分析方法使用。

表1 不同電壓等級(jí)母線的各次諧波電流注入允許值（單位：A）

2.3.1 頻率掃描法

頻率掃描法作為常用的諧振分析方法，是在1979年由Richard G.Farmer提出的。該方法的核心是初步預(yù)算諧波可能發(fā)生的條件，也可以預(yù)算諧波較小或不影響并網(wǎng)運(yùn)行的條件，是一種十分便捷常用的線性分析法。但是，該方法只能作為初步分析法分析波形的可能性，無(wú)法精確預(yù)測(cè)波形頻率。并網(wǎng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)是否會(huì)產(chǎn)生諧波，還需要結(jié)合具體的系統(tǒng)阻尼值進(jìn)行分析計(jì)算。

2.3.2 模態(tài)分析法

模態(tài)分析方法以諧波分析為對(duì)象，研究諧波的特征值，通過(guò)測(cè)量諧波的頻率，分析并網(wǎng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)是否會(huì)產(chǎn)生諧波。與特征值分析不同，該方法通過(guò)模態(tài)阻抗（即最小特征值的倒數(shù)）來(lái)確定系統(tǒng)的諧振頻率點(diǎn)。

2.3.3 頻模分析法

頻模分析法是前兩種方法相結(jié)合的一種方法。先掃描節(jié)點(diǎn)阻抗，確定風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)內(nèi)的諧波頻率點(diǎn)和阻抗值，以獲得諧波電壓放大后的最大值，然后通過(guò)計(jì)算諧振頻率點(diǎn)的參與因子矩陣和節(jié)點(diǎn)電壓振型，確定系統(tǒng)諧振的主要影響區(qū)域和諧振類型。

3 風(fēng)電場(chǎng)的諧波抑制策略研究

目前，專家學(xué)者們對(duì)風(fēng)力發(fā)電諧波的抑制做了大量研究。諧波的存在嚴(yán)重降低了電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，降低了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，所以研究高效的風(fēng)力發(fā)電諧波抑制方法對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。一般情況下，對(duì)電網(wǎng)諧波污染處理的手段有3種[4]：（1）治理受端，即在受到電網(wǎng)諧波污染的附近對(duì)諧波進(jìn)行吸收；（2）優(yōu)化波源特性，即從源頭上減少產(chǎn)生的諧波；（3）被動(dòng)治理，即在電機(jī)組上裝上過(guò)濾器，這種辦法能夠減少諧波進(jìn)入電機(jī)組。

現(xiàn)在應(yīng)用較多的是通過(guò)裝設(shè)濾波裝置進(jìn)行諧波抑制，主要有無(wú)源電力濾波器、有源電力濾波器及混合型電力有源濾波器等治理方式 。本文主要介紹采用有源和無(wú)源電力濾波器的風(fēng)電場(chǎng)諧波抑制策略，介紹兩種濾波器的工作原理，基于它們各自的原理設(shè)計(jì)不同的抑制策略，并給出所用到的控制框圖。

3.1 諧波抑制常用的濾波器

濾波器在各行各業(yè)應(yīng)用廣泛，是一種電力電子器件，由電感和電容等構(gòu)成，功能是過(guò)濾掉一定頻率的波形，使得到的波形更加接近理想情況。

3.1.1 有源濾波器

有源電力濾波器有許多優(yōu)點(diǎn)。它能夠從大小和頻率兩個(gè)方面處理諧波，而且能夠有效跟蹤補(bǔ)償對(duì)象；不易受到電網(wǎng)參數(shù)的干擾，且不會(huì)與系統(tǒng)共振；反應(yīng)極快，能夠迅速捕捉電網(wǎng)頻率，并及時(shí)做出反應(yīng)；能夠在同一時(shí)間補(bǔ)償多個(gè)諧波，在補(bǔ)償過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生互相影響。

3.1.2 無(wú)源濾波器

無(wú)源電力濾波器組件構(gòu)造十分簡(jiǎn)單且成本非常低，也方便對(duì)它進(jìn)行維護(hù)，所以應(yīng)用非常廣泛。但是，這種電力濾波器非常容易受到其他電網(wǎng)的干擾，易與它們產(chǎn)生諧振而發(fā)生事故。所以，無(wú)源電力濾波器的安全可靠性不如有源電力濾波器，常被應(yīng)用于一些特定場(chǎng)合。

3.2 基于有源濾波器的抑制策略

電力濾波器有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，劃分依據(jù)是與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式?，F(xiàn)在并聯(lián)型電力濾波器由于其諸多優(yōu)勢(shì)，在電氣領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。并聯(lián)型有源電力濾波器運(yùn)行原理如圖2所示，諧波從負(fù)載模塊發(fā)出，指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路組成了有源電力濾波器。指令電流運(yùn)算電路也稱諧波電流檢測(cè)電路，檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波電流分量，將其反相作為補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。

圖2 有源電力濾波器原理

補(bǔ)償電流發(fā)生電路包括電流跟蹤控制電路、主電路與驅(qū)動(dòng)電路3個(gè)構(gòu)件[5]，作用是在跟蹤控制電路時(shí)產(chǎn)生追蹤的指令，通過(guò)這些指令發(fā)給各電路器，這些電路器產(chǎn)生了一個(gè)脈沖對(duì)指令做出反應(yīng)?，F(xiàn)階段主要的電路一般采用PWM變流器，目的是能夠根據(jù)獲得的脈沖補(bǔ)充電流，最后得到比較穩(wěn)定的電流。

3.3 采用無(wú)源濾波器和平衡電抗器的抑制方法

平衡電抗器磁芯采用比較先進(jìn)的非晶合金材料，損耗較小，所以平衡電抗器的效率會(huì)更高。采用平衡電抗器和無(wú)源濾波器的控制策略，不但可以抑制風(fēng)電場(chǎng)諧波的產(chǎn)生，還可以使母線電壓趨于穩(wěn)定，峰值差別較小，從而提高輸送給電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)中各個(gè)負(fù)載的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本著安全性和效率第一的設(shè)計(jì)原則，在研究并聯(lián)型12脈波自耦變壓器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一款配備有無(wú)源濾波電路的平衡電抗器，如圖3所示。該電路配合一定頻率和幅值的電流信號(hào)注入，可以很大程度地提高該系統(tǒng)所輸送的電能質(zhì)量，而且輔助電路設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)便、易實(shí)現(xiàn)，故障率較低，壽命更長(zhǎng)。

圖3 采用無(wú)源濾波器的諧波抑制策略原理圖

4 結(jié) 論

在國(guó)內(nèi)外專家對(duì)風(fēng)電場(chǎng)諧波的研究基礎(chǔ)上，闡述風(fēng)機(jī)的工作原理和并網(wǎng)過(guò)程，分析諧波的產(chǎn)生，并介紹頻率掃描法和模態(tài)分析法等幾種諧波分析方法以及各個(gè)方法的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì)，為以后相關(guān)的研究提供了參考，最后提出了采用無(wú)源電力濾波器和有源電力濾波器的兩種不同的風(fēng)電場(chǎng)諧波抑制策略。通過(guò)驗(yàn)證，該方法可有效抑制諧波的產(chǎn)生，且有源電力濾波器的抑制效果優(yōu)于無(wú)源電力濾波器。