海上风电场并网对暂态过电压和谐波谐振特性的影响

2023-03-09徐群伟罗华峰梅冰笑刘浩军朱非白朱汉山陈向荣

浙江电力 2023年2期

徐群伟，罗华峰，梅冰笑，刘浩军，朱非白，朱汉山，陈向荣

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江大学电气工程学院，杭州 310027）

0 引言

随着全球经济的迅速发展，能源需求的增多与传统化石能源（煤炭、石油、天然气）供应不足之间的矛盾日益显现。因此大规模开发利用风能、太阳能等可再生能源已成为实现可持续发展和“双碳”目标的关键［1］。风能发电因其具有零碳排放、无污染、可再生等特点，在全球新能源市场备受青睐。经过十几年的大力发展，我国风电装机容量已跻身世界第一［2］。根据风场位置不同，可以分为陆上风力发电和海上风力发电。其中海上风力发电的优势是风力资源充沛、发电可利用小时数高并且不占用土地［3］。随着海上风电场并网技术的进步和成本降低，海上风电市场规模近十年迅速发展扩大。发达国家尤其是欧洲国家将风力发电的发展重心都转移到海上，目前已占据国际海上风电市场的主导地位［4］。我国国土辽阔，又有绵长的海岸线，近年来大力推动海上风电的发展，将逐渐形成陆上和海上风力发电并重的能源格局。

随着海上风电场装机容量的增大，越来越多的电力电子设备接入电网，成为海上风电场主要的谐波源［5-7］。一方面由于风力的不可控性、随机性和间歇性，导致风力发电机的输出功率不平稳，加大了谐波的产生。另一方面相比于陆上架空线，海底电缆具有更高的对地电容，因而会存在较大的对地分布电容。较大的对地分布电容较易引起风电场与电力系统的谐波谐振问题，这将对风电场的安全运营产生威胁，导致过电压、过电流和元件过热损耗的问题，严重时甚至导致绝缘失效而引发严重的电力事故。同时，系统不同的运行方式，也将影响电力系统的谐波谐振情况。因此，在当前风电场谐波谐振问题愈发突出的背景下，本文对浙江省某海上风电场并网系统进行PSCAD仿真建模，分析海上风电场的接入对陆上电网PCC（公共耦合点）暂态过电压的影响，研究海上风电场并网系统在不同运行方式下的谐波谐振特性，并提出一种有效的海上风电场并网系统谐波谐振抑制策略。

1 谐波谐振和治理原理

1.1 谐波谐振

设定系统等效电路如图1 所示，图1 中，R1、X1分别代表陆上电网等效电阻和等效感抗，R2、X2和R3、X3分别代表高压海缆连接风电场支路的等效电阻和等效感抗。对于PCC 的等效电抗X的表达式如下：

图1 系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit diagram of the system

由式（1）可知，当|X2+X3|等于零时，此时对应的频率为电气谐振频率，若背景谐波电流或风机谐波电流存在与之相等或相近的频率，则在该频率下发生谐波谐振放大现象。

采用频率扫频法分析整个系统的谐波谐振放大问题，通过测量PCC 的阻抗频率曲线，可以得到阻抗极大值对应的频率值［8-9］。因此，通过对PCC 的阻抗扫频，就可以得到PCC 的谐振频率点，从而进一步针对性地选择谐振治理装置。

1.2 谐波谐振治理原理

常用谐波治理措施：一是受端治理，提高电气设备或系统的抗谐波干扰能力，避免或减少谐波的影响；二是主动治理，减少产生谐波源的电气设备；三是被动治理，在系统的谐波源附近增加特定的滤波器，可减弱谐振频率下的谐波谐振放大现象［10］。实际工程中往往采用被动治理中的无源方法，即并联型低阻抗支路滤波器［11-13］。

系统并联低阻抗支路滤波器电路如图2 所示，在PCC 处并联低阻抗支路滤波器，低阻抗支路滤波器也可成为单调谐滤波器，通常由电阻R、电感L和电容C串联而成，其阻抗Z在k次基波频率的表达式如下：

图2 系统并联低阻抗支路滤波器电路Fig.2 Circuit diagram of the parallel low-impedance branch filter

式中：w0为额定工频角频率；k为谐振谐波次数。

在k次基波频率下，低阻抗支路滤波器的阻抗值就等于电阻值R，k次谐波电流主要将通过低值电阻R分流。若存在两个频率下发生谐波谐振放大现象，则可以选择并联两个不同频率的单调谐滤波器，相当于一个双调谐滤波器。海上风电场往往发生比较严重的5 次和7 次谐波谐振放大现象，所以选择并联5次和7次单调谐滤波器是一种可行的方式。

2 基于PSCAD的系统仿真建模

为了研究海上风电谐波过电压对电网安全性的影响，以浙江省某海上风电场并网系统为例，需要建模的系统拓扑如图3 所示（图中略去风电场中66/35 kV 变压器），主要包括：风电场、陆上电网和背景谐波电流源、高抗和48 km 高压海缆、3.3 km 架空线，以及220/110 kV 的T1变压器、220/35 kV 的T2变压器、220/35 kV 的T3变压器，其中SCL表示海缆登陆点。

图3 系统拓扑Fig.3 System topology

海上风电场包括风电机组、变压器、海缆，其中风电机组的谐波特性随工况而变，具有较大的不确定性；而变压器和电缆结构是确定的，其电气参数的不确定性较小，可以精确建模。由于风电机组的谐波特性随工况而变，为了简化分析，需要建立确定的风电机组谐波模型。可以基于风电机组制造商（远景风机和湘电风机）提供的风电机组谐波实测数据建立风电机组的谐波模型［14-16］。根据谐波电流实测数据和滤波电路实际参数，可以推算出谐波电势有效值和谐波电流有效值。文中风电场是由一个远景风机和一个湘电风机并联连接的模型。

从风机箱变的690 V（一次侧）看向风机侧，远景风机和湘电风机的谐波等值电路如图4所示，其中两种风机的等效电感L和电容C均一致，分别为0.0214 mH和668.4 μF。两种风机的实测谐波电流值和谐波模型中的谐波等效电流，分别如表1—表4所示。输电系统中三芯海缆模型参数设置如表5所示。

图4 远景风机和湘电风机的谐波等值电路Fig.4 Harmonic equivalent circuits of wind turbines manufactured by Envision and XEMC

表1 远景风机实测谐波电流Table 1 Measured harmonic current of wind turbines manufactured by Envision

表2 远景风机谐波模型中的谐波等效电流Table 2 Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by Envision

表3 湘电风机实测谐波电流Table 3 Measured harmonic current of wind turbines manufactured by XEMC

表4 湘电风机谐波模型中的谐波等效电流Table 4 Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by XEMC

表5 海底电缆结构参数Table 5 structural parameters of submarine cables

3 海上风电场的暂态过电压仿真分析

过电压和谐波是引起电网设备绝缘损坏、电能质量下降的主要诱导因素，严重影响电网安全运行，对电网过电压和谐波水平进行有效监测和治理是优化电网绝缘配合、保障电网设备安全的重要前提［17-18］。电力系统中各种电气设备的绝缘在运行过程中除了长期受到工作电压的作用外，还会受到由于各种原因而引起的比工作电压高得多的过电压以及频率数倍于工频的高次谐波电压作用，过电压和谐波电压的存在会直接危害到设备绝缘的正常工作，导致设备损坏。对110 kV 及220 kV 系统而言，过电压不宜大于3.0 p.u.。110 kV 及220 kV 系统操作过电压的基准电压分别为102.88 kV 和205.76 kV，因此采用3.0 p.u.，即以308.64 kV 和617.27 kV 作为操作冲击电压限值。根据图3的系统拓扑，仿真测量接入海上风电场的暂态过电压。0时刻断开所有开关，运行开始后1 s合上S1开关（以下简称“S1”，其余类推），运行开始后2 s合上S2开关，运行开始后4 s合上S3开关，运行开始后6 s 合上S4开关，运行开始后7 s 合上S5开关，运行开始后9 s合上S6开关，分别测量S1—S6开关前后0.1 s的PCC三相电压波形，并比较暂态过电压标幺值是否超过3.0 p.u.。

合上S2前后0.1 s PCC 三相电压波形如图5 所示。由图5 可知，PCC A 相电压在0.1 s 内最大值超过200 kV，换算成标幺值为2.10 p.u.，低于3.0 p.u.。PCC电压达到最大值后逐渐衰减，A相电压高于开关S2闭合前稳定值。

图5 合上S2前后PCC三相电压波形Fig.5 PCC three-phase voltage waveforms before and after closing of S2

按上文所述时间顺序依次合上S1—S6，在这6种运行方式下，测量的PCC 暂态过电压如表6 所示。由表6可知，在2 s合上S2，PCC暂态过电压标幺值最大值达到2.10 p.u.，不过依旧小于限制值3.0 p.u.，符合安全要求。所以，风电场接入引起的过电压标幺值全都小于限制值3.0 p.u。基于这一前提，进一步研究背景谐波电流源和风电场的接入对陆上电网谐波状态的影响。

表6 PCC暂态过电压Table 6 Transient voltage of PCC

4 系统谐波谐振特性分析及抑制方案

4.1 系统谐波谐振特性分析

为了研究海上风电不同运行工况下对接入电网安全稳定性的影响，需要分析风电场的接入对陆上电网谐波状态的影响，计算电网谐波电压总畸变率，其中谐波电压总畸变率越高，电网安全稳定性越低。目前，对于110 kV 及以上电压等级的公用电网，单次谐波电压畸变率限制值为1.5%，谐波电压总畸变率限制值为3%。本文主要考虑2～7次低频谐波电压总畸变率不超过1.5%，后文中的谐波电压总畸变率均指2～7 次谐波电压总畸变率。

结合图3所示系统拓扑和表7给出的不同运行方式，研究背景谐波电流源和风电场的接入对陆上电网谐波状态的影响，其中陆上电网谐波状态用PCC 的谐波电压畸变率来表示。通过仿真测量系统PCC处A相基波电压及2～7次谐波电压，并计算谐波电压总畸变率。根据谐波电压总畸变率，可以分析不同运行方式下的电网安全稳定性。同时，结合PCC 阻抗扫频图提出降低谐波电压总畸变率的抑制方案。

表7 不同运行方式Table 7 Different operating modes

对于4 种运行方式，仿真得出的PCC 谐波电压总畸变率如表8 所示。由表8 可知，4 种运行方式下PCC 谐波电压总畸变率均超过1.5%，表明4种运行方式下PCC 处均存在明显的谐波谐振放大现象。因此，必须采取谐波谐振抑制措施。以4号运行方式为例，即合上所有开关的情况，结合谐波电压畸变率及PCC 阻抗扫频图提出降低谐波电压总畸变率的抑制方案。

表8 不同运行方式下PCC谐波电压总畸变率Table 8 Total distortion rate of PCC harmonic voltage under different operating modes

4 号运行方式下PCC 谐波电流和PCC 处A 相电压如表9 和表10 所示。由表9 和表10 可知，PCC 5次谐波电流过大，4号运行方式下基波电压为111.35 kV，谐波电压总畸变率为8.03%，大于谐波电压畸变率限制值1.5%，主要原因是5 次谐波电压过大导致的。

表9 PCC谐波电流Table 9 PCC harmonic current

表10 PCC A相谐波电压Table 10 Phase-A harmonic voltage of PCC

PCC 全系统阻抗扫描如图6 所示，由图6 可知，PCC 2次谐波附近放大现象严重。对于PCC，由于变压器三角形联结的作用，对称条件下风电场侧3倍谐波不会进入到陆上电网。所以PCC处3次和6次即使阻抗扫频值较高，也不会引起过高的谐波畸变率，主要还是5 次和7 次谐波畸变率较大，导致谐波电压总畸变率达到8.03%，超出了限制值1.5%。所以可选择在PCC 并联5 次和7 次单调谐滤波器。

图6 4号运行方式下PCC阻抗扫描图Fig.6 Scanning diagram of PCC impedance under operating mode 4

4.2 系统谐波谐振抑制方案

4号运行方式下在PCC并联5次和7次单调谐滤波器，滤波器的具体参数如表11所示。

表11 单调谐滤波器参数Table 11 Parameters of the single-tuned filter

4 号运行方式下的PCC 谐波电流和PCC A 相电压如表12 和表13 所示。4 号运行方式下基波电压为113.11 kV，由表12 和表13 计算可得，谐波电压总畸变率为1.06%，小于谐波电压畸变率限制值1.5%，各次谐波电压均较小。

表12 PCC谐波电流Table 12 PCC harmonic current

表13 PCC A相谐波电压Table 13 Phase-A harmonic voltage of PCC

并联滤波器后PCC 阻抗扫描如图7 所示，由图7可知，在PCC处并联5次和7次单调谐滤波器后，PCC处5次和7次阻抗值降低，谐振的谐波次数移动到2次附近以及两个不存在的谐波源上。因此PCC 总畸变率大大下降，小于谐波电压畸变率限制值1.5%。PCC 3 倍数次的谐波不会进入到陆上电网，即使谐振频率在3倍数次，也不会造成高的谐波电压畸变率。因此，对于PCC 处谐波谐振的治理原理是将发生谐振的谐波次数移动到不存在谐波源、谐波源值很小的谐波次数上或3倍数谐波次数上。

图7 并联滤波器后PCC阻抗扫描图Fig.7 Scanning diagram of PCC impedance of the paralleled filter

为了验证在PCC处并联5次和7次单调谐滤波器策略的有效性，仿真计算了不同运行方式下PCC谐波电压总畸变率，结果如表14所示。由表14 可知，PCC 总畸变率最大值为1.06%，小于1.5%。4种运行方式均小于1.5%，所以PCC并联5次和7次单调谐滤波器的策略能够有效抑制各种运行方式下PCC处谐波谐振放大现象。