考慮風機諧波阻抗的諧波責任劃分

王睿琦

摘 要：本文旨在分析考慮風機諧波阻抗下風電場諧波責任劃分，以永磁直驅型風機接入電網為例，以目前較為成熟的諧波責任計算方法為基礎，對風電諧波阻抗及諧波責任進行估算。傳統諧波責任估算方法由于存在系統側諧波阻抗要遠小于用戶側的假設，因此常將用戶側諧波阻抗忽略，而作為用戶側接入電網的風電場，由于包含大量非線性元件，因此其諧波阻抗不能忽略。本文根據風力發電場的組成及相應的拓撲結構，建立合適的風機和風電場電氣諧波模型，用于估算風電場的諧波阻抗，并對傳統主導波動量法的計算步驟進行相應的改進，利用MATLAB仿真軟件，對諧波阻抗和諧波責任進行仿真計算并分析計算結果，用以驗證本文方法的可行性，并總結一種能夠進一步降低估算誤差的諧波責任估算方法。

關鍵詞：風力發電;永磁直驅風機;電能質量;諧波阻抗;諧波責任劃分

中圖分類號：TM711 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0191-05

1諧波阻抗研究

1.1研究背景

隨著電力系統的發展，電力系統逐漸由單一的大容量集中式發電形式向分布式電源和集中式發電相結合的形式轉變，提高了電力系統的穩定性，同時降低維護成本。其中分布式風力發電是應用較為廣泛的分布式電源，是指采用風力發電機作為供電設備的分布式電源，單臺風力發電機發電功率較小，通過模塊化設備組分布式的布置在用電負荷附近，能夠針對集中式大功率供電難以達到的地區以及負荷容量進行補足和替代，同時風力發電是一種無污染的可再生能源，不會對環境造成嚴重的破壞。

但同時風能的接入會對電網產生負面影響。首先風能的來源不穩定，其產生的電能具有隨機性和波動性的特點，不利于電力系統的穩定運行。其次近年來恒頻、可變速的風機逐漸成為風力發電的主要機型，因此大量的整流逆變設備接入電力系統，給電網帶來了巨大的諧波問題，進而影響電網中的電能質量。

1.2研究意義

傳統諧波責任劃分方法包含用戶側諧波阻抗遠大于系統側|Zs|<<|Zc|的假設，因此忽略了用戶側諧波阻抗，當傳統方法應用于風電場接入的電網時，由于風電場諧波阻抗不可忽略，因此諧波責任計算結果不準確。

為了合理處置由風電產生并流入電網的諧波導致的諧波責任分配問題。本文的目的在于在考慮風電場即風機諧波阻抗的前提下得出一種誤差更小的諧波責任劃分辦法。通過建立風電場的諧波模型，同時對傳統諧波責任劃分方法進行改進，使其能夠適用于風電場環境下的諧波處理。其次通過奈爾檢測法等篩選方法降低系統側諧波阻抗估算誤差。

2諧波阻抗估計

2.1 系統等效電路圖

本文針對風電場的諧波責任計算，將除風電場外的其他諧波源歸為系統側，將風電場側作為系統中的用戶側[5-6]，以公共連接點為諧波電壓和電流的測量點，故電網結構可根據諾頓定理簡化為圖1的系統側-用戶側結構。

2.2主導波動量法

波動量法的首次提出是在1996年法國巴黎的國際大電網會議上。由我國學者楊洪耕教授提出?；舅枷胧窃谂潆娤到y中，電流的變化會引起典雅的變化，進而引起諧波阻抗的變化。系統中電壓波動量和電流波動量的比值能一定程度上代表諧波源諧波阻抗的阻抗值。后續還有許多針對性的改進方法，其中包括對諧波波動量數據采用基于統計學原理的篩選方法進行篩選，進而得出更精確的諧波阻抗結果[4]。

其中α為奈爾系數，一般按照1～1.5，由此篩選出滿足要求的樣本量，再根據傳統波動量法估算諧波阻抗和諧波發射水平。計算諧波電壓和諧波電流的波動量比值，其中實部為正的為此數據組計算得到的系統側諧波阻抗。

為進一步降低諧波發射水平估計的誤差，對于波動量法還有選取合適的奈爾系數，降低背景諧波波動量等方法。

2.3風電場諧波阻抗建模

為滿足前文估算方法的要求以得到精確的諧波阻抗值。對于風電接入的電網系統，需要對風電場即此系統用戶側建立諧波模型[7]，用于計算用戶側諧波阻抗，便于后續諧波責任計算。

本文以永磁直驅風機為例，此類型的風機中，風輪和發電機直接相連，多級低速永磁同步發電機由風輪直接驅動，所產生的的電能經由功率變換器轉換后并入相關電網。

永磁直驅型風機由于結構簡單，不需要勵磁繞組同時維持了較高的效率，在中小型風力發電場中應用廣泛。由其組成的風電場整體拓撲結構如圖2。

單臺風力發電機組經由變流器裝置和變壓器裝置集中接入集電線，集電線經過升壓變壓器后接入電力系統[3]。電能經由整流和逆變裝置以及濾波裝置后連接箱式變壓器，使電壓達到集電點電壓（一般為37kV），其連接到PCC點的電路如圖3。

永磁直驅型風機采用的是全功率變流器，其中靠近風機側的整流器與靠近網側的逆變器由直流電容在中間隔開[1]。因而由風機注入電網系統的諧波只由網側逆變器產生，可將其等效為一個諧波源。計算風機諧波阻抗的等效電路為一個等效諧波源和濾波器組成的等效電路如圖4。

若針對某處風機故障或暫停運行，僅需對各集電線內阻抗的風機數N作出修改。為了簡化計算過程，本文計算暫不考慮系統中的無功補償裝置阻抗。

2.4 諧波發射水平及責任估計過程

對諧波阻抗進行估算后，需結合實際的諧波波動量對PCC點處的各諧波進行諧波發射水平估算[10]及責任劃分具體步驟如下：

如圖5所示，電力系統中通常包括多個負荷，每個負荷都會產生諧波進而對電網造成沖擊[2]，因此需要明確各負荷以及系統側的諧波責任。大體上體現為各諧波發射源的諧波占比。

對于系統諧波發射水平的理解主要側重于系統兩側的諧波電壓和電流大小，相應諧波評估指標的計算也以諧波電流和電壓為基本量。而對于諧波污染的治理，考慮到諧波責任的公平劃分，則需要考慮電力系統PCC點兩側的諧波占比[9]。

依據疊加定理得到等效電路圖6。

如圖7所示，pcc-s和pcc-c分別為系統側和用戶側的諧波電壓，pcc為PCC點的諧波電壓，Upcc-s-p和Upcc-c-p分別為以pcc為參考向量，兩側諧波電壓在其延長線上的投影。

3仿真計算及實測數據分析

3.1 仿真計算

使用MATLAB軟件進行模型搭建，設置系統諧波參數如下：

設置風電場側諧波電流Ic的的幅值近似為200A，初始相角為30°，為模擬諧波的實際情況，對其復數實部施加20%的余弦波動和5%的隨機波動，對其虛部施加20%的正弦波動和5%的隨機波動;系統側諧波電流Is幅值近似設置為100A，初始相角為60°，并對其施加相同的波動。

3.1.1 風電場諧波阻抗計算

根據實際風電場參數，本文設置風電場相關仿真參數如表1。

由此結果對比所設置的仿真參數可驗證，風電場系統側和用戶側諧波阻抗相差不大，并不滿足傳統電力系統中用戶側遠大于系統側的假設，因此本文研究是有意義的。

3.1.2 系統側諧波阻抗仿真計算

將已設置的100個仿真數據作為一個數據組，在一個數據組內利用復線性回歸方程法估算系統諧波阻抗以及兩側諧波電壓，并重復計算100次以模擬采集到的大量諧波數據下的估算過程，得到本論文方法下的系統側諧波阻抗估算結果。

根據篩選過后的諧波數據計算得到系統側諧波阻抗值復數值為3.2+3.9i。

為驗證奈爾檢測法的篩選效果，在估算用戶側諧波阻抗的過程中，將利用原始波動量方法估算得到的諧波阻抗值作為原始估算值。（其中奈爾系數按照1.2選?。?/p>

具體結果如表2，可見篩選過程能夠顯著降低系統側諧波阻抗的估計誤差，能為后續估計諧波發射水平提高準確性。

3.1.3 諧波電壓及諧波責任仿真計算

諧波發射水平計算依據上述計算方法，得到相應的用戶側諧波發射電壓仿真計算結果如表3。

根據表3數據結果得出考慮風機諧波阻抗能夠進一步降低諧波發射水平的估計誤差，得到更精確的諧波電壓估算結果。另根據相應的諧波責任計算步驟計算得到諧波責任及其相對誤差如表4。

根據以上仿真計算結果，可以得出結論在本文條件下，以波動量法為基礎計算時，考慮風機諧波阻抗時計算的諧波責任誤差更小。本論文方法估算下幅值誤差和責任占比誤差在多次計算中均能保持在5%以下，處在可接受范圍內。

為尋求進一步降低估算誤差的方法，本論文對波動量法估算過程中的部分步驟及參數選取進行改進。

首先對不同的奈爾系數下的估算結果進行比較，由于奈爾系數一般按照1～1.5的范圍選取，在不同奈爾系數計算結果下可知奈爾系數對誤差結果的影響有限，并不能有效地降低誤差。

其次可設置額外的波動量篩選過程：

ΔIS（i）≤1%IS

其中ΔIS（i）為諧波電流的波動量，將經過優化后的波動量數據組代入計算ΔUPCC、ΔIPCC的式子中得到優化后的PCC點諧波波動量。然后再進行后續計算，得到改進后的誤差計算結果如表5。

對比初步方法可知將背景諧波波動篩選并限制在一個較小的值后得到的誤差均有所降低。降低背景諧波電流波動量是能夠有效降低諧波責任誤差和諧波阻抗的幅值誤差的改進方法。

由上述仿真計算可以得出結論：對于波動量法，考慮風機諧波阻抗時得到的計算結果更加精確，相比較參考值的誤差更小。并且以波動量法為基礎，對初始諧波數據進行篩選后能將相應的諧波阻抗計算誤差保持在5%左右，與復線性回歸方程法比較來說更加精確。由此可見對于風電場的諧波阻抗及責任估算，考慮風機的諧波阻抗能夠顯著降低估算誤差，得到更精準的風電諧波責任估算結果。

以波動量法為基礎，進一步篩選背景諧波波動量后，能將相應的諧波阻抗幅值誤差以及諧波責任誤差降低至3%左右。

3.2 實測數據計算與分析

在實際劃分諧波責任的過程中，通常通過參考實測一段時間內公共連接點的諧波電壓和電流數據，以及相應的諧波阻抗參考值等數據來實現兩側諧波發射水平的估算以及諧波責任的估算。

本文此次引用的實測數據為某風機接入電網時，某一天內，每1min采集一次的公共連接點處的5次諧波電流數據，共1440組諧波數據。諧波波形如圖8所示。

可見系統側諧波阻抗估算結果在可接受范圍內，幅值誤差較仿真計算時偏大。

3.2.2 諧波電壓及諧波責任計算

由于公共連接點PCC處的諧波電流電壓和系統側、用戶側的諧波數據存在以諧波阻抗為系數的關系，因此可知系統側和用戶側的諧波電流波形。

由以上諧波計算結果可以得出，在此風機接入電網時，相比較傳統忽略風機諧波阻抗的方法，考慮風機諧波阻抗下對其諧波責任進行計算能夠得到較為準確的結果。其中系統側諧波阻抗的估計結果幅值誤差在5%以內，風機側諧波電壓幅值誤差和責任占比誤差均在4%以內，處在可接受范圍內。同時利用相應的篩選方法對諧波數據進行篩選能夠進一步降低諧波阻抗和諧波責任的計算誤差。

另外多次采集諧波數據計算結果相差不大，誤差保持在5%以內。

由此可見本論文的波動量法估算的諧波電壓以及諧波責任占比基本具有可行性，對于多次采集的諧波數據均有較為準確的計算結果，計算結果較參考值的誤差較小，且均在可接受范圍內，相比較傳統忽略風機諧波阻抗的諧波責任估算方法能夠顯著降低估算誤差。此外諧波阻抗的估算結果誤差也能控制在5%以內，符合相關誤差要求。

4結語

（1）本文以利用奈爾檢測法篩選波動量的主導波動量法為基礎對風電場接入的電網系統進行諧波責任劃分，考慮到風電場側的風機諧波阻抗，對計算方法進行改進，獲得誤差更小的諧波阻抗計算方法，利用仿真計算和實測數據分析驗證了改進方法的可行性。

（2）針對采集到的諧波電流和諧波電壓波動量，采取了進一步的篩選方法，降低參與計算的諧波電氣量的波動量，經驗證能夠進一步降低諧波責任估算誤差。

（3）本文以永磁直驅型風機為例，建立了風電場的諧波阻抗模型，對于中小型風電場和單個風機的諧波阻抗能夠較準確地估算，但對于部分大規模，且包含多種風機類型的風電場還需要進一步完善諧波模型，以達計算方法的普適性。

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