風電場新型綜合電能質量治理裝置

常亮亮，謝　毅，曾　萍，楊翠翠

（國網山西省電力公司，太原　030001）

風電場新型綜合電能質量治理裝置

常亮亮，謝毅，曾萍，楊翠翠

（國網山西省電力公司，太原030001）

針對風電場并網對電能質量的要求，研究了一種新型電能質量治理裝置，其兼具電壓無功控制和有源電力濾波的功能，既能對電壓質量進行控制，又可以對諧波進行治理，大大改善了風電場并網的電能質量，降低了線路損耗，還能動態調節諧波阻抗，避免電網局部發生振蕩。并通過接受自動電壓無功控制系統指令實現閉環控制。仿真和現場調試的效果，滿足了風電并網電能質量條件。

電能質量；有源電力濾波；電壓無功控制；多目標優化

隨著國家對新能源的開發利用，風電裝機規模迅速增加，對電力系統形成了新挑戰。由于風能的不可控性，風電經常扮演著逆調峰的角色。此外，風電場電能質量問題與傳統火電相比，主要體現在電壓閃變和諧波兩個方面［1-3］，一是由于配置了數量眾多的箱式變壓器，對電網不僅不能提供無功，反而從電網吸收大量無功；二是大量采用了以電力電子為核心的整流逆變裝置，諧波污染嚴重。現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）、靜止無功發生器SVG（static var generator）。風電場在投產前要滿足系統并網電能質量要求，就會投產SVC、SVG、電容器組和濾波器組等設備，這會造成部分功能重疊，重復投資，增加成本［4-8］。

本文提出一種適用于風電場的大功率電能質量治理裝置，它兼具無功補償和諧波抑制的功能，既能實現電壓質量控制，又能實現諧波電流治理，可大大改善電網的電能質量，降低線路損耗。根據電網需求及時精準地自動控制風電場并網母線電壓、改善電網無功分布、降少諧波電流，從而減低網損，提高電網安全經濟優質運行。

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

1　電能質量裝置的拓撲結構

諧振注入結構電能質量綜合治理裝置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成，TCR與串聯諧振支路可實現無極調節。

HSVQC具有傳統電壓無功控制VQC（voltage and reactive power control）和SVC的功能。圖1中，左虛框由載調壓變壓器與注入諧振支路構成VQC調節裝置，右虛框由TCR與注入諧振支路構成SVC調節裝置，APF與隔離變壓器低壓側附加電抗La并聯，通過耦合變壓器與由Ln1、Cn1和Ln2、Cn2構成的串聯諧振注入支路串聯接入電網。與傳統注入式結構相比，基波諧振支路替換為變壓器并聯附加電抗La，注入支路由注入電容換為串聯諧振支路。由于串聯諧振支路的存在，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，所以該結構大大減小了裝置有源部分的容量，使其更加適合應用于高壓系統［9-10］。此外，串聯諧振支路Ln1、Cn1和Ln2、Cn2還可以與附加電抗La構成另外2組單調諧，達到4組濾波器的效果，附加電抗并聯在低壓側可以降低電抗器的投資。系統不僅能夠調節電壓、補償無功和消除諧波，還可以動態地調節諧波阻抗，避免電網局部發生諧振，在動態治理諧波的情況下，對無功功率進行連續調節。

2　電能質量治理裝置的工作原理

HSVQC系統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，電網諧波電壓為USh，系統阻抗為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諧振支路串連接入電網。不接有源部分時U=0，系統的無功補償特性由TCR和串聯諧振支路決定，通過串聯諧振投入組數與晶閘管投切角度控制可實現無功連續調整，電壓平滑調節，具體特性不再贅述。接入有源逆變部分，控制U=KIsh，有源濾波器將發出諧波電流抵消系統所含諧波，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，有效控制系統的投資成本。

控制器通過控制U來實現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的控制策略U=KILh、基于電網諧波側控制策略U=KISh以及基于電網側電流ISh和諧波源側 ILh的復合控制U=（α1ILh+α2ISh）K，其中 α1、α2、K分別為不同的控制系數，在確保系統穩定的基礎上，采用復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H為

式中，ZSh、ZGh、ZRh、ZPh分別為電網阻抗、串聯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，控制系數分別為K=0、K=10和K=20的諧波函數幅頻特性如圖3所示。

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

從圖3可見，當K=0時，補償裝置相當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了放大現象；系統中存在3個明顯的諧振頻率點，當電網含有相應諧波時系統很容易發生諧振現象。當投入有源逆變器后，幅頻特性曲線的幅值都減小，極大提高諧波抑制的效果，流入電網側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態補償特性。隨著K值增大，系統的諧波抑制效果也變得更好，諧振點的幅值響應也明顯降低，有效地抑制了電網可能發生的諧振現象。但是隨著K值的逐漸增大，抑制效果并非成比例提高，而會使系統不穩定。

3　HSVQC多目標優化控制

HSVQC的控制目標涉及到電壓、無功和諧波，多目標優化控制不再追求單一性能的最優，而從全局進行優化［11-12］，根據電網下發AVC控制指令，實現無功就地平衡；根據風電場并網電能質量諧波要求，控制諧波含量，從而提高系統的經濟性和可靠性。優化目標以系統運行可靠為基礎，控制目標以電壓合格、無功達標、網損、電壓波動和諧波含有率等各指標為目標限值，運用優化方法得到控制參數的最優解；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，建立配電網多目標優化控制模型。

考慮電壓、無功、網損和諧波等目標限值，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多目標優化控制數學模型可以表示為

目標函數表達式為

式中：f1（x）為電網AVC電壓控制目標；f2（x）為電壓波動性指標；f3（x）為系統網損指標；f4（x）為并網諧波指標；ω1、ω2、ω3、ω4分別為電壓、無功、損耗和諧波函數的加權因子，其值取決于各分目標函數的數量級及重要程度，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、功角和節點電壓矩陣。

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

表1　優化前后各目標值比較Tab.1　Target comparison before and after optimization

4　HSVQC仿真與實驗

根據某風電場系統參數，結合圖1的拓撲結構搭建仿真模型，通過測量投運前后數據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系統投入前后母線電壓、并網電流對比分析，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為多目標優化控制前后電壓調節對比波形，Vpu1、Vpu2是投入裝置前后的電壓波動情況。由圖可以看出，優化后效果顯著，傳統控制策略，在調節性能上電壓的波動較大，響應時間較慢，特別是在電壓無功控制死區，裝置無法確定控制方式，延長了調節時間；優化后的控制策略響應時間縮短，穩定性提高。

圖5　多目標優化前后的電壓波形Fig.5　Voltage waveforms before and after multiobjective optimization optimization

通過風電場實驗裝置參數測量對比分析，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要求，系統電壓無功滿足AVC控制目標。

5　結語

本文對風電場新型HSVQC電能質量裝置拓撲結構進行了研究，系統工作原理展開分析，并在此基礎上應用了多目標優化控制策略。

HSVQC兼具傳統VQC和SVC的功能，在保證電壓控制的同時，既能實現無功的連續調節，也能實現對諧波動態治理，采用電壓無功諧波多目標優化控制策略，同時考慮電壓、無功、諧波和網損等多個優化目標，使系統性能最優，效益最大，不僅提高了系統的控制精度，還有利于系統穩定。通過仿真和實驗驗證了HSVQC系統可行性和穩定性。

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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，研究方向為智能調度、電力系統運行與控制。Email：cll150@163.com

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

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

2014-05-20；

2015-07-16