大规模海上风电经VSC?HVDC并网后电能质量问题分析

吕志超 苏建军 程艳 李广磊 韩世浩 赵志鹏 邵泰衡 王乐淼

摘  要： 由于海上风速的多变性，同时风机组中存在大量電力电子器件等原因，其并网后所产生的电能质量问题不容忽视。对于离岸较远的大规模海上风电场，基于电压源换流器的高压直流输电（VSC?HVDC）凭借其独特的技术优势未来将成为不可或缺的输电技术。为保证电能质量符合标准，需在并网前对电能质量作出分析。根据风电场等值原理，运用PSACD/EMTDC仿真软件搭建由双馈异步风机组成的大规模海上风电场经VSC?HVDC并网模型，研究其在风速波动下闪变、谐波电压与电流、电压偏差等电能质量问题。结果表明，在风速波动时谐波问题比较严重，实际工程中应充分考虑当地风资源的状况，制定合理的滤波方案，为今后海上风电并网的电能质量分析工作提供借鉴与参考。

关键词： 海上风电; VSC?HVDC; 电能质量; 并网模型; 输电技术; 滤波方案

中图分类号： TN99?34; TM614                      文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2020）05?0092?05

Analysis on power quality problem of large?scale offshore wind

power grid?connected via VSC?HVDC

L? Zhichao1， SU Jianjun2， CHENG Yan2， LI Guanglei2， HAN Shihao1， ZHAO Zhipeng1， SHAO Taiheng1， WANG Lemiao1

（1. College of Electrical Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2. State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250002， China）

Abstract： The power quality problems caused by the grid?connection cannot be ignored because of the variability of offshore wind speed and the existence of a large number of power electronic devices in wind turbines. As for large?scale offshore wind farms far from the shore， voltage source converter based high voltage direct current （VSC?HVDC） will become an indispensable power transmission technology in the future due to its unique technical advantages. The power quality should be analyzed before grid?connection to ensure that the power quality meets the standards. The PSACD/EMTDC simulation software is used on the basis of equivalence principle of wind farms to build a model of large?scale offshore wind farm composed of DFIG connected to the grid via VSC?HVDC. The power quality problems such as flicker， harmonic voltage and current， and voltage deviation occurring as wind speed fluctuation are researched. The results show that the harmonic problem is serious when the wind speed fluctuates. In practical projects， the local wind resources should be fully considered and reasonable filtering schemes should be formulated. It provides a reference for the power quality analysis of the offshore wind power′s grid?connection in the future.

Keyword： offshore wind power; VSC?HVDC; power quality; grid?connected model; power transmission technology; filtering scheme

0  引  言

随着全球对能源需求的进一步增加，风力发电作为一种清洁、环保、可再生的发电方式，成为了世界各地新能源发电领域最重要的选择。由于海上风能资源更为丰富，同时风切变与湍流强度更小，能量密度与经济效益更高，海上风电已逐渐成为世界各国风电发展的重要组成部分[1?2]。而海上风电场并网运行中所引起的电能质量问题是当下所研究的重点之一，这也是海上风电是否可以大规模应用的关键。由于海上风速的不确定性与随机性，同时，风电场中采用了大量的电力电子换流装置，由此会引发一系列的电能质量问题，如电压偏差、电压闪变、谐波、三相不平衡等[3]。这些问题严重时会对电网的稳定运行构成威胁。双馈异步风力发电机（DFIG）可以通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率，机械应力较小，是目前应用最广泛的风机之一。起初，由于单台风机的容量较小，所以风电场通常将电能汇集以后并入主网。而随着风电的不断进步与发展，并网容量中风电所占的比重越来越大。基于电压源换流器的高压直流输电（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，VSC?HVDC）技术已成为远距离大规模海上风电场并网的理想方案[4]。与传统高压直流输电相比，VSC?HVDC具有独立控制有功、无功功率，对交流母线无功功率实现动态补偿，换流方便等优势。随着相关技术的快速发展，海上风电经VSC?HVDC并网将成为必不可少的技术手段。

本文运用PSCAD/EMTDC仿真软件对某海上風电场经VSC?HVDC并网进行建模，在风速波动下，对公共连接点（PCC）的电能质量进行分析，为今后经柔性高压直流输电的海上风电并入电网后的电能质量分析工作提供参考。

1  海上风电场经VSC?HVDC建模

运用PSCAD/EMTDC仿真软件对双馈异步风电机组成的海上风电场进行等值建模。双馈异步风电机由叶片、风力机、双馈发电机、背靠背PWM换流器及其控制系统等组件构成，其定子直接与电网相连接，直接向电网输送电能，转子与背靠背换流器相连，可通过换流器及控制装置向电网输送有功或无功功率[5]。机侧换流器控制为定子磁链定向矢量控制，外环控制为定无功功率与定转速控制，定转速可追踪最大功率，内环为电流控制。网侧换流器为电网电压定向矢量控制，外环控制为定无功功率与定直流电压控制，内环为电流控制[6]。风机单台容量为5 MW，风电场由100台风机组成。运用单机表征法把风电场等值为一台风电机，采用等值器对从风机流出的电流进行线性放大100倍，从而使风电机组的输出功率等值放大100倍，达到风电场等值出力的效果。风电场等值模型如图1所示。

机侧与网侧VSC换流站采用三相换流桥，开关器件采用带反并联二极管的绝缘栅双极型晶体管（IGBT）[7]。换流站采用双环控制，内环均为电流控制。机侧外环采用定直流电压、定交流电压控制，网侧外环采用定交流电压、定有功功率控制[8]。柔性直流输电额定电压为±200 kV。VSC换流站内部电路如图2所示。

该海上风电场经汇集线路、柔性高压直流输电后通过230/500 kV升压并入主网，直流线路长度为500 km。VSC1为岸上（网侧）换流站，VSC2为海上（机侧）换流站。并网系统模型如图3所示。

在风电场建模中对风速的模拟必不可少。为了相对准确地表示自然风，本文将风速用4个分量来模拟，分别为基本风[Vwb]，阵风[Vwg]，渐变风[Vwr]和随机风[Vn]，即：

[Vw=Vwb+Vwg+Vwr+Vn]

PSCAD/EMTDC软件中存在wind souce组件，可以直接调用，风速仿真波形如图4所示。

2  电能质量分析

目前，中国电力科学研究院编制了国家电网公司企业标准Q/GDW 11410—2015《海上风电场接入电网技术规定》，其中，规定了文献[9?11]适用于此文件，对相应的电能质量指标做出了相应规定。

本文将对VSC?HVDC网侧变压器220 kV侧PCC点的电能质量进行分析。包括电压偏差与电压闪变、谐波电压、电流的FFT（快速傅里叶变换）分析，计算该点的THD（谐波畸变率）、三相电压不平衡度。

2.1  电压闪变

在海上风电场连续运行的过程中，由于风剪切、偏航误差、塔影效应与海上风速的多变性等因素的影响，造成了海上风电机组输出功率的波动，并且发生的频段正是电压闪变的频率范围，从而引起风电机组机侧电压与并网点电压的波动，当波动幅度较大时，甚至可能引起可察觉的闪变现象。由此本文对该海上风电场经VSC?HVDC并网的PCC点电压闪变值进行计算。

按照文献[9]中的相关标准，以7天为测量周期，在系统运行的小方式下，PCC点所有长时间闪变值都应低于表1的限值[11]。

由此可得出，此海上风电场并网点闪变限值为0.8。

2.1.1  连续运行情况下的闪变

IEC61400?21标准《并网风力发电机组电能质量测试和评估》给出多台风机在连续运行情况下PCC点产生的总闪变计算公式为：

[PstΣ=P1tΣ=1Ski=1Nwt（ci（φk，va）Sn，i）2]        （1）

式中：[Sn，i]表示单台风力发电机的额定视在功率;[Sk]表示PCC点的短路容量;[ci（φk，va）]表示单台风机的闪变系数，[φk]表示PCC点的网络阻抗角，[va]表示风电机组轮毂高度的年平均风速;[Nwt]表示连接到PCC点风力发电机组的数目。

该风机的闪变系数如表2所示。

由仿真模型可以得出，该海上风电场平均风速约为8.04 m/s，PCC点的阻抗角为86°，因此，该海上风机的闪变系数取3.98。由式（1）通过PSCAD/EMTDC仿真软件可以算出PCC点在风电场连续运行时产生的的闪变值为0.40。因此，该海上风电场经VSC?HVDC并网后连续运行的闪变值满足标准要求。

2.1.2  闪变传递

文献[9]给出了在不同母线节点处闪变的传递公式为：

[Pst，A=TBAPst，B]  （2）

式中：[Pst，A]表示节点[B]短时间闪变值传递到节点[A]，在节点[A]引起的短时间闪变值;[Pst，B]表示节点[B]的短时闪变值;[TBA]表示节点[B]短时间闪变值传递到节点[A]的传递系数。

[TBA=S′sc，ASsc，A-S′sc，B]  （3）

式中：[S′sc，A]表示节点[B]短路时节点[A]流向节点[B]的短路容量;[Ssc，A]表示节点[A]的短路容值;[S′sc，B]表示节点[A]短路时，节点[B]流向节点[A]的短路容量。

因此，在仿真软件中运用式（3）计算出由机侧传递至PCC点的闪变传递值为0.53，满足规程要求。

2.2  电压偏差

在电力系统正常运行的情况下，系统中各节点的电压会产生变化，从而出现实际电压偏离额定电压的情况，称之为电压偏差。根据《海上风电场接入电网技术规定》，海上风电场的并网点电压偏差不应超过标称电压的10%，在正常运行方式下，其电压偏差应在标称电压的-3%～7%之间[12]。电压偏差的计算公式如下：

[ΔU=U-UNUN×100%]   （4）

式中：[UN]表示电网标称电压;[U]表示实际电压。

在PSCAD中计算出在风速扰动的情况下，PCC点的电压偏差值。得出的结果如图5所示。

由图5可得，该海上风电场在风速扰动的情况下对其电压偏差的影响很小，满足规程要求。同时，也印证了VSC1岸上换流站采用定交流电压控制，因此，能够保证220 kV侧并网电压的稳定。

2.3  谐  波

在电力系统中由于存在诸如电子开关装置、铁磁饱和装置等非线性装置，从而产生谐波。双馈异步风电机组中发电机所产生的谐波是可以忽略的，其采用的电力电子设备才是谐波的真正来源。发电机定子直接与电网相连，转子则通过背靠背变流器并入电网，海上风电场运行后变频器将一直运行。所以，该海上风电场会引起谐波的问题。

2.3.1  谐波电流限值

文献[10]规定了在标称电压220 kV下（标称电压为220 kV的公用电网参照110 kV执行），PCC点允许注入的谐波电流分量不得超过表3中规定的限值。当PCC点处的最小短路容量与标准给出的基准短路容量不同时，按式（5）换算谐波电流允许值[10]：

[Ih=Sk1Sk2Ihp]  （5）

式中：[Ih]表示在短路容量为[Sk1]时，第[h]次谐波电流限值，单位为A;[Ihp]表示国标规定第[h]次谐波电流限值，单位为A;[Sk1]表示PCC点处的最小短路容量，单位为MVA;[Sk2]表示基准短路容量，单位为MVA。

仿真模型计算时的最小短路容量实际为500 MVA，运用式（5）的换算方法，最终换算得出PCC点谐波电流限值如表3所示。

2.3.2  谐波电流的分析与计算

谐波电流大小与输出功率基本呈线性关系，即与风速大小有关。使用PSCAD/EMTDC软件对该海上风电场PCC点的电流进行FFT分析，得出电流的基波和整数倍的谐波分量。由于系统三相对称，所以给出A相分析结果，结果如表3所示。

由表3仿真结果得知，该海上风电场PCC点处由于电力电子器件与风速的随机波动，谐波电流已经严重超出国家标准，不能满足并网要求。在实际工程中，针对以上情况，应在每台风机的并网处加装有源滤波器（Active Power Filter，APF）[13]。

2.3.3  谐波电压限值

文献[10]规定了220 kV电压等级下PCC点谐波电压的限值，如表4所示。

2.3.4  谐波电压的分析与计算

在仿真模型中对该海上风电场PCC点处的电压进行FFT分析，得出电压基波与整数倍谐波分量。由于系统三相对称，所以给出A相的结果，如表5所示。

由表5可以得出，奇次谐波电压的含有率全部满足标准要求，而6，8，10次谐波电压含有率略微超过国家标准，需加装滤波装置改善电能质量。

电压谐波畸变率（[VTHD]）用以衡量电压波形畸变的程度。[VTHD]表示各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值比值的百分数：

[VTHD=n=2∞V2nV1]     （6）

式中：[V1]表示基波电压的有效值;[Vn]表示第[n]次谐波电压的有效值。

在PSCAD软件中计算该海上风电场PCC点在风速扰动下的电压谐波畸变率，结果如图6所示。

根据仿真结果得出，PCC点的电压谐波总畸变率满足规程要求。

2.4  三相电压不平衡度

供电环节的不平衡会使电力系统产生三相不平衡，在此环节的三相元件主要包括变压器、发电机等，这些设备往往具备良好的对称性，因此，供电部分的三相不平衡主要是由于线路所致。在电力系统运行过程中产生的三相不平衡会对用户以及整个系统造成巨大的伤害，例如，使电机振动、发热，影响其安全运行与正常出力，同时，还会消减发电机的容量利用率与绝缘寿命。在线路中有谐波存在时，三相不平衡可能会导致多种以负序分量作为启动元件的继保装置产生误动，从而严重危及电力系统的安全稳定运行。因此，在分析海上风电并网的电能质量问题时，分析其并入大电网后三相不平衡度是否符合国家标准是十分重要的。已知三相量[a]，[b]，[c]时，三相电压不平衡度的准确计算公式如下：

[ε2=1-3-6L1+3-6L×100%]            （7）

式中[L=（a4+b4+c4）（a2+b2+c2）2]。

国标GB/T 15543?2008《电能质量 三相电压不平衡》规定了三相电压不平衡度的允许值：在电力系统PCC点处，负序电压不平衡度不超过2%，短時不超过[11]4%。

在PSCAD/EMTDC软件中计算出该海上风电场模型在风速扰动下PCC点三相电压不平衡度如图7所示。

由仿真结果可以得出，该海上风电场PCC点处的三相电压不平衡度满足国家标准。

3  结  论

海上风电凭借其众多优势，现已成为世界各地可再生能源发电中的关键一环，而我国海上风电的发展尚处于初级阶段，在世界各地风电场快速发展的趋势下，VSC?HVDC凭借其特有的技术优势，未来将成为我国海上风电必不可少的输电手段。而其中并入电网后的电能质量问题应当引起足够的重视。

本文运用PSCAD/EMTDC仿真软件，根据风电场等值原理搭建了大规模海上风电场经VSC?HVDC并网的模型，研究其在风速波动下并入电网后电压偏差、闪变、谐波等问题，结果表明：

1） 影响电能质量的因素，与风速的波动、风电机组的类型、容量、换流站的控制方式，并网点的最小短路容量等诸多因素有关。

2） 在建设海上风电场时应充分考虑当地风能资源对电能质量的影响。

3） 在风速波动下，电压偏差、闪变、三相不平衡度等指标满足并网要求。谐波问题比较严重时，不能满足并网要求，在实际工程中应当加装有源滤波装置，制定符合标准的滤波方案。

注：本文通讯作者为苏建军。

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