雙饋風電機組諧波特性研究及聯合仿真研究

中電建新能源集團股份有限公司華中分公司 羅宇航

1 引言

雙饋式風電機組在工作時，其內部的電子組成元件反復吸合，不可避免地產生諧波分量，進而對配電網帶來諧波污染，導致機組設備損耗和老化加劇，給電網的穩定運行埋下安全隱患。目前行業內抑制諧波產生的措施大致有兩個方面，一方面對諧波電流產生源頭（用電負荷側的電力設備本身）進行技術改造，將諧波電流扼殺在萌芽狀態，同時增強對入網客戶設備選型的指導與監督，優先采購配置好、效率高的設備，根本上控制諧波電流產生。另一方面是加裝諧波電流補償設備，例如新型濾波裝置等，該裝置能夠產生與負荷諧波I大小相同但方向相反的補償I，從而起到遏制諧波的作用。

2 雙饋式風電機組諧波形成原理

2.1 雙饋式風電機組介紹

風力資源取材方便，是一種可以長期反復利用的能源。雙饋式風力發電機組利用自然界風能，通過齒輪箱，把葉片從外界風力處獲得的低轉速借助齒輪副增速至發電機正常工作的額定轉速，將低轉速大扭矩的機械能增速后帶動機組進行發電，最終達成風能與電能的轉換。

2.2 配電網諧波定義

實際用電過程中，接入配電網的負荷大多是非線性的，故在導通電流時，負載的U-I曲線并非線性圖樣，因此電網中就會形成諧波。諧波通常指周期電氣量的正弦波分量，其f是基波量的整數倍。一般情況下，在三相負載分布平衡的情況下，ABC三相電壓的相位差也相對較小，系統的對稱特征會滅除偶次諧波成分，剩下奇次諧波成分。要避免配電網三相負載失衡現象發生，需要按相關用電量要求將用電客戶劃分為大型用電客戶、普通用電客戶、小型用電客戶、商戶、工廠以及養殖業用電客戶等。三相負載平衡工作以工程用戶為基石，并將此類用戶的功耗恒定在規定電壓之下，令各個時間節點內的三個I保持相同。這樣一來，不僅可以確保三相負載的平衡，還可以降低諧波產生[1]。諧波含量的計算式為：

2.3 變流器諧波形成機理

以網側變流器為例進行介紹，如圖1所示。其中，Uga、Ugb、Ugc依次為三相電壓；iga、igb、igc分別為網側變流器的輸入三相電流；Vga、Vgb、Vgc分別為網側變流器三相交流電壓；Vdc為母線直流電壓；iload為直流側負載電流，Lg是電抗器的電感；Rg是電抗器的電阻；C是母線電容。假設圖中的功率元件不計損耗，為理想開關，則三相坐標系下，網側變流器的數學參考模型[2]是：

圖1 變流器主電路

式中：Sga為變流器A相橋臂開關函數；Sgb為變流器B相橋臂開關函數；Sgc為變流器C相橋臂開關函數。

根據KCL定律可知，三相電流和等于0：

網側變流器三相交流電壓與各開關狀態Sga、Sgb、Sgc之間關系為：

綜合式（2）、式（3）、式（4）可得：

3 雙饋式風電機組諧波抑制策略研究

綜上可知，在配電網中存在諧波的情況下，風電機組的運行會受到一定程度的影響，設備本身在PCC點形成相應的諧波并入配電網。當配電網諧波比例過大時，風電機組設備產生的諧波并入配電網后將會更加惡化電網環境，嚴重時將造成配電網產生大幅度振蕩，所以，雙饋式風電機組并網前諧波的治理十分關鍵。本文采用VIPR技術[3]，主要是借助虛擬阻抗的諧波抑制方法。虛擬阻抗的抑制諧波法主要對雙饋式風電機組變流器元件的供電回路進行控制[4]，包含前饋及反饋環節，風電機組諧波分量控制框原理如圖2所示。

圖2 風電機組諧波分量控制框原理

依據原理控制圖，結合風電機組自身工作情況，可得到第n次諧波分量表達式[5]：

4 試驗仿真案例

4.1 案例概況

試驗選取某型號的雙饋式風電機組為對象，機組功率為3MW，額定電壓為690V，配電網電壓為35kV，試驗風速為10.5m/s。本文采用了兩種軟件搭建雙饋式風電機組的機械及電氣系統，一是利用Bladed軟件對機組的機械部分進行設計，用于搭建齒輪箱、液壓制動器、通風、轉子輪轂、偏航驅動、聯軸器等模型；二是利用Matlab仿真程序，系統化搭建雙饋式風電機組的發電機、變流器、逆變器等電氣設備。試驗環境實時采集現場風速，如圖3所示。

圖3 現場測試風波形

4.2 電網模型建設

本文研究的雙饋式風電機組工作環境是配電網存在諧波的情況下，故在電網模型設計時應考慮融入背景諧波。本文借助Matlab軟件本身的可控電源進行電網模型搭建，如圖4所示。在高壓側加設諧波融入模塊，實現指定諧波添加功能，與電網實際運行工況高度相似，該算法的理論分析具有一定深度，基于積累的大量運行數據，能根據自身工作機理靈活變通，對于非線性工況的估測，能夠實現貼切控制計算過程，盡可能地降低計算誤差。

圖4 配電網模型結構

4.3 試驗結果分析

在三相電源模型的高壓側添加背景諧波，以便仿真配電網的實際工作環境，高度還原正常配電網工況下的風電機組諧波特征，實現單一變量控制。此外，還需要單獨在配電網Matlab模型中增加電網五次、七次諧波等低次諧波，用于仿真風電機組在五次、七次諧波工況下的諧波特征。

為了驗證虛擬阻抗的抑制諧波法的效果，需分為三組試驗，具體設置見表1，然后分別記錄試驗中機組PCC點電流、電壓在不同分組工況下的諧波數據。結果如圖5、圖6所示。

表1 三組試驗工況設置

圖5 電流諧波對比1

圖6 電流諧波對比2

圖5充分說明了本文提出的電網諧波對雙饋式風電機組產生機理的科學準確性。圖6的機組諧波曲線的對比分析結果，也證明了本文中研究的虛擬阻抗抑制諧波法在諧波治理方面效果良好。

5 結語

本文從雙饋式風電機組諧波形成原理入手，對機組諧波抑制策略進行了研究，然后通過案例進行了試驗分析，證明了虛擬阻抗抑制諧波法在風電機組諧波治理方面效果良好。根本上保證了風力機組的安全平穩運行，有效提升了風力機組的發電質量。