整流负荷接入系统对风电场的影响研究

赵 斌 王维庆 吐松江·卡日 王银萍

(1.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830047；2.教育部可再生能源发电与并网控制工程技术研究中心，乌鲁木齐 830047)

由于以上问题的存在，使电网附件损耗增加、品质变坏、波形失真、频率改变，过度消耗电网中的无功功率和电流有效值，从而增加了电网的负担，因此急需对以上问题进行治理。治理的首要问题是对系统的谐波、无功和负序进行精确的检测。关于谐波和无功的检测方法，大量文章已对其进行了研究，文献[3]中采用了基于瞬时无功理论的ip-iq法和基于自适应对消原理的自适应闭环谐波检测方法对谐波进行了检测，其中自适应闭环谐波检测方法检测精度受参数的影响较大，而ip-iq法更简单可行。对于负序的检测方法，文献[4]提出了基于单相电气化铁路系统的谐波和负序电流的检测方法，但该检测方法只能用于单相系统负序和谐波的检测。而文献[5]基于改进对称分量法的正、负序电流检测方法，能很好地检测三相系统的基波正序和基波负序电流。只要可以检测出系统的谐波、无功和负序电流，便可以计算出需要补偿的谐波及无功容量进行无源补偿[6～8]，或者通过有源滤波器进行跟踪补偿[3，9～12]，最为直接有效。因此笔者针对风电场可能存在的谐波、无功及负序等电能质量问题，通过检测流入风电并网点处的谐波电流和无功电流，经过研究分析，提出了相应的治理措施。

1 基于瞬时无功理论的检测方法①

基于瞬时无功理论的检测方法有p-q法和ip-iq法，这两种方法都可以检测三相系统的谐波和无功电流。但是由于p-q方法在检测过程中电压信号参与了运算，当系统电压发生畸变时，会对检测结果产生影响，而ip-iq不存在此类问题。

1.1 ip-iq的谐波和无功电流检测方法

基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测方法的原理如图1所示[3]。

图1 基于瞬时无功功率理论的ip-iq法

(1)

(2)

(3)

(4)

把系统侧的三相电流看作由基波有功电流、基波无功电流和谐波电流组成，基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，根据不同的检测目的，可以通过调节图1中的开关来实现对以上3种电流的检测。

1.2 负序电流的检测方法

对于三相系统，如果三相电压对称且负荷也同时三相对称，则该系统理论上不会存在负序电流。由于ip-iq检测方法不能直接检测系统的负序电流，因此需要对以上方法进行改进。

1.2.1存在单相负荷的系统

对于对称的三相系统，若接入单相负荷，负荷三相不对称，则该系统存在负序问题。文献[4]基于单相电气化铁路负荷，检测两个供电臂的瞬时电流iaL、ibL，两供电臂电压ua、ub。负序和谐波电流检测电路如图2所示。

图2 负序和谐波电流检测电路

1.2.2存在不对称三相负荷的三相系统

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对于对称的三相的系统，若含有不对称的三相负荷，也存在负序问题。文献[5]提出了基于瞬时对称分量法的正、负序电流检测方法，其控制原理如图3所示。

图3 基于瞬时对称分量法的正、负序电流检测原理

图3中有关物理量的表达式为：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

由图3可知，通过广义d-q变换，可以分别得到三相电流的正、负序d-q分量。在三相三线制系统中，零序分量为0，因此正序和负序电流的基波分量直接相加即可得到三相电流的基波分量[5]。显然要想检测系统的负序电流和谐波电流，只需要用三相电流减去基波电流的正序分量。

2 实例仿真

仿真系统为三相工频220kV系统，先后经过两次变压：220kV/25kV、25kV/690V。风电场出口电压为690V，风电场中含有6台容量为1.5MW的双馈风机。仿真过程设定风速为恒定风速15m/s，桨距角设为0。在此基础上对不同情况下并网点的电压和电流波形进行分析。

三相整流负荷由47μF的电容并联33Ω的电阻构成。由于三相系统对称，三相非线性整流负载也为三相对称负载，因此补偿前、后系统三相电压、电流波形仍然对称，因此笔者只研究系统a相电压、电流波形。系统a相电压、电流波形经FFT分析，见表1。

表1 系统a相电压、电流波形经FFT分析结果

由表1可以很容易看出稳定前690V风电场并网侧母线电压畸变率均比25kV系统侧母线电压畸变率大，这是由于25kV系统电压等级较高，抗干扰能力较强。当系统稳定后，25kV侧母线电压和690V母线侧电压、电流畸变率各自维持在某一数值。

当系统不存在三相整流负荷时，0.1s系统稳定后的电压、电流畸变率均小于2%，满足系统的电能质量要求，说明系统自带的滤波器可以满足要求。当25kV侧加三相整流负荷时，在25kV侧和风电场并网点电压、电流均产生较大的畸变，需要额外加入滤波装置，这是由于谐波的高压渗透性造成的[13]。但当风电并网点处加入三相整流负荷时，稳定后不论是25kV侧还是风电并网点处电压、电流畸变率均小于2%，满足系统电能质量的要求。这说明三相整流负荷所产生的谐波均被风电场内部的滤波装置消除。

因此需要补偿的情况只有一种，就是当25kV母线侧存在三相整流负荷时，需要在风电并网点加装补偿装置。图4～6分别为此种情况下风电场并网点处的三相电压、电流波形，a相谐波电流波形和a相基波无功电流波形。由于三相系统对称，三相非线性整流负载也为三相对称负载，因此检测结果基本不包含电流信号的负序分量，图7也验证了这一点。因此可以根据以上的检测结果，把检测出的谐波电流和无功电流作为指令电流，一方面通过有源滤波器对谐波电流、无功电流进行跟踪补偿，从而使系统中几乎不存在谐波和无功；另一方面还可以通过计算无功补偿容量，加装无源滤波器和无功补偿装置，抑制谐波并补偿无功，从而保证系统的正常运行。

图4 风电场并网点三相电压、电流波形

图5 风电场并网点a相谐波电流波形

图6 风电场并网点a相基波无功电流波形

图7 风电并网点基波正序、负序、零序电流幅值

3 结束语

基于并网风电系统，在不同电压等级处接入非线性整流负荷，对比分析风电场并网点处的电压和电流波形，得出当风电并网点处加入三相整流负荷时，由于风电场内部滤波装置的存在，当系统稳定后不论是25kV侧还是风电并网点处电压、电流畸变率均小于2%，满足系统电能质量的要求。当25kV母线侧存在非线性整流负荷时，25kV侧和风电场并网点的电压、电流波形均产生较大的畸变，即高压整流负荷对风电场的影响较大，此时需要在风电场并网点处加装额外的滤波装置对谐波进行治理。

由于笔者研究的是三相对称系统，三相整流负荷也为三相对称负荷，因此系统中基本不存在负序问题。因此下一步可以从不对称负荷的角度出发，补偿系统的谐波、无功和负序，以实现电力系统电能质量的综合治理，使电力系统更加安全、稳定运行。