海上風(fēng)電諧波分析及治理

1、海上風(fēng)電諧波分析及治理摘要：本章分析風(fēng)電場產(chǎn)生諧波的原因，并對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93電能質(zhì) 量公用電網(wǎng)諧波和IEC61400-21標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)電場注入諧波的限值和評(píng)估方法等進(jìn) 行總結(jié)；然后對(duì)海上風(fēng)電場的諧波治理方案進(jìn)行總結(jié)，分別對(duì)無源濾波器、有源 電力濾波器和LC濾波器組加STATCOM這三種諧波治理方案進(jìn)行分析比較。1風(fēng)電機(jī)組的諧波問題對(duì)于風(fēng)電機(jī)組來說，發(fā)電機(jī)本身產(chǎn)生的諧波是可以忽略的，諧波電流的真正 來源是風(fēng)電機(jī)組中采用的電力電子元件。對(duì)于定速風(fēng)電機(jī)組來說，在連續(xù)運(yùn)行過 程中沒有電力電子器件參與，因而也基本沒有諧波產(chǎn)生；當(dāng)機(jī)組進(jìn)行投入操作時(shí)， 軟并網(wǎng)裝置處于工作狀態(tài)，將產(chǎn)生諧波電流，

2、但由于投入的過程較短，這時(shí)的諧 波注入可以忽略。變速風(fēng)電機(jī)組則采用大容量的電力電子元件，直驅(qū)永磁同步風(fēng) 力發(fā)電機(jī)組的交直交變頻器采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC變換，在 電網(wǎng)側(cè)采用PWM逆變器輸出恒定頻率和電壓的三相交流電；雙饋式異步風(fēng)力發(fā) 電機(jī)組定子繞組直接接入交流電網(wǎng)；轉(zhuǎn)子繞組端接線由三只滑環(huán)引出接至一臺(tái)雙 向功率變換器，電網(wǎng)側(cè)同樣采用PWM逆變器，定子繞組端口并網(wǎng)后始終發(fā)出電 功率；轉(zhuǎn)子繞組端口電功率的流向則取決于轉(zhuǎn)差率。不論是哪種變速風(fēng)電機(jī)組， 并網(wǎng)后變流器將始終處于工作狀態(tài)。因此，變速風(fēng)電機(jī)組的諧波注入問題需要考 慮。對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的諧波需要采用實(shí)測(cè)的方式來確定。2風(fēng)電

3、場向電網(wǎng)注入諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)2.1GB/T14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中注入諧波限值與多個(gè)諧波源疊 加計(jì)算方法。注入電網(wǎng)的諧波電流限值國標(biāo)GB14549-93電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波中規(guī)定的公共連接點(diǎn)的全部用戶 向該點(diǎn)注入的諧波電流分量(方均根值)不應(yīng)超過相關(guān)公共連接點(diǎn)的諧波電流中 規(guī)定的允許值。當(dāng)公共連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容量時(shí)，諧波電流允許值的 換算為：(2.1)式中，為公共連接點(diǎn)的最小短路容量，MVA；為基準(zhǔn)短路容量，MVA；為第 h次諧波電流允許值，A。多個(gè)諧波源的疊加國標(biāo)GB/T14549-93中給出了兩個(gè)諧波源的同次諧波電流在同一相上疊加，當(dāng) 相位角已知時(shí)按下式計(jì)算

4、：(2.2)式中，為諧波源1的第h次諧波電流，A；為諧波源2的第h次諧波電流，A； 為諧波源1和諧波源2的第h次諧波電流之間的相位角。當(dāng)相位角不確定時(shí)按下式計(jì)算：(2.3)式中，系數(shù)按表1選取。表1式2.3中系數(shù)的值兩個(gè)以上同次諧波電流疊加時(shí)，首先將兩個(gè)諧波電流疊加，然后再與第三個(gè) 諧波電流相疊加，以此類推。2.2 IEC61400-21并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)電場諧波注入計(jì)算方法與評(píng)估該標(biāo)準(zhǔn)提出了風(fēng)力發(fā)電諧波相關(guān)的檢測(cè)與評(píng)估方法。1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組諧波的檢測(cè)IEC61400-21標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，只考慮采用變換器的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的諧波問 題。在連續(xù)運(yùn)行過程中輸出的各次電流諧波分量，

5、必須測(cè)量到基波頻率的50倍 （即直到第50次諧波），并且必須確定出最大諧波電流畸變率THD。其中，各 次諧波電流分量應(yīng)基于10min的觀察給出，并且為這10min內(nèi)各次諧波電流分量 的最大值。2）多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組諧波電流的合成IEC61400-21根據(jù)IEC61000-3-6給出的由于負(fù)荷引起的諧波電流畸變的總和的 計(jì)算方法，給出了連接在公共連接點(diǎn)上的多臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引起的諧波電流的計(jì) 算公式如下。（2.4）式中，為連接到公共連接點(diǎn)上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)目；為公共連接點(diǎn)上的h 階諧波電流畸變；為第i個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變壓器的變比；為第i個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組h 次諧波電流畸變；為表2中給出的指數(shù)。表2 IE

6、C61000-3-6中指數(shù)的規(guī)定式中，為連接到公共連接點(diǎn)上的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)目；為公共連接點(diǎn)上的h 階諧波電流畸變；為第i個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變壓器的變比；為第i個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組h 次諧波電流畸變；為表4中給出的指數(shù)。3含風(fēng)電場的電網(wǎng)諧波治理方法電力系統(tǒng)諧波治理措施主要有三種：受端治理、主動(dòng)治理、被動(dòng)治理。在受 端治理中，可采用改善供電環(huán)境、選擇合理供電方式、利用變壓器抑制諧波產(chǎn)生 等措施；在主動(dòng)治理中，可采用增加整流裝置脈動(dòng)數(shù)、脈寬調(diào)制PWM技術(shù)等措 施。以下重點(diǎn)介紹被動(dòng)治理的措施。3.1采用無源濾波器PPFPPF由電力電容器、電抗器和電阻器三大部分組成。它并聯(lián)于充電站負(fù)荷， 除起濾波作用外還兼顧無

7、功補(bǔ)償和調(diào)壓的需要。在設(shè)計(jì)中需考慮以下幾點(diǎn)：確定 投資最小；使注入系統(tǒng)的諧波減小到國標(biāo)允許的水平；進(jìn)行基波無功補(bǔ)償，并避 免產(chǎn)生過補(bǔ)償。并聯(lián)型PPF的電容、電感、電阻參數(shù)選擇原理如下：（1）電容器參數(shù)的確定濾波器的投資同濾波器的安裝容量密切相關(guān)，濾波器安裝容量越小，則濾波 器投資越少。當(dāng)時(shí)，在第次諧波頻率發(fā)生調(diào)諧。因此，最小電容器安裝容量所對(duì) 應(yīng)的電容量為。式中，-第次諧波電流，-電容器兩端電壓，-次諧振角頻率，- 基波頻率（即50HZ）。（2）濾波支路電阻的確定電阻值同濾波器的最佳品質(zhì)因數(shù)Q密切相關(guān)，關(guān)系如下式：。根據(jù)工程長期 經(jīng)驗(yàn)，得出Q值可按30計(jì)算。（3）電感器參數(shù)的確定考慮到系統(tǒng)諧波

8、阻抗影響后單調(diào)諧濾波器并不是工作在全諧振狀態(tài)時(shí)最合理。 因此，濾波器中電感值應(yīng)采用偏諧振值，即。式中，-電感偏諧振率，一般取 0.015。3.2采用有源電力濾波器APF并聯(lián)型APF由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生器兩大部分組成。其中指令 電流運(yùn)算的方法采用基于瞬時(shí)無功功率理論的運(yùn)算方式，電流跟蹤控制策略采用 滯環(huán)比較法。此種方法具有響應(yīng)速度快、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。3.3采用LC濾波器組加STATCOM無功變動(dòng)引起的電壓波動(dòng)和電力電子變換元器件引起的諧波污染是海上風(fēng)電 場的主要電能質(zhì)量問題。因此考慮采取LC濾波器組加STATCOM的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式 對(duì)其進(jìn)行治理。由STATCOM補(bǔ)償原理可知，如果要實(shí)現(xiàn)容性無功補(bǔ)償，裝置輸出的電壓需要 大于系統(tǒng)電壓；如果要實(shí)現(xiàn)感性無功補(bǔ)償，裝置輸出電壓低于系統(tǒng)電壓。從降低 裝置的容量及成本的角度考慮，STATCOM的容性無功補(bǔ)償能力是有限的。因此可 考慮用固定濾波器組實(shí)現(xiàn)大部分的容性補(bǔ)償，而STATCOM則主要用于動(dòng)態(tài)感性 補(bǔ)償，二者配合可達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電場無功的目標(biāo)。4結(jié)論本章分析了風(fēng)力發(fā)