風電并網系統中的諧波抑制技術研究與應用

北京金風科創(chuàng)風電設備有限公司 郝鵬 中國人民解放軍91515部隊 郝強 王建國

本電廠裝機容量50MW，是單機容量最大6.25MW、葉片最長192m 的風力發(fā)電機組項目，共安裝3臺EN-192/6.25型機組和5臺EN-182/6.25機型風電機組。項目全容量投產后，預計年均發(fā)電量10633萬kWh，每年可節(jié)約標煤3.26萬t，減排二氧化硫21.27t、氮氧化物20.2t、二氧化碳8.23萬t。基于本電廠風電并網的成果，對風電并網系統中的諧波抑制技術應用進行分析，對促進風電并網系統安全穩(wěn)定運行具有積極的意義。

1 風電并網系統中的諧波問題

1.1 諧波產生原因

在風電并網系統的運行中，發(fā)電機、變壓器、整流器等設備由于存在非線性元件，在運行過程中會引起電流的非線性變化，進而產生不同程度的諧波。諧波的產生和傳播會導致電網電壓與電流的波動產生畸變。在電網持續(xù)不斷的運行中，會導致電網功率損耗和設備熱損耗不斷增加，進而提升電網運行中各類設備故障情況的發(fā)生概率[1]。本電廠的風電并網系統主要應用永磁同步電機來供給風電機組運行，高次諧波干擾是永磁同步電機控制系統運行中需要解決的主要問題，在風電并網系統的實際運行中可能會導致嚴重電網諧波的產生和傳播，而電網所在環(huán)境區(qū)域的隨機性風速變化，也會進一步加劇諧波的傳播。

1.2 諧波電流計算

考慮諧波問題可能對電網運行情況造成的干擾和影響，在風電并網系統運行中應用諧波抑制技術前，需要能夠明確諧波產生的具體原因以及主要位置。通過對諧波發(fā)生情況下電流變化情況的計算分析，可以將其作為抑制諧波產生與傳播的主要參考依據[2]。基于此，在對諧波電流進行計算時，遵循國際電工委員會制定的相關標準要求，在考慮以N臺電機組在一個公共連接點上產生的h次諧波電流基礎上，主要依據以下公式來對諧波電流進行計算：

式中:ni代表第i個風電機組變壓器變比；Ihi代表第i個風電機組h次諧波電流，β代表指數對應不同諧波次數。

在結合風電并網系統運行情況對諧波電流進行計算時，發(fā)現風電并網系統中存在兩個或兩個以上的諧波源，在依據以上公式分別計算出不同位置的諧波源電流數值之后，將諧波電流在同一相上進行疊加。在這一計算過程中，相位角的變化會對疊加后的等效諧波電流產生影響，對相位角未知情況下的等效諧波電流進行計算，要求以引入一個系數k的方式，依據不同諧波電流次數對應的k值不同，對等效諧波電流數值進行計算。

2 風電并網系統中的諧波抑制技術應用分析

考慮諧波問題對風電并網系統運行安全和穩(wěn)定性產生的影響，應能夠在結合本電廠風電并網系統運行實際情況的前提下，基于以下步驟來實現對于諧波問題的抑制，為風電并網系統的安全運行提供保障。

2.1 基于算法的諧波電流檢測

在應用諧波抑制技術前，需要能夠引入算法來對諧波電流位置進行檢測分析。為保障檢測算法的應用效果，本電廠在對諧波電流進行檢測時主要應用自適應算法，有效控制檢測失真度，提升檢測效率效果。在對諧波電流進行檢測前，主要結合風電并網系統運行的實際情況，選擇應用等效電路定位法或針對諧波狀態(tài)估計的定位法，對諧波電流產生的具體位置進行定位，確保針對電機諧波電流的檢測分析能夠準確配置。

在依據自適應算法對諧波進行檢測分析時，將風電并網系統運行中的電壓輸入和負荷電流分別作為參考電氣量和原始電氣量，在針對風電并網系統檢測獲得的電流變化波形中，剔除掉與參考量呈現相同波形的波形分量，可獲得有功與無功分量的總和[3]。該算法在電壓受到波形畸變后擾動的情況下，也能夠以良好的自適應狀態(tài)來實現對于諧波電流的檢測。但在考慮該算法受到算法步長選擇的影響，實際應用中需要與其他檢測方法結合起來，用以在保障檢測精度的同時也能夠提升檢測的效率。

具體而言，在應用這一方法對諧波電流進行檢測時，應明確永磁同步電機結構對諧波產生情況的影響，考慮電機繞組、磁極結構以及磁路過飽和等因素，都會導致電機內部氣隙磁場發(fā)生畸變，從而使其反電動勢畸變，可以驗證永磁同步電機的反電動勢中含有大量的高次諧波。

在永磁同步電機的三相繞組為對稱結構、且繞組之間連接方式為星形連接的前提下，在該類電機的電流諧波成分中3次諧波及其整數次諧波會相互抵消。依據這一原理，通過對永磁同步電機中A 相電流諧波含量的分析，發(fā)現在5、7次諧波的含量最高。其中5次諧波電流方程表示為：

式中：I5代表電流幅值；ω代表辨識參數；Ia5、Ib5、Ic5代表直流分量；t代表電流變化時間。以只考慮含量最高情況下的諧波電流為依據，則可以將永磁同步電機三相電流在坐標系中的坐標值帶入到以上方程當中，經過整理后可以得到永磁同步電機含諧波分量的電壓電流關系，進而將其作為構建永磁同步電機穩(wěn)態(tài)電壓模型的依據。

2.2 諧波抑制技術

在應用自適應算法的前提下，依據對風電并網系統諧波的檢測結果，本電廠選擇應用諧波注入法來對永磁同步電機產生的諧波進行控制。這一過程中，主要依據MRAI 算法結構構建可調和參考模型。

在構建模型時，首先基于風電并網系統運行情況，確定永磁同步電機參數辨識的結果為非線性時變反饋系統，在明確非線性時變反饋環(huán)節(jié)的基礎上，計算得到輸入為0狀態(tài)下線性定常環(huán)節(jié)的狀態(tài)方程和輸出方程，即：

式中：x代表狀態(tài)變量；λ1代表輸入變量；y代表輸出變量；A、B代表可控狀態(tài)空間矩陣；C、D代表可關狀態(tài)空間矩陣；d代表橫坐標；t代表時間參數。基于以上方程，在保證控制系統穩(wěn)定運行的前提下，依據波波夫超穩(wěn)定性理論，將相應輸入帶入到方程中，確定非線性時變模塊應滿足的條件，進而對依據方程構建的模型進行簡化，得到符合風電并網系統的非線性時變等效反饋系統[4]。

對基于自適應算法的諧波抑制模塊進行設計，需要將MRAI 模塊與諧波注入法結合起來，構成一個能夠體現自適應特點的諧波抑制環(huán)節(jié)。在這一過程中，需要將電機參數的估計值送入諧波補償電壓生成模塊，用以達到提高電機諧波電力抑制準確性的目的。

依據以上原理構建的自適應諧波抑制仿真模型，主要分為諧波注入法和MRAI 參數辨識兩個主要的部分。其中，諧波注入法進一步分為諧波提取、諧波穩(wěn)態(tài)電壓估算和反向電壓三方面內容。在實際應用中，需要參考電機本身參數值計算該模塊補償電壓，并利用參數辨識模塊驗證MRAI 參數的辨識效果，得到永磁同步電機的參數辨識曲線。

在構建的仿真模型中，以人為調整逆變器死區(qū)時間的方式，提升永磁同步電機三相電流中的諧波分量，進而分為選擇在電機參數恒定不變和發(fā)生變化兩種情況下進行仿真實驗，就可得到針對風電并網系統中永磁同步電機的三相電流波形變化結果[5]。

2.3 基于諧波控制技術的控制系統設計開發(fā)

為進一步保障風電并網系統的運行情況，提高諧波控制技術在電網運行中的應用范圍和效果，可以將諧波控制技術融入到針對電機運行的控制系統開發(fā)設計中，用以保障電機的安全穩(wěn)定運行，同時也能夠促進風機并網系統的建設發(fā)展。在考慮本文應用的自適應諧波注入法應用效果的前提下，結合現階段風電并網系統運行的實際情況，選擇將常見的電力濾波器這種針對諧波的治理方法與諧波控制技術結合起來，能夠滿足針對異步電機、永磁同步電機等不同類型電機運行中的諧波控制需求。

基于這一目的，在對諧波控制系統進行設計時，應以風電并網系統中應用的電機為主要依據，首先確定控制系統的硬件結構。仍以本電廠電網系統中應用的永磁同步電機為例，設計控制系統時，應確保電機的輸入電壓和采樣電路中電流采集范圍標準的基礎上，確定控制模塊、逆變與驅動模塊、電壓電流檢測與隔離模塊、執(zhí)行模塊、供電模塊等組成部分。其中，控制模塊以MCU 及其外圍電路構成；逆變與驅動模塊主要包括逆變橋驅動、電壓電流檢測、隔離電路；執(zhí)行模塊由PMSM 和編碼器構成；供電模塊以AC-DC 變換器、電源、濾波模塊組件為基本結構[6]。

以確保控制系統能夠支持電源電壓轉換為目的，要求利用電壓轉換芯片，在控制系統中設計好用于電源轉換的電路運行流程，讓電源能夠為后續(xù)的電機控制提供可靠的支持。

在控制系統的軟件設計部分，要求能夠在選擇好控制系統應用的三維軟件平臺后，注重對軟件程序的調試運行和檢測。這一過程中，應考慮將電力濾波器與控制系統連接的結構形式，借助濾波方式來實現對控制系統采樣數據的預處理。然后應用自適應諧波注入法，依據MRAS 算法，通過對電機位置和轉速信息的估算分析實現對電機的有效控制。控制系統中該算法的運行流程如下：MRAS 算法開始，讀取電網交直周軸電流電壓值，利用事先構建的可調模型對交直軸電流值進行計算；進行電機轉速廣義誤差、數據自適應變化規(guī)律的計算；電機轉速、電阻、電感以及磁鏈值等參數的計算；電機轉速與轉子位置角的計算，直至算法結束。

2.4 諧波抑制效果

結合本電廠應用的諧波抑制技術，發(fā)現在經過諧波抑制后，永磁同步電機的三相電流波形得到了較為明顯的改善。在應用自適應諧波注入法的情況下，電機參數變化使得三相電流波形的變化更趨向于正弦波的規(guī)律形態(tài)。進一步分析諧波抑制前后A相電流中諧波含量的變化情況，發(fā)現5次諧波含量從抑制前的6.487%下降至0.468%。應用同樣的方法對7次諧波進行抑制，發(fā)現諧波含量從抑制前的1.289%下降至0.378%。

表1為公共電網諧波相電壓的規(guī)定標準，結合表1中數據可以發(fā)現，在永磁同步電機自身參數變化的情況下，應用自適應諧波注入法能夠讓奇數次諧波電壓含有率符合相應的標準要求，因而能夠起到良好的抑制作用和效果。

表1 公共電網諧波相電壓標準

綜上所述，諧波抑制技術在保障風電并網系統運行質量方面發(fā)揮著重要的作用。本文結合本電廠在風電并網系統運行中應用的諧波抑制技術，要求能夠在明確諧波產生原因的前提下，保證諧波檢測與定位計算結果的準確性，將計算結果作為進行諧波抑制的主要依據。在此基礎上，借助先進算法構建數學模型，以仿真模型和基于算法的模塊設計的方式來提升諧波抑制的實際效果。