采用濾波器的風電場諧波抑制策略研究

張 瑜，李穎峰

（陜西理工大學，陜西 漢中 723000）

1 緒 論

1.1 課題研究的背景和意義

風力發電是一種利用現代科技的綠色發電技術，且風能屬于再生資源，是一種很好的發電手段，擁有廣闊的利用前景。目前，我國具有風能的地區多人煙稀少，存在分布不均衡的問題[1]。我國西北地區的草原和沙漠以及沿海地區，利用風力發電是一種良好的發電手段，對我國來說具有重要意義。近幾年，隨著世界經濟的發展，人類對電能的需求日益加劇。考慮到我國能源供需的不充分、不平衡矛盾越來越尖銳，合理利用電能、節約能源問題成為我國的一大社會問題。

風電一體化需要大規模接入電力電子設備，不可避免地帶來了高頻次、隨機性、寬頻域諧波污染。因此，抑制并網過程中產生的諧波問題顯得尤為重要，以保障風力發電技術的廣泛化、安全化運用。當前，研究學者致力于找到并網諧波的解決手段。

1.2 課題的研究現狀

隨著風力發電技術的發展，并網過程中產生的諧波問題依然沒有得到完美解決。目前，國內風力發電機組大多數是雙饋型風力發電機。一般而言，發電場的容量相當大，相對風電機組的輸出電抗值來說相對較小，產生的諧波問題也相對較少。

1.2.1 控制相關的電力電子器件

由于風電機組產生的電能電壓具有隨機性，頻率十分不穩定也不規律，雖然也是交流電，但無法直接并入正常使用的擁有穩定電壓的電網。因此，需要使用變流器對風電機組產生的不規律交流電進行整流和逆變，以符合并網要求，通過控制相關的電力電子器件的開斷時間優化改進變流裝置的控制效果，從根本上抑制諧波。

1.2.2 使用濾波器過濾諧波

考慮到抑制諧波過程中的成本問題，使用濾波器是成本低、應用廣泛的一種方式[2]。工作人員可以對濾波器進行設置，使其自動過濾頻率紊亂的諧波，以達到符合并網要求的穩定頻率的波形。

1.2.3 使用裝置對諧波進行精準檢測

在諧波抑制過程中，精準的檢測諧波是關鍵，也是前提。采用更加完備的裝置在風電機組并網過程中監控電壓質量和電壓的穩定性，通過精確計算確定最佳的控制策略，以追求最佳抑制效果。目前，經常使用的兩種諧波檢測方法分別是畸變與非畸變電流法和諧波狀態估計法，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，對諧波的精準檢測和評估仍然是一個挑戰。

1.3 主要研究內容

在閱讀國內外相關研究文獻的基礎上，本文重點探討如何抑制風力發電組并網中的諧波。組織結構為：（1）風力發電機的工作原理及其并網過程；（2）諧波的來源和諧波的分析方法，其中有頻率掃描法、模態分析法和頻模分析法3種方法，以及它們各自的優缺點；（3）無源濾波器、有源濾波器以及將其應用于諧波抑制的控制策略研究。

2 風電機組并網運行問題概況

2.1 風電機組并網的工作原理

風力發電機是將風能轉化為機械能，進而轉化為電能的裝置。核心是發電機，常用的有雙饋異步電機、同步電機和永磁電機等。圖1為風電機組發電與并網過程原理圖。

圖1 風電機組并網過程原理圖

由于變流器內部含有無數的電力電子器件，能量在供給電網前會含有大量諧波，所以此時應采取措施降低諧波含量。常用的措施是運用電力電子設備如濾波器、電抗器等除去能量中的部分諧波。

2.2 風電機組諧波來源

雖然風力發電是目前能被大眾廣泛認可的清潔新能源，但是其自身仍然存在著不穩定性、地域性、隨機性等特點，使其產生的電能無法源源不斷且穩定供應到電網中去。諧波含量超標嚴重降低了電力系統的穩定性，為了維持電力系統的安全穩定運行，需將諧波含量降低到一定標準以下。表1給出了不同電壓等級母線的各次諧波電流注入允許值。

2.3 風電機組諧波分析方法

在對諧波進行研究前，首先需要對產生的諧波進行檢測與分析。目前，分析諧波的方法多種多樣，常用的有頻率掃描法、模態分析法和頻模分析法3種[3]。這3種方法各有優缺點，運用時要根據實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算諧波可能發生的條件，也可以預算諧波較小或不影響并網運行的條件，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，無法精確預測波形頻率。并網過程中發電機組系統是否會產生諧波，還需要結合具體的系統阻尼值進行分析計算。

2.3.2 模態分析法

模態分析方法以諧波分析為對象，研究諧波的特征值，通過測量諧波的頻率，分析并網過程中發電機組系統是否會產生諧波。與特征值分析不同，該方法通過模態阻抗（即最小特征值的倒數）來確定系統的諧振頻率點。

2.3.3 頻模分析法

頻模分析法是前兩種方法相結合的一種方法。先掃描節點阻抗，確定風電機組系統內的諧波頻率點和阻抗值，以獲得諧波電壓放大后的最大值，然后通過計算諧振頻率點的參與因子矩陣和節點電壓振型，確定系統諧振的主要影響區域和諧振類型。

3 風電場的諧波抑制策略研究

目前，專家學者們對風力發電諧波的抑制做了大量研究。諧波的存在嚴重降低了電力系統的電能質量，降低了電力系統的穩定性，所以研究高效的風力發電諧波抑制方法對風力發電技術的發展具有重大意義。一般情況下，對電網諧波污染處理的手段有3種[4]：（1）治理受端，即在受到電網諧波污染的附近對諧波進行吸收；（2）優化波源特性，即從源頭上減少產生的諧波；（3）被動治理，即在電機組上裝上過濾器，這種辦法能夠減少諧波進入電機組。

現在應用較多的是通過裝設濾波裝置進行諧波抑制，主要有無源電力濾波器、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源電力濾波器的風電場諧波抑制策略，介紹兩種濾波器的工作原理，基于它們各自的原理設計不同的抑制策略，并給出所用到的控制框圖。

3.1 諧波抑制常用的濾波器

濾波器在各行各業應用廣泛，是一種電力電子器件，由電感和電容等構成，功能是過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點。它能夠從大小和頻率兩個方面處理諧波，而且能夠有效跟蹤補償對象；不易受到電網參數的干擾，且不會與系統共振；反應極快，能夠迅速捕捉電網頻率，并及時做出反應；能夠在同一時間補償多個諧波，在補償過程中不會產生互相影響。

3.1.2 無源濾波器

無源電力濾波器組件構造十分簡單且成本非常低，也方便對它進行維護，所以應用非常廣泛。但是，這種電力濾波器非常容易受到其他電網的干擾，易與它們產生諧振而發生事故。所以，無源電力濾波器的安全可靠性不如有源電力濾波器，常被應用于一些特定場合。

3.2 基于有源濾波器的抑制策略

電力濾波器有并聯型和串聯型兩種，劃分依據是與補償對象的連接方式。現在并聯型電力濾波器由于其諸多優勢，在電氣領域應用較為廣泛。并聯型有源電力濾波器運行原理如圖2所示，諧波從負載模塊發出，指令電流運算電路和補償電流發生電路組成了有源電力濾波器。指令電流運算電路也稱諧波電流檢測電路，檢測負載電流中的諧波電流分量，將其反相作為補償電流的指令信號。

圖2 有源電力濾波器原理

補償電流發生電路包括電流跟蹤控制電路、主電路與驅動電路3個構件[5]，作用是在跟蹤控制電路時產生追蹤的指令，通過這些指令發給各電路器，這些電路器產生了一個脈沖對指令做出反應。現階段主要的電路一般采用PWM變流器，目的是能夠根據獲得的脈沖補充電流，最后得到比較穩定的電流。

3.3 采用無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的非晶合金材料，損耗較小，所以平衡電抗器的效率會更高。采用平衡電抗器和無源濾波器的控制策略，不但可以抑制風電場諧波的產生，還可以使母線電壓趨于穩定，峰值差別較小，從而提高輸送給電網的電能質量，保證電力系統中各個負載的安全穩定運行。

本著安全性和效率第一的設計原則，在研究并聯型12脈波自耦變壓器的基礎上，設計一款配備有無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注入，可以很大程度地提高該系統所輸送的電能質量，而且輔助電路設計更簡便、易實現，故障率較低，壽命更長。

圖3 采用無源濾波器的諧波抑制策略原理圖

4 結 論

在國內外專家對風電場諧波的研究基礎上，闡述風機的工作原理和并網過程，分析諧波的產生，并介紹頻率掃描法和模態分析法等幾種諧波分析方法以及各個方法的優勢與劣勢，為以后相關的研究提供了參考，最后提出了采用無源電力濾波器和有源電力濾波器的兩種不同的風電場諧波抑制策略。通過驗證，該方法可有效抑制諧波的產生，且有源電力濾波器的抑制效果優于無源電力濾波器。