王睿琦

摘 要：本文旨在分析考慮風(fēng)機(jī)諧波阻抗下風(fēng)電場(chǎng)諧波責(zé)任劃分，以永磁直驅(qū)型風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)為例，以目前較為成熟的諧波責(zé)任計(jì)算方法為基礎(chǔ)，對(duì)風(fēng)電諧波阻抗及諧波責(zé)任進(jìn)行估算。傳統(tǒng)諧波責(zé)任估算方法由于存在系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗要遠(yuǎn)小于用戶側(cè)的假設(shè)，因此常將用戶側(cè)諧波阻抗忽略，而作為用戶側(cè)接入電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，由于包含大量非線性元件，因此其諧波阻抗不能忽略。本文根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的組成及相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立合適的風(fēng)機(jī)和風(fēng)電場(chǎng)電氣諧波模型，用于估算風(fēng)電場(chǎng)的諧波阻抗，并對(duì)傳統(tǒng)主導(dǎo)波動(dòng)量法的計(jì)算步驟進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，利用MATLAB仿真軟件，對(duì)諧波阻抗和諧波責(zé)任進(jìn)行仿真計(jì)算并分析計(jì)算結(jié)果，用以驗(yàn)證本文方法的可行性，并總結(jié)一種能夠進(jìn)一步降低估算誤差的諧波責(zé)任估算方法。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī);電能質(zhì)量;諧波阻抗;諧波責(zé)任劃分

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0191-05

1諧波阻抗研究

1.1研究背景

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)逐漸由單一的大容量集中式發(fā)電形式向分布式電源和集中式發(fā)電相結(jié)合的形式轉(zhuǎn)變，提高了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)降低維護(hù)成本。其中分布式風(fēng)力發(fā)電是應(yīng)用較為廣泛的分布式電源，是指采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為供電設(shè)備的分布式電源，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率較小，通過模塊化設(shè)備組分布式的布置在用電負(fù)荷附近，能夠針對(duì)集中式大功率供電難以達(dá)到的地區(qū)以及負(fù)荷容量進(jìn)行補(bǔ)足和替代，同時(shí)風(fēng)力發(fā)電是一種無污染的可再生能源，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。

但同時(shí)風(fēng)能的接入會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。首先風(fēng)能的來源不穩(wěn)定，其產(chǎn)生的電能具有隨機(jī)性和波動(dòng)性的特點(diǎn)，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。其次近年來恒頻、可變速的風(fēng)機(jī)逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的主要機(jī)型，因此大量的整流逆變?cè)O(shè)備接入電力系統(tǒng)，給電網(wǎng)帶來了巨大的諧波問題，進(jìn)而影響電網(wǎng)中的電能質(zhì)量。

1.2研究意義

傳統(tǒng)諧波責(zé)任劃分方法包含用戶側(cè)諧波阻抗遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)|Zs|<<|Zc|的假設(shè)，因此忽略了用戶側(cè)諧波阻抗，當(dāng)傳統(tǒng)方法應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)接入的電網(wǎng)時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)諧波阻抗不可忽略，因此諧波責(zé)任計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。

為了合理處置由風(fēng)電產(chǎn)生并流入電網(wǎng)的諧波導(dǎo)致的諧波責(zé)任分配問題。本文的目的在于在考慮風(fēng)電場(chǎng)即風(fēng)機(jī)諧波阻抗的前提下得出一種誤差更小的諧波責(zé)任劃分辦法。通過建立風(fēng)電場(chǎng)的諧波模型，同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)諧波責(zé)任劃分方法進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠適用于風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境下的諧波處理。其次通過奈爾檢測(cè)法等篩選方法降低系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗估算誤差。

2諧波阻抗估計(jì)

2.1 系統(tǒng)等效電路圖

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的諧波責(zé)任計(jì)算，將除風(fēng)電場(chǎng)外的其他諧波源歸為系統(tǒng)側(cè)，將風(fēng)電場(chǎng)側(cè)作為系統(tǒng)中的用戶側(cè)[5-6]，以公共連接點(diǎn)為諧波電壓和電流的測(cè)量點(diǎn)，故電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可根據(jù)諾頓定理簡(jiǎn)化為圖1的系統(tǒng)側(cè)-用戶側(cè)結(jié)構(gòu)。

2.2主導(dǎo)波動(dòng)量法

波動(dòng)量法的首次提出是在1996年法國(guó)巴黎的國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議上。由我國(guó)學(xué)者楊洪耕教授提出。基本思想是在配電系統(tǒng)中，電流的變化會(huì)引起典雅的變化，進(jìn)而引起諧波阻抗的變化。系統(tǒng)中電壓波動(dòng)量和電流波動(dòng)量的比值能一定程度上代表諧波源諧波阻抗的阻抗值。后續(xù)還有許多針對(duì)性的改進(jìn)方法，其中包括對(duì)諧波波動(dòng)量數(shù)據(jù)采用基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的篩選方法進(jìn)行篩選，進(jìn)而得出更精確的諧波阻抗結(jié)果[4]。

其中α為奈爾系數(shù)，一般按照1～1.5，由此篩選出滿足要求的樣本量，再根據(jù)傳統(tǒng)波動(dòng)量法估算諧波阻抗和諧波發(fā)射水平。計(jì)算諧波電壓和諧波電流的波動(dòng)量比值，其中實(shí)部為正的為此數(shù)據(jù)組計(jì)算得到的系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗。

為進(jìn)一步降低諧波發(fā)射水平估計(jì)的誤差，對(duì)于波動(dòng)量法還有選取合適的奈爾系數(shù)，降低背景諧波波動(dòng)量等方法。

2.3風(fēng)電場(chǎng)諧波阻抗建模

為滿足前文估算方法的要求以得到精確的諧波阻抗值。對(duì)于風(fēng)電接入的電網(wǎng)系統(tǒng)，需要對(duì)風(fēng)電場(chǎng)即此系統(tǒng)用戶側(cè)建立諧波模型[7]，用于計(jì)算用戶側(cè)諧波阻抗，便于后續(xù)諧波責(zé)任計(jì)算。

本文以永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)為例，此類型的風(fēng)機(jī)中，風(fēng)輪和發(fā)電機(jī)直接相連，多級(jí)低速永磁同步發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)，所產(chǎn)生的的電能經(jīng)由功率變換器轉(zhuǎn)換后并入相關(guān)電網(wǎng)。

永磁直驅(qū)型風(fēng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要?jiǎng)?lì)磁繞組同時(shí)維持了較高的效率，在中小型風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中應(yīng)用廣泛。由其組成的風(fēng)電場(chǎng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)由變流器裝置和變壓器裝置集中接入集電線，集電線經(jīng)過升壓變壓器后接入電力系統(tǒng)[3]。電能經(jīng)由整流和逆變裝置以及濾波裝置后連接箱式變壓器，使電壓達(dá)到集電點(diǎn)電壓（一般為37kV），其連接到PCC點(diǎn)的電路如圖3。

永磁直驅(qū)型風(fēng)機(jī)采用的是全功率變流器，其中靠近風(fēng)機(jī)側(cè)的整流器與靠近網(wǎng)側(cè)的逆變器由直流電容在中間隔開[1]。因而由風(fēng)機(jī)注入電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波只由網(wǎng)側(cè)逆變器產(chǎn)生，可將其等效為一個(gè)諧波源。計(jì)算風(fēng)機(jī)諧波阻抗的等效電路為一個(gè)等效諧波源和濾波器組成的等效電路如圖4。

若針對(duì)某處風(fēng)機(jī)故障或暫停運(yùn)行，僅需對(duì)各集電線內(nèi)阻抗的風(fēng)機(jī)數(shù)N作出修改。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，本文計(jì)算暫不考慮系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置阻抗。

2.4 諧波發(fā)射水平及責(zé)任估計(jì)過程

對(duì)諧波阻抗進(jìn)行估算后，需結(jié)合實(shí)際的諧波波動(dòng)量對(duì)PCC點(diǎn)處的各諧波進(jìn)行諧波發(fā)射水平估算[10]及責(zé)任劃分具體步驟如下：

如圖5所示，電力系統(tǒng)中通常包括多個(gè)負(fù)荷，每個(gè)負(fù)荷都會(huì)產(chǎn)生諧波進(jìn)而對(duì)電網(wǎng)造成沖擊[2]，因此需要明確各負(fù)荷以及系統(tǒng)側(cè)的諧波責(zé)任。大體上體現(xiàn)為各諧波發(fā)射源的諧波占比。

對(duì)于系統(tǒng)諧波發(fā)射水平的理解主要側(cè)重于系統(tǒng)兩側(cè)的諧波電壓和電流大小，相應(yīng)諧波評(píng)估指標(biāo)的計(jì)算也以諧波電流和電壓為基本量。而對(duì)于諧波污染的治理，考慮到諧波責(zé)任的公平劃分，則需要考慮電力系統(tǒng)PCC點(diǎn)兩側(cè)的諧波占比[9]。

依據(jù)疊加定理得到等效電路圖6。

如圖7所示，pcc-s和pcc-c分別為系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的諧波電壓，pcc為PCC點(diǎn)的諧波電壓，Upcc-s-p和Upcc-c-p分別為以pcc為參考向量，兩側(cè)諧波電壓在其延長(zhǎng)線上的投影。

3仿真計(jì)算及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真計(jì)算

使用MATLAB軟件進(jìn)行模型搭建，設(shè)置系統(tǒng)諧波參數(shù)如下：

設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)側(cè)諧波電流Ic的的幅值近似為200A，初始相角為30°，為模擬諧波的實(shí)際情況，對(duì)其復(fù)數(shù)實(shí)部施加20%的余弦波動(dòng)和5%的隨機(jī)波動(dòng)，對(duì)其虛部施加20%的正弦波動(dòng)和5%的隨機(jī)波動(dòng);系統(tǒng)側(cè)諧波電流Is幅值近似設(shè)置為100A，初始相角為60°，并對(duì)其施加相同的波動(dòng)。

3.1.1 風(fēng)電場(chǎng)諧波阻抗計(jì)算

根據(jù)實(shí)際風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)，本文設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)仿真參數(shù)如表1。

由此結(jié)果對(duì)比所設(shè)置的仿真參數(shù)可驗(yàn)證，風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)諧波阻抗相差不大，并不滿足傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中用戶側(cè)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)側(cè)的假設(shè)，因此本文研究是有意義的。

3.1.2 系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗仿真計(jì)算

將已設(shè)置的100個(gè)仿真數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)組，在一個(gè)數(shù)據(jù)組內(nèi)利用復(fù)線性回歸方程法估算系統(tǒng)諧波阻抗以及兩側(cè)諧波電壓，并重復(fù)計(jì)算100次以模擬采集到的大量諧波數(shù)據(jù)下的估算過程，得到本論文方法下的系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗估算結(jié)果。

根據(jù)篩選過后的諧波數(shù)據(jù)計(jì)算得到系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗值復(fù)數(shù)值為3.2+3.9i。

為驗(yàn)證奈爾檢測(cè)法的篩選效果，在估算用戶側(cè)諧波阻抗的過程中，將利用原始波動(dòng)量方法估算得到的諧波阻抗值作為原始估算值。（其中奈爾系數(shù)按照1.2選?。?/p>

具體結(jié)果如表2，可見篩選過程能夠顯著降低系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗的估計(jì)誤差，能為后續(xù)估計(jì)諧波發(fā)射水平提高準(zhǔn)確性。

3.1.3 諧波電壓及諧波責(zé)任仿真計(jì)算

諧波發(fā)射水平計(jì)算依據(jù)上述計(jì)算方法，得到相應(yīng)的用戶側(cè)諧波發(fā)射電壓仿真計(jì)算結(jié)果如表3。

根據(jù)表3數(shù)據(jù)結(jié)果得出考慮風(fēng)機(jī)諧波阻抗能夠進(jìn)一步降低諧波發(fā)射水平的估計(jì)誤差，得到更精確的諧波電壓估算結(jié)果。另根據(jù)相應(yīng)的諧波責(zé)任計(jì)算步驟計(jì)算得到諧波責(zé)任及其相對(duì)誤差如表4。

根據(jù)以上仿真計(jì)算結(jié)果，可以得出結(jié)論在本文條件下，以波動(dòng)量法為基礎(chǔ)計(jì)算時(shí)，考慮風(fēng)機(jī)諧波阻抗時(shí)計(jì)算的諧波責(zé)任誤差更小。本論文方法估算下幅值誤差和責(zé)任占比誤差在多次計(jì)算中均能保持在5%以下，處在可接受范圍內(nèi)。

為尋求進(jìn)一步降低估算誤差的方法，本論文對(duì)波動(dòng)量法估算過程中的部分步驟及參數(shù)選取進(jìn)行改進(jìn)。

首先對(duì)不同的奈爾系數(shù)下的估算結(jié)果進(jìn)行比較，由于奈爾系數(shù)一般按照1～1.5的范圍選取，在不同奈爾系數(shù)計(jì)算結(jié)果下可知奈爾系數(shù)對(duì)誤差結(jié)果的影響有限，并不能有效地降低誤差。

其次可設(shè)置額外的波動(dòng)量篩選過程：

ΔIS（i）≤1%IS

其中ΔIS（i）為諧波電流的波動(dòng)量，將經(jīng)過優(yōu)化后的波動(dòng)量數(shù)據(jù)組代入計(jì)算ΔUPCC、ΔIPCC的式子中得到優(yōu)化后的PCC點(diǎn)諧波波動(dòng)量。然后再進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，得到改進(jìn)后的誤差計(jì)算結(jié)果如表5。

對(duì)比初步方法可知將背景諧波波動(dòng)篩選并限制在一個(gè)較小的值后得到的誤差均有所降低。降低背景諧波電流波動(dòng)量是能夠有效降低諧波責(zé)任誤差和諧波阻抗的幅值誤差的改進(jìn)方法。

由上述仿真計(jì)算可以得出結(jié)論：對(duì)于波動(dòng)量法，考慮風(fēng)機(jī)諧波阻抗時(shí)得到的計(jì)算結(jié)果更加精確，相比較參考值的誤差更小。并且以波動(dòng)量法為基礎(chǔ)，對(duì)初始諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選后能將相應(yīng)的諧波阻抗計(jì)算誤差保持在5%左右，與復(fù)線性回歸方程法比較來說更加精確。由此可見對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的諧波阻抗及責(zé)任估算，考慮風(fēng)機(jī)的諧波阻抗能夠顯著降低估算誤差，得到更精準(zhǔn)的風(fēng)電諧波責(zé)任估算結(jié)果。

以波動(dòng)量法為基礎(chǔ)，進(jìn)一步篩選背景諧波波動(dòng)量后，能將相應(yīng)的諧波阻抗幅值誤差以及諧波責(zé)任誤差降低至3%左右。

3.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

在實(shí)際劃分諧波責(zé)任的過程中，通常通過參考實(shí)測(cè)一段時(shí)間內(nèi)公共連接點(diǎn)的諧波電壓和電流數(shù)據(jù)，以及相應(yīng)的諧波阻抗參考值等數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)兩側(cè)諧波發(fā)射水平的估算以及諧波責(zé)任的估算。

本文此次引用的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為某風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)時(shí)，某一天內(nèi)，每1min采集一次的公共連接點(diǎn)處的5次諧波電流數(shù)據(jù)，共1440組諧波數(shù)據(jù)。諧波波形如圖8所示。

可見系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗估算結(jié)果在可接受范圍內(nèi)，幅值誤差較仿真計(jì)算時(shí)偏大。

3.2.2 諧波電壓及諧波責(zé)任計(jì)算

由于公共連接點(diǎn)PCC處的諧波電流電壓和系統(tǒng)側(cè)、用戶側(cè)的諧波數(shù)據(jù)存在以諧波阻抗為系數(shù)的關(guān)系，因此可知系統(tǒng)側(cè)和用戶側(cè)的諧波電流波形。

由以上諧波計(jì)算結(jié)果可以得出，在此風(fēng)機(jī)接入電網(wǎng)時(shí)，相比較傳統(tǒng)忽略風(fēng)機(jī)諧波阻抗的方法，考慮風(fēng)機(jī)諧波阻抗下對(duì)其諧波責(zé)任進(jìn)行計(jì)算能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。其中系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗的估計(jì)結(jié)果幅值誤差在5%以內(nèi)，風(fēng)機(jī)側(cè)諧波電壓幅值誤差和責(zé)任占比誤差均在4%以內(nèi)，處在可接受范圍內(nèi)。同時(shí)利用相應(yīng)的篩選方法對(duì)諧波數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選能夠進(jìn)一步降低諧波阻抗和諧波責(zé)任的計(jì)算誤差。

另外多次采集諧波數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果相差不大，誤差保持在5%以內(nèi)。

由此可見本論文的波動(dòng)量法估算的諧波電壓以及諧波責(zé)任占比基本具有可行性，對(duì)于多次采集的諧波數(shù)據(jù)均有較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果較參考值的誤差較小，且均在可接受范圍內(nèi)，相比較傳統(tǒng)忽略風(fēng)機(jī)諧波阻抗的諧波責(zé)任估算方法能夠顯著降低估算誤差。此外諧波阻抗的估算結(jié)果誤差也能控制在5%以內(nèi)，符合相關(guān)誤差要求。

4結(jié)語

（1）本文以利用奈爾檢測(cè)法篩選波動(dòng)量的主導(dǎo)波動(dòng)量法為基礎(chǔ)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)接入的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行諧波責(zé)任劃分，考慮到風(fēng)電場(chǎng)側(cè)的風(fēng)機(jī)諧波阻抗，對(duì)計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，獲得誤差更小的諧波阻抗計(jì)算方法，利用仿真計(jì)算和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了改進(jìn)方法的可行性。

（2）針對(duì)采集到的諧波電流和諧波電壓波動(dòng)量，采取了進(jìn)一步的篩選方法，降低參與計(jì)算的諧波電氣量的波動(dòng)量，經(jīng)驗(yàn)證能夠進(jìn)一步降低諧波責(zé)任估算誤差。

（3）本文以永磁直驅(qū)型風(fēng)機(jī)為例，建立了風(fēng)電場(chǎng)的諧波阻抗模型，對(duì)于中小型風(fēng)電場(chǎng)和單個(gè)風(fēng)機(jī)的諧波阻抗能夠較準(zhǔn)確地估算，但對(duì)于部分大規(guī)模，且包含多種風(fēng)機(jī)類型的風(fēng)電場(chǎng)還需要進(jìn)一步完善諧波模型，以達(dá)計(jì)算方法的普適性。

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