考慮風(fēng)機諧波阻抗的諧波責(zé)任劃分

王睿琦

摘 要：本文旨在分析考慮風(fēng)機諧波阻抗下風(fēng)電場諧波責(zé)任劃分，以永磁直驅(qū)型風(fēng)機接入電網(wǎng)為例，以目前較為成熟的諧波責(zé)任計算方法為基礎(chǔ)，對風(fēng)電諧波阻抗及諧波責(zé)任進行估算。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，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)電場的組成及相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立合適的風(fēng)機和風(fēng)電場電氣諧波模型，用于估算風(fēng)電場的諧波阻抗，并對傳統(tǒng)主導(dǎo)波動量法的計算步驟進行相應(yīng)的改進，利用MATLAB仿真軟件，對諧波阻抗和諧波責(zé)任進行仿真計算并分析計算結(jié)果，用以驗證本文方法的可行性，并總結(jié)一種能夠進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;電能質(zhì)量;諧波阻抗;諧波責(zé)任劃分

中圖分類號：TM711 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：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，同時降低維護成本。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)電機作為供電設(shè)備的分布式電源，單臺風(fēng)力發(fā)電機發(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，能夠針對集中式大功率供電難以達到的地區(qū)以及負(fù)荷容量進行補足和替代，同時風(fēng)力發(fā)電是一種無污染的可再生能源，不會對環(huán)境造成嚴(yán)重的破壞。

但同時風(fēng)能的接入會對電網(wǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。首先風(fēng)能的來源不穩(wěn)定，其產(chǎn)生的電能具有隨機性和波動性的特點，不利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。其次近年來恒頻、可變速的風(fēng)機逐漸成為風(fēng)力發(fā)電的主要機型，因此大量的整流逆變設(shè)備接入電力系統(tǒng)，給電網(wǎng)帶來了巨大的諧波問題，進而影響電網(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)電場接入的電網(wǎng)時，由于風(fēng)電場諧波阻抗不可忽略，因此諧波責(zé)任計算結(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)電場即風(fēng)機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)電場的諧波模型，同時對傳統(tǒng)諧波責(zé)任劃分方法進行改進，使其能夠適用于風(fēng)電場環(huán)境下的諧波處理。其次通過奈爾檢測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

2.1 系統(tǒng)等效電路圖

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

2.2主導(dǎo)波動量法

波動量法的首次提出是在1996年法國巴黎的國際大電網(wǎng)會議上。由我國學(xué)者楊洪耕教授提出?；舅枷胧窃谂潆娤到y(tǒng)中，電流的變化會引起典雅的變化，進而引起諧波阻抗的變化。系統(tǒng)中電壓波動量和電流波動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)還有許多針對性的改進方法，其中包括對諧波波動量數(shù)據(jù)采用基于統(tǒng)計學(xué)原理的篩選方法進行篩選，進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)波動量法估算諧波阻抗和諧波發(fā)射水平。計算諧波電壓和諧波電流的波動量比值，其中實部為正的為此數(shù)據(jù)組計算得到的系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗。

為進一步降低諧波發(fā)射水平估計的誤差，對于波動量法還有選取合適的奈爾系數(shù)，降低背景諧波波動量等方法。

2.3風(fēng)電場諧波阻抗建模

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

本文以永磁直驅(qū)風(fēng)機為例，此類型的風(fēng)機中，風(fēng)輪和發(fā)電機直接相連，多級低速永磁同步發(fā)電機由風(fēng)輪直接驅(qū)動，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)機由于結(jié)構(gòu)簡單，不需要勵磁繞組同時維持了較高的效率，在中小型風(fēng)力發(fā)電場中應(yīng)用廣泛。由其組成的風(fēng)電場整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2。

單臺風(fēng)力發(fā)電機組經(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，使電壓達到集電點電壓（一般為37kV），其連接到PCC點的電路如圖3。

永磁直驅(qū)型風(fēng)機采用的是全功率變流器，其中靠近風(fēng)機側(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，可將其等效為一個諧波源。計算風(fēng)機諧波阻抗的等效電路為一個等效諧波源和濾波器組成的等效電路如圖4。

若針對某處風(fēng)機故障或暫停運行，僅需對各集電線內(nèi)阻抗的風(fēng)機數(shù)N作出修改。為了簡化計算過程，本文計算暫不考慮系統(tǒng)中的無功補償裝置阻抗。

2.4 諧波發(fā)射水平及責(zé)任估計過程

對諧波阻抗進行估算后，需結(jié)合實際的諧波波動量對PCC點處的各諧波進行諧波發(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)中通常包括多個負(fù)荷，每個負(fù)荷都會產(chǎn)生諧波進而對電網(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)諧波評估指標(biāo)的計算也以諧波電流和電壓為基本量。而對于諧波污染的治理，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)諧波電壓在其延長線上的投影。

3仿真計算及實測數(shù)據(jù)分析

3.1 仿真計算

使用MATLAB軟件進行模型搭建，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°，為模擬諧波的實際情況，對其復(fù)數(shù)實部施加20%的余弦波動和5%的隨機波動，對其虛部施加20%的正弦波動和5%的隨機波動;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°，并對其施加相同的波動。

3.1.1 風(fēng)電場諧波阻抗計算

根據(jù)實際風(fēng)電場參數(shù)，本文設(shè)置風(fēng)電場相關(guān)仿真參數(shù)如表1。

由此結(jié)果對比所設(shè)置的仿真參數(shù)可驗證，風(fēng)電場系統(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)諧波阻抗仿真計算

將已設(shè)置的100個仿真數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)組，在一個數(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。

為驗證奈爾檢測法的篩選效果，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)諧波阻抗的估計誤差，能為后續(xù)估計諧波發(fā)射水平提高準(zhǔn)確性。

3.1.3 諧波電壓及諧波責(zé)任仿真計算

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

根據(jù)表3數(shù)據(jù)結(jié)果得出考慮風(fēng)機諧波阻抗能夠進一步降低諧波發(fā)射水平的估計誤差，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)任計算步驟計算得到諧波責(zé)任及其相對誤差如表4。

根據(jù)以上仿真計算結(jié)果，可以得出結(jié)論在本文條件下，以波動量法為基礎(chǔ)計算時，考慮風(fēng)機諧波阻抗時計算的諧波責(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算中均能保持在5%以下，處在可接受范圍內(nèi)。

為尋求進一步降低估算誤差的方法，本論文對波動量法估算過程中的部分步驟及參數(shù)選取進行改進。

首先對不同的奈爾系數(shù)下的估算結(jié)果進行比較，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)計算結(jié)果下可知奈爾系數(shù)對誤差結(jié)果的影響有限，并不能有效地降低誤差。

其次可設(shè)置額外的波動量篩選過程：

ΔIS（i）≤1%IS

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

對比初步方法可知將背景諧波波動篩選并限制在一個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方法。

由上述仿真計算可以得出結(jié)論：對于波動量法，考慮風(fēng)機諧波阻抗時得到的計算結(jié)果更加精確，相比較參考值的誤差更小。并且以波動量法為基礎(chǔ)，對初始諧波數(shù)據(jù)進行篩選后能將相應(yīng)的諧波阻抗計算誤差保持在5%左右，與復(fù)線性回歸方程法比較來說更加精確。由此可見對于風(fēng)電場的諧波阻抗及責(zé)任估算，考慮風(fēng)機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。

以波動量法為基礎(chǔ)，進一步篩選背景諧波波動量后，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 實測數(shù)據(jù)計算與分析

在實際劃分諧波責(zé)任的過程中，通常通過參考實測一段時間內(nèi)公共連接點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。

本文此次引用的實測數(shù)據(jù)為某風(fēng)機接入電網(wǎng)時，某一天內(nèi)，每1min采集一次的公共連接點處的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)，幅值誤差較仿真計算時偏大。

3.2.2 諧波電壓及諧波責(zé)任計算

由于公共連接點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。

由以上諧波計算結(jié)果可以得出，在此風(fēng)機接入電網(wǎng)時，相比較傳統(tǒng)忽略風(fēng)機諧波阻抗的方法，考慮風(fēng)機諧波阻抗下對其諧波責(zé)任進行計算能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。其中系統(tǒng)側(cè)諧波阻抗的估計結(jié)果幅值誤差在5%以內(nèi)，風(fēng)機側(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)。同時利用相應(yīng)的篩選方法對諧波數(shù)據(jù)進行篩選能夠進一步降低諧波阻抗和諧波責(zé)任的計算誤差。

另外多次采集諧波數(shù)據(jù)計算結(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，對于多次采集的諧波數(shù)據(jù)均有較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果，計算結(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法篩選波動量的主導(dǎo)波動量法為基礎(chǔ)對風(fēng)電場接入的電網(wǎng)系統(tǒng)進行諧波責(zé)任劃分，考慮到風(fēng)電場側(cè)的風(fēng)機諧波阻抗，對計算方法進行改進，獲得誤差更小的諧波阻抗計算方法，利用仿真計算和實測數(shù)據(jù)分析驗證了改進方法的可行性。

（2）針對采集到的諧波電流和諧波電壓波動量，采取了進一步的篩選方法，降低參與計算的諧波電氣量的波動量，經(jīng)驗證能夠進一步降低諧波責(zé)任估算誤差。

（3）本文以永磁直驅(qū)型風(fēng)機為例，建立了風(fēng)電場的諧波阻抗模型，對于中小型風(fēng)電場和單個風(fēng)機的諧波阻抗能夠較準(zhǔn)確地估算，但對于部分大規(guī)模，且包含多種風(fēng)機類型的風(fēng)電場還需要進一步完善諧波模型，以達計算方法的普適性。

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