双馈风电机组谐波特性研究及联合仿真研究

2023-12-01中电建新能源集团股份有限公司华中分公司罗宇航

电力设备管理 2023年19期

中电建新能源集团股份有限公司华中分公司罗宇航

1 引言

双馈式风电机组在工作时，其内部的电子组成元件反复吸合，不可避免地产生谐波分量，进而对配电网带来谐波污染，导致机组设备损耗和老化加剧，给电网的稳定运行埋下安全隐患。目前行业内抑制谐波产生的措施大致有两个方面，一方面对谐波电流产生源头（用电负荷侧的电力设备本身）进行技术改造，将谐波电流扼杀在萌芽状态，同时增强对入网客户设备选型的指导与监督，优先采购配置好、效率高的设备，根本上控制谐波电流产生。另一方面是加装谐波电流补偿设备，例如新型滤波装置等，该装置能够产生与负荷谐波I大小相同但方向相反的补偿I，从而起到遏制谐波的作用。

2 双馈式风电机组谐波形成原理

2.1 双馈式风电机组介绍

风力资源取材方便，是一种可以长期反复利用的能源。双馈式风力发电机组利用自然界风能，通过齿轮箱，把叶片从外界风力处获得的低转速借助齿轮副增速至发电机正常工作的额定转速，将低转速大扭矩的机械能增速后带动机组进行发电，最终达成风能与电能的转换。

2.2 配电网谐波定义

实际用电过程中，接入配电网的负荷大多是非线性的，故在导通电流时，负载的U-I曲线并非线性图样，因此电网中就会形成谐波。谐波通常指周期电气量的正弦波分量，其f是基波量的整数倍。一般情况下，在三相负载分布平衡的情况下，ABC三相电压的相位差也相对较小，系统的对称特征会灭除偶次谐波成分，剩下奇次谐波成分。要避免配电网三相负载失衡现象发生，需要按相关用电量要求将用电客户划分为大型用电客户、普通用电客户、小型用电客户、商户、工厂以及养殖业用电客户等。三相负载平衡工作以工程用户为基石，并将此类用户的功耗恒定在规定电压之下，令各个时间节点内的三个I保持相同。这样一来，不仅可以确保三相负载的平衡，还可以降低谐波产生[1]。谐波含量的计算式为：

2.3 变流器谐波形成机理

以网侧变流器为例进行介绍，如图1所示。其中，Uga、Ugb、Ugc依次为三相电压；iga、igb、igc分别为网侧变流器的输入三相电流；Vga、Vgb、Vgc分别为网侧变流器三相交流电压；Vdc为母线直流电压；iload为直流侧负载电流，Lg是电抗器的电感；Rg是电抗器的电阻；C是母线电容。假设图中的功率元件不计损耗，为理想开关，则三相坐标系下，网侧变流器的数学参考模型[2]是：

图1 变流器主电路

式中：Sga为变流器A相桥臂开关函数；Sgb为变流器B相桥臂开关函数；Sgc为变流器C相桥臂开关函数。

根据KCL定律可知，三相电流和等于0：

网侧变流器三相交流电压与各开关状态Sga、Sgb、Sgc之间关系为：

综合式（2）、式（3）、式（4）可得：

3 双馈式风电机组谐波抑制策略研究

综上可知，在配电网中存在谐波的情况下，风电机组的运行会受到一定程度的影响，设备本身在PCC点形成相应的谐波并入配电网。当配电网谐波比例过大时，风电机组设备产生的谐波并入配电网后将会更加恶化电网环境，严重时将造成配电网产生大幅度振荡，所以，双馈式风电机组并网前谐波的治理十分关键。本文采用VIPR技术[3]，主要是借助虚拟阻抗的谐波抑制方法。虚拟阻抗的抑制谐波法主要对双馈式风电机组变流器元件的供电回路进行控制[4]，包含前馈及反馈环节，风电机组谐波分量控制框原理如图2所示。

图2 风电机组谐波分量控制框原理

依据原理控制图，结合风电机组自身工作情况，可得到第n次谐波分量表达式[5]：

4 试验仿真案例

4.1 案例概况

试验选取某型号的双馈式风电机组为对象，机组功率为3MW，额定电压为690V，配电网电压为35kV，试验风速为10.5m/s。本文采用了两种软件搭建双馈式风电机组的机械及电气系统，一是利用Bladed软件对机组的机械部分进行设计，用于搭建齿轮箱、液压制动器、通风、转子轮毂、偏航驱动、联轴器等模型；二是利用Matlab仿真程序，系统化搭建双馈式风电机组的发电机、变流器、逆变器等电气设备。试验环境实时采集现场风速，如图3所示。

图3 现场测试风波形

4.2 电网模型建设

本文研究的双馈式风电机组工作环境是配电网存在谐波的情况下，故在电网模型设计时应考虑融入背景谐波。本文借助Matlab软件本身的可控电源进行电网模型搭建，如图4所示。在高压侧加设谐波融入模块，实现指定谐波添加功能，与电网实际运行工况高度相似，该算法的理论分析具有一定深度，基于积累的大量运行数据，能根据自身工作机理灵活变通，对于非线性工况的估测，能够实现贴切控制计算过程，尽可能地降低计算误差。