考虑风机谐波阻抗的谐波责任划分

2020-11-28王睿琦

中国科技纵横 2020年12期

王睿琦

摘要：本文旨在分析考虑风机谐波阻抗下风电场谐波责任划分，以永磁直驱型风机接入电网为例，以目前较为成熟的谐波责任计算方法为基础，对风电谐波阻抗及谐波责任进行估算。传统谐波责任估算方法由于存在系统侧谐波阻抗要远小于用户侧的假设，因此常将用户侧谐波阻抗忽略，而作为用户侧接入电网的风电场，由于包含大量非线性元件，因此其谐波阻抗不能忽略。本文根据风力发电场的组成及相应的拓扑结构，建立合适的风机和风电场电气谐波模型，用于估算风电场的谐波阻抗，并对传统主导波动量法的计算步骤进行相应的改进，利用MATLAB仿真软件，对谐波阻抗和谐波责任进行仿真计算并分析计算结果，用以验证本文方法的可行性，并总结一种能够进一步降低估算误差的谐波责任估算方法。

关键词：风力发电;永磁直驱风机;电能质量;谐波阻抗;谐波责任划分

中图分类号：TM711 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0191-05

1谐波阻抗研究

1.1研究背景

随着电力系统的发展，电力系统逐渐由单一的大容量集中式发电形式向分布式电源和集中式发电相结合的形式转变，提高了电力系统的稳定性，同时降低维护成本。其中分布式风力发电是应用较为广泛的分布式电源，是指采用风力发电机作为供电设备的分布式电源，单台风力发电机发电功率较小，通过模块化设备组分布式的布置在用电负荷附近，能够针对集中式大功率供电难以达到的地区以及负荷容量进行补足和替代，同时风力发电是一种无污染的可再生能源，不会对环境造成严重的破坏。

但同时风能的接入会对电网产生负面影响。首先风能的来源不稳定，其产生的电能具有随机性和波动性的特点，不利于电力系统的稳定运行。其次近年来恒频、可变速的风机逐渐成为风力发电的主要机型，因此大量的整流逆变设备接入电力系统，给电网带来了巨大的谐波问题，进而影响电网中的电能质量。

1.2研究意义

传统谐波责任划分方法包含用户侧谐波阻抗远大于系统侧|Zs|<<|Zc|的假设，因此忽略了用户侧谐波阻抗，当传统方法应用于风电场接入的电网时，由于风电场谐波阻抗不可忽略，因此谐波责任计算结果不准确。

为了合理处置由风电产生并流入电网的谐波导致的谐波责任分配问题。本文的目的在于在考虑风电场即风机谐波阻抗的前提下得出一种误差更小的谐波责任划分办法。通过建立风电场的谐波模型，同时对传统谐波责任划分方法进行改进，使其能够适用于风电场环境下的谐波处理。其次通过奈尔检测法等筛选方法降低系统侧谐波阻抗估算误差。

2谐波阻抗估计

2.1 系统等效电路图

本文针对风电场的谐波责任计算，将除风电场外的其他谐波源归为系统侧，将风电场侧作为系统中的用户侧[5-6]，以公共连接点为谐波电压和电流的测量点，故电网结构可根据诺顿定理简化为图1的系统侧-用户侧结构。

2.2主导波动量法

波动量法的首次提出是在1996年法国巴黎的国际大电网会议上。由我国学者杨洪耕教授提出。基本思想是在配电系统中，电流的变化会引起典雅的变化，进而引起谐波阻抗的变化。系统中电压波动量和电流波动量的比值能一定程度上代表谐波源谐波阻抗的阻抗值。后续还有许多针对性的改进方法，其中包括对谐波波动量数据采用基于统计学原理的筛选方法进行筛选，进而得出更精确的谐波阻抗结果[4]。

其中α为奈爾系数，一般按照1～1.5，由此筛选出满足要求的样本量，再根据传统波动量法估算谐波阻抗和谐波发射水平。计算谐波电压和谐波电流的波动量比值，其中实部为正的为此数据组计算得到的系统侧谐波阻抗。

为进一步降低谐波发射水平估计的误差，对于波动量法还有选取合适的奈尔系数，降低背景谐波波动量等方法。

2.3风电场谐波阻抗建模

为满足前文估算方法的要求以得到精确的谐波阻抗值。对于风电接入的电网系统，需要对风电场即此系统用户侧建立谐波模型[7]，用于计算用户侧谐波阻抗，便于后续谐波责任计算。

本文以永磁直驱风机为例，此类型的风机中，风轮和发电机直接相连，多级低速永磁同步发电机由风轮直接驱动，所产生的的电能经由功率变换器转换后并入相关电网。

永磁直驱型风机由于结构简单，不需要励磁绕组同时维持了较高的效率，在中小型风力发电场中应用广泛。由其组成的风电场整体拓扑结构如图2。

单台风力发电机组经由变流器装置和变压器装置集中接入集电线，集电线经过升压变压器后接入电力系统[3]。电能经由整流和逆变装置以及滤波装置后连接箱式变压器，使电压达到集电点电压（一般为37kV），其连接到PCC点的电路如图3。

永磁直驱型风机采用的是全功率变流器，其中靠近风机侧的整流器与靠近网侧的逆变器由直流电容在中间隔开[1]。因而由风机注入电网系统的谐波只由网侧逆变器产生，可将其等效为一个谐波源。计算风机谐波阻抗的等效电路为一个等效谐波源和滤波器组成的等效电路如图4。

若针对某处风机故障或暂停运行，仅需对各集电线内阻抗的风机数N作出修改。为了简化计算过程，本文计算暂不考虑系统中的无功补偿装置阻抗。

2.4 谐波发射水平及责任估计过程

对谐波阻抗进行估算后，需结合实际的谐波波动量对PCC点处的各谐波进行谐波发射水平估算[10]及责任划分具体步骤如下：

如图5所示，电力系统中通常包括多个负荷，每个负荷都会产生谐波进而对电网造成冲击[2]，因此需要明确各负荷以及系统侧的谐波责任。大体上体现为各谐波发射源的谐波占比。

对于系统谐波发射水平的理解主要侧重于系统两侧的谐波电压和电流大小，相应谐波评估指标的计算也以谐波电流和电压为基本量。而对于谐波污染的治理，考虑到谐波责任的公平划分，则需要考虑电力系统PCC点两侧的谐波占比[9]。

依据叠加定理得到等效电路图6。

如图7所示，pcc-s和pcc-c分别为系统侧和用户侧的谐波电压，pcc为PCC点的谐波电压，Upcc-s-p和Upcc-c-p分别为以pcc为参考向量，两侧谐波电压在其延长线上的投影。

3仿真计算及实测数据分析

3.1 仿真计算

使用MATLAB软件进行模型搭建，设置系统谐波参数如下：

设置风电场侧谐波电流Ic的的幅值近似为200A，初始相角为30°，为模拟谐波的实际情况，对其复数实部施加20%的余弦波动和5%的随机波动，对其虚部施加20%的正弦波动和5%的随机波动;系统侧谐波电流Is幅值近似设置为100A，初始相角为60°，并对其施加相同的波动。

3.1.1 风电场谐波阻抗计算

根据实际风电场参数，本文设置风电场相关仿真参数如表1。

由此结果对比所设置的仿真参数可验证，风电场系统侧和用户侧谐波阻抗相差不大，并不满足传统电力系统中用户侧远大于系统侧的假设，因此本文研究是有意义的。

3.1.2 系统侧谐波阻抗仿真计算

将已设置的100个仿真数据作为一个数据组，在一个数据组内利用复线性回归方程法估算系统谐波阻抗以及两侧谐波电压，并重复计算100次以模拟采集到的大量谐波数据下的估算过程，得到本论文方法下的系统侧谐波阻抗估算结果。

根据筛选过后的谐波数据计算得到系统侧谐波阻抗值复数值为3.2+3.9i。

为验证奈尔检测法的筛选效果，在估算用户侧谐波阻抗的过程中，将利用原始波动量方法估算得到的谐波阻抗值作为原始估算值。（其中奈尔系数按照1.2选取）

具体结果如表2，可见筛选过程能够显著降低系统侧谐波阻抗的估计误差，能为后续估计谐波发射水平提高准确性。

3.1.3 谐波电压及谐波责任仿真计算

谐波发射水平计算依据上述计算方法，得到相应的用户侧谐波发射电压仿真计算结果如表3。

根据表3数据结果得出考虑风机谐波阻抗能够进一步降低谐波发射水平的估计误差，得到更精确的谐波电压估算结果。另根据相应的谐波责任计算步骤计算得到谐波责任及其相对误差如表4。

根据以上仿真计算结果，可以得出结论在本文条件下，以波动量法为基础计算时，考虑风机谐波阻抗时计算的谐波责任误差更小。本论文方法估算下幅值误差和责任占比误差在多次计算中均能保持在5%以下，處在可接受范围内。

为寻求进一步降低估算误差的方法，本论文对波动量法估算过程中的部分步骤及参数选取进行改进。

首先对不同的奈尔系数下的估算结果进行比较，由于奈尔系数一般按照1～1.5的范围选取，在不同奈尔系数计算结果下可知奈尔系数对误差结果的影响有限，并不能有效地降低误差。

其次可设置额外的波动量筛选过程：

ΔIS（i）≤1%IS

其中ΔIS（i）为谐波电流的波动量，将经过优化后的波动量数据组代入计算ΔUPCC、ΔIPCC的式子中得到优化后的PCC点谐波波动量。然后再进行后续计算，得到改进后的误差计算结果如表5。

对比初步方法可知将背景谐波波动筛选并限制在一个较小的值后得到的误差均有所降低。降低背景谐波电流波动量是能够有效降低谐波责任误差和谐波阻抗的幅值误差的改进方法。

由上述仿真计算可以得出结论：对于波动量法，考虑风机谐波阻抗时得到的计算结果更加精确，相比较参考值的误差更小。并且以波动量法为基础，对初始谐波数据进行筛选后能将相应的谐波阻抗计算误差保持在5%左右，与复线性回归方程法比较来说更加精确。由此可见对于风电场的谐波阻抗及责任估算，考虑风机的谐波阻抗能够显著降低估算误差，得到更精准的风电谐波责任估算结果。

以波动量法为基础，进一步筛选背景谐波波动量后，能将相应的谐波阻抗幅值误差以及谐波责任误差降低至3%左右。

3.2 实测数据计算与分析

在实际划分谐波责任的过程中，通常通过参考实测一段时间内公共连接点的谐波电压和电流数据，以及相应的谐波阻抗参考值等数据来实现两侧谐波发射水平的估算以及谐波责任的估算。

本文此次引用的实测数据为某风机接入电网时，某一天内，每1min采集一次的公共连接点处的5次谐波电流数据，共1440组谐波数据。谐波波形如图8所示。

可见系统侧谐波阻抗估算结果在可接受范围内，幅值误差较仿真计算时偏大。

3.2.2 谐波电压及谐波责任计算

由于公共连接点PCC处的谐波电流电压和系统侧、用户侧的谐波数据存在以谐波阻抗为系数的关系，因此可知系统侧和用户侧的谐波电流波形。

由以上谐波计算结果可以得出，在此风机接入电网时，相比较传统忽略风机谐波阻抗的方法，考虑风机谐波阻抗下对其谐波责任进行计算能够得到较为准确的结果。其中系统侧谐波阻抗的估计结果幅值误差在5%以内，风机侧谐波电压幅值误差和责任占比误差均在4%以内，处在可接受范围内。同时利用相应的筛选方法对谐波数据进行筛选能够进一步降低谐波阻抗和谐波责任的计算误差。

另外多次采集谐波数据计算结果相差不大，误差保持在5%以内。

由此可见本论文的波动量法估算的谐波电压以及谐波责任占比基本具有可行性，对于多次采集的谐波数据均有较为准确的计算结果，计算结果较参考值的误差较小，且均在可接受范围内，相比较传统忽略风机谐波阻抗的谐波责任估算方法能够显著降低估算误差。此外谐波阻抗的估算结果误差也能控制在5%以内，符合相关误差要求。

4结语

（1）本文以利用奈尔检测法筛选波动量的主导波动量法为基础对风电场接入的电网系统进行谐波责任划分，考虑到风电场侧的风机谐波阻抗，对计算方法进行改进，获得误差更小的谐波阻抗计算方法，利用仿真计算和实测数据分析验证了改进方法的可行性。

（2）针对采集到的谐波电流和谐波电压波动量，采取了进一步的筛选方法，降低参与计算的谐波电气量的波动量，经验证能够进一步降低谐波责任估算误差。

（3）本文以永磁直驱型风机为例，建立了风电场的谐波阻抗模型，对于中小型风电场和单个风机的谐波阻抗能够较准确地估算，但对于部分大规模，且包含多种风机类型的风电场还需要进一步完善谐波模型，以达计算方法的普适性。

参考文献

[1] 谭鹏，杨洪耕，马晓阳，等.计及风电场侧谐波阻抗影响的谐波发射水平评估[J].电力自动化设备，2019，39（4）：167-173.

[2] 贾秀芳，华回春，曹东升，等.基于复线性最小二乘法的谐波责任定量划分[J].中国电机工程学报，2013，33（4）：149-155+20.

[3] 熊敏，杨洪耕.基于改进协方差特性的永磁直驱风电场谐波发射水平评估[J].电工技术学报，2020，35（3）：603-611.

[4] 龔华麟，肖先勇，刘亚梅，等.基于主导波动量筛选原理的用户谐波发射水平估计方法[J].中国电机工程学报，2010，30（4）：22-27.

[5] 华回春，贾秀芳，曹东升，等.系统谐波阻抗估计的极大似然估计方法[J].中国电机工程学报，2014，34（10）：1692-1699.