采用滤波器的风电场谐波抑制策略研究

张 瑜，李颖峰

（陕西理工大学，陕西 汉中 723000）

1 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

风力发电是一种利用现代科技的绿色发电技术，且风能属于再生资源，是一种很好的发电手段，拥有广阔的利用前景。目前，我国具有风能的地区多人烟稀少，存在分布不均衡的问题[1]。我国西北地区的草原和沙漠以及沿海地区，利用风力发电是一种良好的发电手段，对我国来说具有重要意义。近几年，随着世界经济的发展，人类对电能的需求日益加剧。考虑到我国能源供需的不充分、不平衡矛盾越来越尖锐，合理利用电能、节约能源问题成为我国的一大社会问题。

风电一体化需要大规模接入电力电子设备，不可避免地带来了高频次、随机性、宽频域谐波污染。因此，抑制并网过程中产生的谐波问题显得尤为重要，以保障风力发电技术的广泛化、安全化运用。当前，研究学者致力于找到并网谐波的解决手段。

1.2 课题的研究现状

随着风力发电技术的发展，并网过程中产生的谐波问题依然没有得到完美解决。目前，国内风力发电机组大多数是双馈型风力发电机。一般而言，发电场的容量相当大，相对风电机组的输出电抗值来说相对较小，产生的谐波问题也相对较少。

1.2.1 控制相关的电力电子器件

由于风电机组产生的电能电压具有随机性，频率十分不稳定也不规律，虽然也是交流电，但无法直接并入正常使用的拥有稳定电压的电网。因此，需要使用变流器对风电机组产生的不规律交流电进行整流和逆变，以符合并网要求，通过控制相关的电力电子器件的开断时间优化改进变流装置的控制效果，从根本上抑制谐波。

1.2.2 使用滤波器过滤谐波

考虑到抑制谐波过程中的成本问题，使用滤波器是成本低、应用广泛的一种方式[2]。工作人员可以对滤波器进行设置，使其自动过滤频率紊乱的谐波，以达到符合并网要求的稳定频率的波形。

1.2.3 使用装置对谐波进行精准检测

在谐波抑制过程中，精准的检测谐波是关键，也是前提。采用更加完备的装置在风电机组并网过程中监控电压质量和电压的稳定性，通过精确计算确定最佳的控制策略，以追求最佳抑制效果。目前，经常使用的两种谐波检测方法分别是畸变与非畸变电流法和谐波状态估计法，但其局限性十分明显。考虑到各种方法在各种不同情况下的适用性，对谐波的精准检测和评估仍然是一个挑战。

1.3 主要研究内容

在阅读国内外相关研究文献的基础上，本文重点探讨如何抑制风力发电组并网中的谐波。组织结构为：（1）风力发电机的工作原理及其并网过程；（2）谐波的来源和谐波的分析方法，其中有频率扫描法、模态分析法和频模分析法3种方法，以及它们各自的优缺点；（3）无源滤波器、有源滤波器以及将其应用于谐波抑制的控制策略研究。

2 风电机组并网运行问题概况

2.1 风电机组并网的工作原理

风力发电机是将风能转化为机械能，进而转化为电能的装置。核心是发电机，常用的有双馈异步电机、同步电机和永磁电机等。图1为风电机组发电与并网过程原理图。

图1 风电机组并网过程原理图

由于变流器内部含有无数的电力电子器件，能量在供给电网前会含有大量谐波，所以此时应采取措施降低谐波含量。常用的措施是运用电力电子设备如滤波器、电抗器等除去能量中的部分谐波。

2.2 风电机组谐波来源

虽然风力发电是目前能被大众广泛认可的清洁新能源，但是其自身仍然存在着不稳定性、地域性、随机性等特点，使其产生的电能无法源源不断且稳定供应到电网中去。谐波含量超标严重降低了电力系统的稳定性，为了维持电力系统的安全稳定运行，需将谐波含量降低到一定标准以下。表1给出了不同电压等级母线的各次谐波电流注入允许值。

2.3 风电机组谐波分析方法

在对谐波进行研究前，首先需要对产生的谐波进行检测与分析。目前，分析谐波的方法多种多样，常用的有频率扫描法、模态分析法和频模分析法3种[3]。这3种方法各有优缺点，运用时要根据实际情况合理选择或搭配谐波分析方法使用。

表1 不同电压等级母线的各次谐波电流注入允许值（单位：A）

2.3.1 频率扫描法

频率扫描法作为常用的谐振分析方法，是在1979年由Richard G.Farmer提出的。该方法的核心是初步预算谐波可能发生的条件，也可以预算谐波较小或不影响并网运行的条件，是一种十分便捷常用的线性分析法。但是，该方法只能作为初步分析法分析波形的可能性，无法精确预测波形频率。并网过程中发电机组系统是否会产生谐波，还需要结合具体的系统阻尼值进行分析计算。

2.3.2 模态分析法

模态分析方法以谐波分析为对象，研究谐波的特征值，通过测量谐波的频率，分析并网过程中发电机组系统是否会产生谐波。与特征值分析不同，该方法通过模态阻抗（即最小特征值的倒数）来确定系统的谐振频率点。

2.3.3 频模分析法

频模分析法是前两种方法相结合的一种方法。先扫描节点阻抗，确定风电机组系统内的谐波频率点和阻抗值，以获得谐波电压放大后的最大值，然后通过计算谐振频率点的参与因子矩阵和节点电压振型，确定系统谐振的主要影响区域和谐振类型。

3 风电场的谐波抑制策略研究

目前，专家学者们对风力发电谐波的抑制做了大量研究。谐波的存在严重降低了电力系统的电能质量，降低了电力系统的稳定性，所以研究高效的风力发电谐波抑制方法对风力发电技术的发展具有重大意义。一般情况下，对电网谐波污染处理的手段有3种[4]：（1）治理受端，即在受到电网谐波污染的附近对谐波进行吸收；（2）优化波源特性，即从源头上减少产生的谐波；（3）被动治理，即在电机组上装上过滤器，这种办法能够减少谐波进入电机组。

现在应用较多的是通过装设滤波装置进行谐波抑制，主要有无源电力滤波器、有源电力滤波器及混合型电力有源滤波器等治理方式 。本文主要介绍采用有源和无源电力滤波器的风电场谐波抑制策略，介绍两种滤波器的工作原理，基于它们各自的原理设计不同的抑制策略，并给出所用到的控制框图。

3.1 谐波抑制常用的滤波器

滤波器在各行各业应用广泛，是一种电力电子器件，由电感和电容等构成，功能是过滤掉一定频率的波形，使得到的波形更加接近理想情况。

3.1.1 有源滤波器

有源电力滤波器有许多优点。它能够从大小和频率两个方面处理谐波，而且能够有效跟踪补偿对象；不易受到电网参数的干扰，且不会与系统共振；反应极快，能够迅速捕捉电网频率，并及时做出反应；能够在同一时间补偿多个谐波，在补偿过程中不会产生互相影响。

3.1.2 无源滤波器

无源电力滤波器组件构造十分简单且成本非常低，也方便对它进行维护，所以应用非常广泛。但是，这种电力滤波器非常容易受到其他电网的干扰，易与它们产生谐振而发生事故。所以，无源电力滤波器的安全可靠性不如有源电力滤波器，常被应用于一些特定场合。

3.2 基于有源滤波器的抑制策略

电力滤波器有并联型和串联型两种，划分依据是与补偿对象的连接方式。现在并联型电力滤波器由于其诸多优势，在电气领域应用较为广泛。并联型有源电力滤波器运行原理如图2所示，谐波从负载模块发出，指令电流运算电路和补偿电流发生电路组成了有源电力滤波器。指令电流运算电路也称谐波电流检测电路，检测负载电流中的谐波电流分量，将其反相作为补偿电流的指令信号。

图2 有源电力滤波器原理

补偿电流发生电路包括电流跟踪控制电路、主电路与驱动电路3个构件[5]，作用是在跟踪控制电路时产生追踪的指令，通过这些指令发给各电路器，这些电路器产生了一个脉冲对指令做出反应。现阶段主要的电路一般采用PWM变流器，目的是能够根据获得的脉冲补充电流，最后得到比较稳定的电流。

3.3 采用无源滤波器和平衡电抗器的抑制方法

平衡电抗器磁芯采用比较先进的非晶合金材料，损耗较小，所以平衡电抗器的效率会更高。采用平衡电抗器和无源滤波器的控制策略，不但可以抑制风电场谐波的产生，还可以使母线电压趋于稳定，峰值差别较小，从而提高输送给电网的电能质量，保证电力系统中各个负载的安全稳定运行。

本着安全性和效率第一的设计原则，在研究并联型12脉波自耦变压器的基础上，设计一款配备有无源滤波电路的平衡电抗器，如图3所示。该电路配合一定频率和幅值的电流信号注入，可以很大程度地提高该系统所输送的电能质量，而且辅助电路设计更简便、易实现，故障率较低，寿命更长。

图3 采用无源滤波器的谐波抑制策略原理图

4 结 论

在国内外专家对风电场谐波的研究基础上，阐述风机的工作原理和并网过程，分析谐波的产生，并介绍频率扫描法和模态分析法等几种谐波分析方法以及各个方法的优势与劣势，为以后相关的研究提供了参考，最后提出了采用无源电力滤波器和有源电力滤波器的两种不同的风电场谐波抑制策略。通过验证，该方法可有效抑制谐波的产生，且有源电力滤波器的抑制效果优于无源电力滤波器。