整流負荷接入系統對風電場的影響研究

趙 斌 王維慶 吐松江·卡日 王銀萍

(1.新疆大學電氣工程學院，烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發電與并網控制工程技術研究中心，烏魯木齊 830047)

由于以上問題的存在，使電網附件損耗增加、品質變壞、波形失真、頻率改變，過度消耗電網中的無功功率和電流有效值，從而增加了電網的負擔，因此急需對以上問題進行治理。治理的首要問題是對系統的諧波、無功和負序進行精確的檢測。關于諧波和無功的檢測方法，大量文章已對其進行了研究，文獻[3]中采用了基于瞬時無功理論的ip-iq法和基于自適應對消原理的自適應閉環諧波檢測方法對諧波進行了檢測，其中自適應閉環諧波檢測方法檢測精度受參數的影響較大，而ip-iq法更簡單可行。對于負序的檢測方法，文獻[4]提出了基于單相電氣化鐵路系統的諧波和負序電流的檢測方法，但該檢測方法只能用于單相系統負序和諧波的檢測。而文獻[5]基于改進對稱分量法的正、負序電流檢測方法，能很好地檢測三相系統的基波正序和基波負序電流。只要可以檢測出系統的諧波、無功和負序電流，便可以計算出需要補償的諧波及無功容量進行無源補償[6～8]，或者通過有源濾波器進行跟蹤補償[3，9～12]，最為直接有效。因此筆者針對風電場可能存在的諧波、無功及負序等電能質量問題，通過檢測流入風電并網點處的諧波電流和無功電流，經過研究分析，提出了相應的治理措施。

1 基于瞬時無功理論的檢測方法①

基于瞬時無功理論的檢測方法有p-q法和ip-iq法，這兩種方法都可以檢測三相系統的諧波和無功電流。但是由于p-q方法在檢測過程中電壓信號參與了運算，當系統電壓發生畸變時，會對檢測結果產生影響，而ip-iq不存在此類問題。

1.1 ip-iq的諧波和無功電流檢測方法

基于瞬時無功功率理論的ip-iq檢測方法的原理如圖1所示[3]。

圖1 基于瞬時無功功率理論的ip-iq法

(1)

(2)

(3)

(4)

把系統側的三相電流看作由基波有功電流、基波無功電流和諧波電流組成，基于瞬時無功功率理論的ip-iq法，根據不同的檢測目的，可以通過調節圖1中的開關來實現對以上3種電流的檢測。

1.2 負序電流的檢測方法

對于三相系統，如果三相電壓對稱且負荷也同時三相對稱，則該系統理論上不會存在負序電流。由于ip-iq檢測方法不能直接檢測系統的負序電流，因此需要對以上方法進行改進。

1.2.1存在單相負荷的系統

對于對稱的三相系統，若接入單相負荷，負荷三相不對稱，則該系統存在負序問題。文獻[4]基于單相電氣化鐵路負荷，檢測兩個供電臂的瞬時電流iaL、ibL，兩供電臂電壓ua、ub。負序和諧波電流檢測電路如圖2所示。

圖2 負序和諧波電流檢測電路

1.2.2存在不對稱三相負荷的三相系統

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對于對稱的三相的系統，若含有不對稱的三相負荷，也存在負序問題。文獻[5]提出了基于瞬時對稱分量法的正、負序電流檢測方法，其控制原理如圖3所示。

圖3 基于瞬時對稱分量法的正、負序電流檢測原理

圖3中有關物理量的表達式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

由圖3可知，通過廣義d-q變換，可以分別得到三相電流的正、負序d-q分量。在三相三線制系統中，零序分量為0，因此正序和負序電流的基波分量直接相加即可得到三相電流的基波分量[5]。顯然要想檢測系統的負序電流和諧波電流，只需要用三相電流減去基波電流的正序分量。

2 實例仿真

仿真系統為三相工頻220kV系統，先后經過兩次變壓：220kV/25kV、25kV/690V。風電場出口電壓為690V，風電場中含有6臺容量為1.5MW的雙饋風機。仿真過程設定風速為恒定風速15m/s，槳距角設為0。在此基礎上對不同情況下并網點的電壓和電流波形進行分析。

三相整流負荷由47μF的電容并聯33Ω的電阻構成。由于三相系統對稱，三相非線性整流負載也為三相對稱負載，因此補償前、后系統三相電壓、電流波形仍然對稱，因此筆者只研究系統a相電壓、電流波形。系統a相電壓、電流波形經FFT分析，見表1。

表1 系統a相電壓、電流波形經FFT分析結果

由表1可以很容易看出穩定前690V風電場并網側母線電壓畸變率均比25kV系統側母線電壓畸變率大，這是由于25kV系統電壓等級較高，抗干擾能力較強。當系統穩定后，25kV側母線電壓和690V母線側電壓、電流畸變率各自維持在某一數值。

當系統不存在三相整流負荷時，0.1s系統穩定后的電壓、電流畸變率均小于2%，滿足系統的電能質量要求，說明系統自帶的濾波器可以滿足要求。當25kV側加三相整流負荷時，在25kV側和風電場并網點電壓、電流均產生較大的畸變，需要額外加入濾波裝置，這是由于諧波的高壓滲透性造成的[13]。但當風電并網點處加入三相整流負荷時，穩定后不論是25kV側還是風電并網點處電壓、電流畸變率均小于2%，滿足系統電能質量的要求。這說明三相整流負荷所產生的諧波均被風電場內部的濾波裝置消除。

因此需要補償的情況只有一種，就是當25kV母線側存在三相整流負荷時，需要在風電并網點加裝補償裝置。圖4～6分別為此種情況下風電場并網點處的三相電壓、電流波形，a相諧波電流波形和a相基波無功電流波形。由于三相系統對稱，三相非線性整流負載也為三相對稱負載，因此檢測結果基本不包含電流信號的負序分量，圖7也驗證了這一點。因此可以根據以上的檢測結果，把檢測出的諧波電流和無功電流作為指令電流，一方面通過有源濾波器對諧波電流、無功電流進行跟蹤補償，從而使系統中幾乎不存在諧波和無功；另一方面還可以通過計算無功補償容量，加裝無源濾波器和無功補償裝置，抑制諧波并補償無功，從而保證系統的正常運行。

圖4 風電場并網點三相電壓、電流波形

圖5 風電場并網點a相諧波電流波形

圖6 風電場并網點a相基波無功電流波形

圖7 風電并網點基波正序、負序、零序電流幅值

3 結束語

基于并網風電系統，在不同電壓等級處接入非線性整流負荷，對比分析風電場并網點處的電壓和電流波形，得出當風電并網點處加入三相整流負荷時，由于風電場內部濾波裝置的存在，當系統穩定后不論是25kV側還是風電并網點處電壓、電流畸變率均小于2%，滿足系統電能質量的要求。當25kV母線側存在非線性整流負荷時，25kV側和風電場并網點的電壓、電流波形均產生較大的畸變，即高壓整流負荷對風電場的影響較大，此時需要在風電場并網點處加裝額外的濾波裝置對諧波進行治理。

由于筆者研究的是三相對稱系統，三相整流負荷也為三相對稱負荷，因此系統中基本不存在負序問題。因此下一步可以從不對稱負荷的角度出發，補償系統的諧波、無功和負序，以實現電力系統電能質量的綜合治理，使電力系統更加安全、穩定運行。