徐群偉，羅華峰，梅冰笑，劉浩軍，朱非白，朱漢山，陳向榮

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源需求的增多與傳統(tǒng)化石能源（煤炭、石油、天然氣）供應(yīng)不足之間的矛盾日益顯現(xiàn)。因此大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源已成為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵［1］。風(fēng)能發(fā)電因其具有零碳排放、無(wú)污染、可再生等特點(diǎn)，在全球新能源市場(chǎng)備受青睞。經(jīng)過(guò)十幾年的大力發(fā)展，我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量已躋身世界第一［2］。根據(jù)風(fēng)場(chǎng)位置不同，可以分為陸上風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電。其中海上風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)是風(fēng)力資源充沛、發(fā)電可利用小時(shí)數(shù)高并且不占用土地［3］。隨著海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步和成本降低，海上風(fēng)電市場(chǎng)規(guī)模近十年迅速發(fā)展擴(kuò)大。發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是歐洲國(guó)家將風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展重心都轉(zhuǎn)移到海上，目前已占據(jù)國(guó)際海上風(fēng)電市場(chǎng)的主導(dǎo)地位［4］。我國(guó)國(guó)土遼闊，又有綿長(zhǎng)的海岸線，近年來(lái)大力推動(dòng)海上風(fēng)電的發(fā)展，將逐漸形成陸上和海上風(fēng)力發(fā)電并重的能源格局。

隨著海上風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量的增大，越來(lái)越多的電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，成為海上風(fēng)電場(chǎng)主要的諧波源［5-7］。一方面由于風(fēng)力的不可控性、隨機(jī)性和間歇性，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率不平穩(wěn)，加大了諧波的產(chǎn)生。另一方面相比于陸上架空線，海底電纜具有更高的對(duì)地電容，因而會(huì)存在較大的對(duì)地分布電容。較大的對(duì)地分布電容較易引起風(fēng)電場(chǎng)與電力系統(tǒng)的諧波諧振問(wèn)題，這將對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的安全運(yùn)營(yíng)產(chǎn)生威脅，導(dǎo)致過(guò)電壓、過(guò)電流和元件過(guò)熱損耗的問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致絕緣失效而引發(fā)嚴(yán)重的電力事故。同時(shí)，系統(tǒng)不同的運(yùn)行方式，也將影響電力系統(tǒng)的諧波諧振情況。因此，在當(dāng)前風(fēng)電場(chǎng)諧波諧振問(wèn)題愈發(fā)突出的背景下，本文對(duì)浙江省某海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行PSCAD仿真建模，分析海上風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)陸上電網(wǎng)PCC（公共耦合點(diǎn)）暫態(tài)過(guò)電壓的影響，研究海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)在不同運(yùn)行方式下的諧波諧振特性，并提出一種有效的海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)諧波諧振抑制策略。

1 諧波諧振和治理原理

1.1 諧波諧振

設(shè)定系統(tǒng)等效電路如圖1 所示，圖1 中，R1、X1分別代表陸上電網(wǎng)等效電阻和等效感抗，R2、X2和R3、X3分別代表高壓海纜連接風(fēng)電場(chǎng)支路的等效電阻和等效感抗。對(duì)于PCC 的等效電抗X的表達(dá)式如下：

圖1 系統(tǒng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit diagram of the system

由式（1）可知，當(dāng)|X2+X3|等于零時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率為電氣諧振頻率，若背景諧波電流或風(fēng)機(jī)諧波電流存在與之相等或相近的頻率，則在該頻率下發(fā)生諧波諧振放大現(xiàn)象。

采用頻率掃頻法分析整個(gè)系統(tǒng)的諧波諧振放大問(wèn)題，通過(guò)測(cè)量PCC 的阻抗頻率曲線，可以得到阻抗極大值對(duì)應(yīng)的頻率值［8-9］。因此，通過(guò)對(duì)PCC 的阻抗掃頻，就可以得到PCC 的諧振頻率點(diǎn)，從而進(jìn)一步針對(duì)性地選擇諧振治理裝置。

1.2 諧波諧振治理原理

常用諧波治理措施：一是受端治理，提高電氣設(shè)備或系統(tǒng)的抗諧波干擾能力，避免或減少諧波的影響；二是主動(dòng)治理，減少產(chǎn)生諧波源的電氣設(shè)備；三是被動(dòng)治理，在系統(tǒng)的諧波源附近增加特定的濾波器，可減弱諧振頻率下的諧波諧振放大現(xiàn)象［10］。實(shí)際工程中往往采用被動(dòng)治理中的無(wú)源方法，即并聯(lián)型低阻抗支路濾波器［11-13］。

系統(tǒng)并聯(lián)低阻抗支路濾波器電路如圖2 所示，在PCC 處并聯(lián)低阻抗支路濾波器，低阻抗支路濾波器也可成為單調(diào)諧濾波器，通常由電阻R、電感L和電容C串聯(lián)而成，其阻抗Z在k次基波頻率的表達(dá)式如下：

圖2 系統(tǒng)并聯(lián)低阻抗支路濾波器電路Fig.2 Circuit diagram of the parallel low-impedance branch filter

式中：w0為額定工頻角頻率；k為諧振諧波次數(shù)。

在k次基波頻率下，低阻抗支路濾波器的阻抗值就等于電阻值R，k次諧波電流主要將通過(guò)低值電阻R分流。若存在兩個(gè)頻率下發(fā)生諧波諧振放大現(xiàn)象，則可以選擇并聯(lián)兩個(gè)不同頻率的單調(diào)諧濾波器，相當(dāng)于一個(gè)雙調(diào)諧濾波器。海上風(fēng)電場(chǎng)往往發(fā)生比較嚴(yán)重的5 次和7 次諧波諧振放大現(xiàn)象，所以選擇并聯(lián)5次和7次單調(diào)諧濾波器是一種可行的方式。

2 基于PSCAD的系統(tǒng)仿真建模

為了研究海上風(fēng)電諧波過(guò)電壓對(duì)電網(wǎng)安全性的影響，以浙江省某海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)系統(tǒng)為例，需要建模的系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D3 所示（圖中略去風(fēng)電場(chǎng)中66/35 kV 變壓器），主要包括：風(fēng)電場(chǎng)、陸上電網(wǎng)和背景諧波電流源、高抗和48 km 高壓海纜、3.3 km 架空線，以及220/110 kV 的T1變壓器、220/35 kV 的T2變壓器、220/35 kV 的T3變壓器，其中SCL表示海纜登陸點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)銯ig.3 System topology

海上風(fēng)電場(chǎng)包括風(fēng)電機(jī)組、變壓器、海纜，其中風(fēng)電機(jī)組的諧波特性隨工況而變，具有較大的不確定性；而變壓器和電纜結(jié)構(gòu)是確定的，其電氣參數(shù)的不確定性較小，可以精確建模。由于風(fēng)電機(jī)組的諧波特性隨工況而變，為了簡(jiǎn)化分析，需要建立確定的風(fēng)電機(jī)組諧波模型。可以基于風(fēng)電機(jī)組制造商（遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)和湘電風(fēng)機(jī)）提供的風(fēng)電機(jī)組諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立風(fēng)電機(jī)組的諧波模型［14-16］。根據(jù)諧波電流實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和濾波電路實(shí)際參數(shù)，可以推算出諧波電勢(shì)有效值和諧波電流有效值。文中風(fēng)電場(chǎng)是由一個(gè)遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)和一個(gè)湘電風(fēng)機(jī)并聯(lián)連接的模型。

從風(fēng)機(jī)箱變的690 V（一次側(cè)）看向風(fēng)機(jī)側(cè)，遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)和湘電風(fēng)機(jī)的諧波等值電路如圖4所示，其中兩種風(fēng)機(jī)的等效電感L和電容C均一致，分別為0.0214 mH和668.4 μF。兩種風(fēng)機(jī)的實(shí)測(cè)諧波電流值和諧波模型中的諧波等效電流，分別如表1—表4所示。輸電系統(tǒng)中三芯海纜模型參數(shù)設(shè)置如表5所示。

圖4 遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)和湘電風(fēng)機(jī)的諧波等值電路Fig.4 Harmonic equivalent circuits of wind turbines manufactured by Envision and XEMC

表1 遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)諧波電流Table 1 Measured harmonic current of wind turbines manufactured by Envision

表2 遠(yuǎn)景風(fēng)機(jī)諧波模型中的諧波等效電流Table 2 Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by Envision

表3 湘電風(fēng)機(jī)實(shí)測(cè)諧波電流Table 3 Measured harmonic current of wind turbines manufactured by XEMC

表4 湘電風(fēng)機(jī)諧波模型中的諧波等效電流Table 4 Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by XEMC

表5 海底電纜結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 5 structural parameters of submarine cables

3 海上風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)過(guò)電壓仿真分析

過(guò)電壓和諧波是引起電網(wǎng)設(shè)備絕緣損壞、電能質(zhì)量下降的主要誘導(dǎo)因素，嚴(yán)重影響電網(wǎng)安全運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)過(guò)電壓和諧波水平進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和治理是優(yōu)化電網(wǎng)絕緣配合、保障電網(wǎng)設(shè)備安全的重要前提［17-18］。電力系統(tǒng)中各種電氣設(shè)備的絕緣在運(yùn)行過(guò)程中除了長(zhǎng)期受到工作電壓的作用外，還會(huì)受到由于各種原因而引起的比工作電壓高得多的過(guò)電壓以及頻率數(shù)倍于工頻的高次諧波電壓作用，過(guò)電壓和諧波電壓的存在會(huì)直接危害到設(shè)備絕緣的正常工作，導(dǎo)致設(shè)備損壞。對(duì)110 kV 及220 kV 系統(tǒng)而言，過(guò)電壓不宜大于3.0 p.u.。110 kV 及220 kV 系統(tǒng)操作過(guò)電壓的基準(zhǔn)電壓分別為102.88 kV 和205.76 kV，因此采用3.0 p.u.，即以308.64 kV 和617.27 kV 作為操作沖擊電壓限值。根據(jù)圖3的系統(tǒng)拓?fù)?，仿真測(cè)量接入海上風(fēng)電場(chǎng)的暫態(tài)過(guò)電壓。0時(shí)刻斷開(kāi)所有開(kāi)關(guān)，運(yùn)行開(kāi)始后1 s合上S1開(kāi)關(guān)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“S1”，其余類(lèi)推），運(yùn)行開(kāi)始后2 s合上S2開(kāi)關(guān)，運(yùn)行開(kāi)始后4 s合上S3開(kāi)關(guān)，運(yùn)行開(kāi)始后6 s 合上S4開(kāi)關(guān)，運(yùn)行開(kāi)始后7 s 合上S5開(kāi)關(guān)，運(yùn)行開(kāi)始后9 s合上S6開(kāi)關(guān)，分別測(cè)量S1—S6開(kāi)關(guān)前后0.1 s的PCC三相電壓波形，并比較暫態(tài)過(guò)電壓標(biāo)幺值是否超過(guò)3.0 p.u.。

合上S2前后0.1 s PCC 三相電壓波形如圖5 所示。由圖5 可知，PCC A 相電壓在0.1 s 內(nèi)最大值超過(guò)200 kV，換算成標(biāo)幺值為2.10 p.u.，低于3.0 p.u.。PCC電壓達(dá)到最大值后逐漸衰減，A相電壓高于開(kāi)關(guān)S2閉合前穩(wěn)定值。

圖5 合上S2前后PCC三相電壓波形Fig.5 PCC three-phase voltage waveforms before and after closing of S2

按上文所述時(shí)間順序依次合上S1—S6，在這6種運(yùn)行方式下，測(cè)量的PCC 暫態(tài)過(guò)電壓如表6 所示。由表6可知，在2 s合上S2，PCC暫態(tài)過(guò)電壓標(biāo)幺值最大值達(dá)到2.10 p.u.，不過(guò)依舊小于限制值3.0 p.u.，符合安全要求。所以，風(fēng)電場(chǎng)接入引起的過(guò)電壓標(biāo)幺值全都小于限制值3.0 p.u?；谶@一前提，進(jìn)一步研究背景諧波電流源和風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)陸上電網(wǎng)諧波狀態(tài)的影響。

表6 PCC暫態(tài)過(guò)電壓Table 6 Transient voltage of PCC

4 系統(tǒng)諧波諧振特性分析及抑制方案

4.1 系統(tǒng)諧波諧振特性分析

為了研究海上風(fēng)電不同運(yùn)行工況下對(duì)接入電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響，需要分析風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)陸上電網(wǎng)諧波狀態(tài)的影響，計(jì)算電網(wǎng)諧波電壓總畸變率，其中諧波電壓總畸變率越高，電網(wǎng)安全穩(wěn)定性越低。目前，對(duì)于110 kV 及以上電壓等級(jí)的公用電網(wǎng)，單次諧波電壓畸變率限制值為1.5%，諧波電壓總畸變率限制值為3%。本文主要考慮2～7次低頻諧波電壓總畸變率不超過(guò)1.5%，后文中的諧波電壓總畸變率均指2～7 次諧波電壓總畸變率。

結(jié)合圖3所示系統(tǒng)拓?fù)浜捅?給出的不同運(yùn)行方式，研究背景諧波電流源和風(fēng)電場(chǎng)的接入對(duì)陸上電網(wǎng)諧波狀態(tài)的影響，其中陸上電網(wǎng)諧波狀態(tài)用PCC 的諧波電壓畸變率來(lái)表示。通過(guò)仿真測(cè)量系統(tǒng)PCC處A相基波電壓及2～7次諧波電壓，并計(jì)算諧波電壓總畸變率。根據(jù)諧波電壓總畸變率，可以分析不同運(yùn)行方式下的電網(wǎng)安全穩(wěn)定性。同時(shí)，結(jié)合PCC 阻抗掃頻圖提出降低諧波電壓總畸變率的抑制方案。

表7 不同運(yùn)行方式Table 7 Different operating modes

對(duì)于4 種運(yùn)行方式，仿真得出的PCC 諧波電壓總畸變率如表8 所示。由表8 可知，4 種運(yùn)行方式下PCC 諧波電壓總畸變率均超過(guò)1.5%，表明4種運(yùn)行方式下PCC 處均存在明顯的諧波諧振放大現(xiàn)象。因此，必須采取諧波諧振抑制措施。以4號(hào)運(yùn)行方式為例，即合上所有開(kāi)關(guān)的情況，結(jié)合諧波電壓畸變率及PCC 阻抗掃頻圖提出降低諧波電壓總畸變率的抑制方案。

表8 不同運(yùn)行方式下PCC諧波電壓總畸變率Table 8 Total distortion rate of PCC harmonic voltage under different operating modes

4 號(hào)運(yùn)行方式下PCC 諧波電流和PCC 處A 相電壓如表9 和表10 所示。由表9 和表10 可知，PCC 5次諧波電流過(guò)大，4號(hào)運(yùn)行方式下基波電壓為111.35 kV，諧波電壓總畸變率為8.03%，大于諧波電壓畸變率限制值1.5%，主要原因是5 次諧波電壓過(guò)大導(dǎo)致的。

表9 PCC諧波電流Table 9 PCC harmonic current

表10 PCC A相諧波電壓Table 10 Phase-A harmonic voltage of PCC

PCC 全系統(tǒng)阻抗掃描如圖6 所示，由圖6 可知，PCC 2次諧波附近放大現(xiàn)象嚴(yán)重。對(duì)于PCC，由于變壓器三角形聯(lián)結(jié)的作用，對(duì)稱(chēng)條件下風(fēng)電場(chǎng)側(cè)3倍諧波不會(huì)進(jìn)入到陸上電網(wǎng)。所以PCC處3次和6次即使阻抗掃頻值較高，也不會(huì)引起過(guò)高的諧波畸變率，主要還是5 次和7 次諧波畸變率較大，導(dǎo)致諧波電壓總畸變率達(dá)到8.03%，超出了限制值1.5%。所以可選擇在PCC 并聯(lián)5 次和7 次單調(diào)諧濾波器。

圖6 4號(hào)運(yùn)行方式下PCC阻抗掃描圖Fig.6 Scanning diagram of PCC impedance under operating mode 4

4.2 系統(tǒng)諧波諧振抑制方案

4號(hào)運(yùn)行方式下在PCC并聯(lián)5次和7次單調(diào)諧濾波器，濾波器的具體參數(shù)如表11所示。

表11 單調(diào)諧濾波器參數(shù)Table 11 Parameters of the single-tuned filter

4 號(hào)運(yùn)行方式下的PCC 諧波電流和PCC A 相電壓如表12 和表13 所示。4 號(hào)運(yùn)行方式下基波電壓為113.11 kV，由表12 和表13 計(jì)算可得，諧波電壓總畸變率為1.06%，小于諧波電壓畸變率限制值1.5%，各次諧波電壓均較小。

表12 PCC諧波電流Table 12 PCC harmonic current

表13 PCC A相諧波電壓Table 13 Phase-A harmonic voltage of PCC

并聯(lián)濾波器后PCC 阻抗掃描如圖7 所示，由圖7可知，在PCC處并聯(lián)5次和7次單調(diào)諧濾波器后，PCC處5次和7次阻抗值降低，諧振的諧波次數(shù)移動(dòng)到2次附近以及兩個(gè)不存在的諧波源上。因此PCC 總畸變率大大下降，小于諧波電壓畸變率限制值1.5%。PCC 3 倍數(shù)次的諧波不會(huì)進(jìn)入到陸上電網(wǎng)，即使諧振頻率在3倍數(shù)次，也不會(huì)造成高的諧波電壓畸變率。因此，對(duì)于PCC 處諧波諧振的治理原理是將發(fā)生諧振的諧波次數(shù)移動(dòng)到不存在諧波源、諧波源值很小的諧波次數(shù)上或3倍數(shù)諧波次數(shù)上。

圖7 并聯(lián)濾波器后PCC阻抗掃描圖Fig.7 Scanning diagram of PCC impedance of the paralleled filter

為了驗(yàn)證在PCC處并聯(lián)5次和7次單調(diào)諧濾波器策略的有效性，仿真計(jì)算了不同運(yùn)行方式下PCC諧波電壓總畸變率，結(jié)果如表14所示。由表14 可知，PCC 總畸變率最大值為1.06%，小于1.5%。4種運(yùn)行方式均小于1.5%，所以PCC并聯(lián)5次和7次單調(diào)諧濾波器的策略能夠有效抑制各種運(yùn)行方式下PCC處諧波諧振放大現(xiàn)象。

表14 不同運(yùn)行方式下PCC諧波電壓總畸變率Table 14 Total distortion rate of PCC harmonic voltage under different operating modes

5 結(jié)論

本文針對(duì)浙江省某海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)工程進(jìn)行PSCAD仿真建模，研究了海上風(fēng)電場(chǎng)接入對(duì)陸上電網(wǎng)PCC 暫態(tài)過(guò)電壓和諧波諧振特性的影響。得到以下結(jié)論：

1）運(yùn)行開(kāi)始后2 s合上S2，即只接入一條海纜后合上升壓變的情況下，在依次合上S1—S6這6種運(yùn)行方式下，PCC暫態(tài)過(guò)電壓標(biāo)幺值最大值為2.1 p.u.（205.76 kV），小于限制值3.0 p.u.（308.64 kV），符合安全要求。

2）仿真分析4種運(yùn)行方式的諧波電壓總畸變率和阻抗掃描圖，采取在PCC并聯(lián)5次和7次低阻抗支路濾波器的諧波抑制策略，PCC 諧波放大現(xiàn)象明顯減弱，總諧波畸變率也有明顯下降，均小于1.5%，消除了陸上電網(wǎng)背景諧波源和風(fēng)電場(chǎng)諧波電流源2～7次低頻諧波放大的現(xiàn)象。

3）PCC 處3 倍數(shù)次的諧波不會(huì)進(jìn)入到陸上電網(wǎng)，即使諧振頻率在3倍數(shù)次，也不會(huì)造成高的諧波電壓畸變率。因此，將發(fā)生諧振的諧波次數(shù)移動(dòng)到不存在的諧波源、諧波源值很小的諧波次數(shù)上、3倍數(shù)諧波次數(shù)上可有效抑制PCC諧波諧振。