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估方法等進(jìn) 行總結(jié)；然后對海上風(fēng)電場的諧波治理方案進(jìn)行總結(jié)，分別對無源濾波器、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， 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。對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的諧波需要采用實(shí)測的方式來確定。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諧波源疊 加計算方法。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，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。多個諧波源的疊加國標(biāo)GB/T14549-93中給出了兩個諧波源的同次諧波電流在同一相上疊加，當(dāng) 相位角已知時按下式計算

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)相位角不確定時按下式計算：(2.3)式中，系數(shù)按表1選取。表1式2.3中系數(shù)的值兩個以上同次諧波電流疊加時，首先將兩個諧波電流疊加，然后再與第三個 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)量測試和評估標(biāo)準(zhǔn)中風(fēng)電場諧波注入計算方法與評估該標(biāo)準(zhǔn)提出了風(fēng)力發(fā)電諧波相關(guān)的檢測與評估方法。1）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組諧波的檢測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 計算方法，給出了連接在公共連接點(diǎn)上的多臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組引起的諧波電流的計 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個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變壓器的變比；為第i個風(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個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變壓器的變比；為第i個風(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、主動治理、被動治理。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；在主動治理中，可采用增加整流裝置脈動數(shù)、脈寬調(diào)制PWM技術(shù)等措 施。以下重點(diǎn)介紹被動治理的措施。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，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 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)動態(tài)連續(xù)實(shí)時補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)。3.3采用LC濾波器組加STATCOM無功變動引起的電壓波動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的動態(tài)調(diào)節(jié)方式 對其進(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則主要用于動態(tài)感性 補(bǔ)償，二者配合可達(dá)到動態(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)