風電場中電力無源濾波器設計與優(yōu)化策略

賴迎 涂繼昭

國家電投集團江西電力有限公司高新清潔能源分公司 江西南昌 330000

在風電系統(tǒng)的應用和發(fā)展中，隨著電場容量的不斷擴大，風電場并網(wǎng)給系統(tǒng)電力帶來的影響也越來越大，其中，一個最主要的影響就是電力諧波。因此，在具體的風電系統(tǒng)應用過程中，風電企業(yè)應加強對電力諧波的重視，并通過無源濾波器的合理設計和優(yōu)化來提升諧波治理效果，以此來保障風電系統(tǒng)的正常運行，在滿足用戶需求的基礎上提升風電企業(yè)經(jīng)濟效益。

1 風電場電力無源濾波器的設計分析

在對風電場內(nèi)的無源濾波器進行設計時，基本應該遵循以下的幾個設計步驟：

在濾波器加裝之前，應該對風電網(wǎng)絡中的諧波情況進行全面分析，以此來獲得各次的諧波電流和諧波電壓等的這些計算數(shù)據(jù)。

對風電系統(tǒng)所需要的濾波器機組以及無功補償容量進行安裝方案的初步確定。在對風電系統(tǒng)中的無功補償容量進行計算的過程中，主要可通過估算法來進行容量Q 的估算。假設在濾波器加裝之后，系統(tǒng)中的功率因數(shù)取值需要根據(jù)實際的工作情況來進行確定，則可以通過以下公式來進行容量Q 的估算：

在以上公式中，風電系統(tǒng)中的有功負荷用P 表示，濾波器加裝之前的系統(tǒng)功率因數(shù)角用 0φ 表示，加裝之后的因數(shù)角用 1φ 表示。

在對濾波器機組進行安裝的過程中，其具體的安裝方案和風電網(wǎng)絡諧波源及其諧波分析有著直接關(guān)系。通常情況下，在風電場中，諧波源都屬于變流器。比如，在六脈整流形式的變流器中，就可以進行5 次和7 次單調(diào)諧波器的裝設，如果依然存在頻率比較高、幅值比較低的很多諧波，則需要將一組高通濾波器設置在系統(tǒng)中，其調(diào)諧作用通常在7-12 次[1]。

按照相應的計算結(jié)果進行無源濾波器機組中每一個濾波器實際參數(shù)的計算。首先是單調(diào)諧波形式的濾波器計算，在具體計算中，通過調(diào)諧次數(shù)、電容器的額定電壓以及n 次諧波電流來進行電容量Qc 的確定，最后再對電容C、電阻R 以及電感L 進行求解，其具體計算公式如下：

在以上公式中，電容器自身的額定電壓用UN表示，第n 次諧波產(chǎn)生的電流值用In表示，基波角頻率用 0? 表示，調(diào)諧銳度用Q表示。

其次是高通諧波器，通常情況下，這種諧波器需要設定更大一些的容量，以此來降低高通諧波器自身的損耗。但是容量也不可太大，這樣才可以有效避免無功功率出現(xiàn)過補償現(xiàn)象，防止電力事故。在確定了單調(diào)形式的諧波器參數(shù)之后，就可以對高通濾波器進行基波無功輸出的計算，假設無功輸出是Q（H），在具體計算中，可通過以下公式進行計算：

校驗選擇的電壓以及電流參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)不符合實際需求，則需要對其再一次調(diào)整并校驗，一直到完全與實際運行過程中的安全要求相符為止。

2 風電場無源濾波器的優(yōu)化

2.1 等式約束條件

在對風電系統(tǒng)的無源濾波器進行設計的過程中，主要的等式約束條件就是系統(tǒng)濾波網(wǎng)絡方面的潮流方程。通過算例來看，假設濾波源等值阻抗是Zeq，對沒有頻偏狀態(tài)下的基波以及諧波潮流方程進行建立，其公式如下：

2.2 不等式約束條件

在對風電系統(tǒng)的無源濾波器進行設計的過程中，主要的不等式約束條件就是根據(jù)相關(guān)規(guī)定對總諧波含量以及系統(tǒng)諧波含量進行允許值的計算。首先是對35KV 單次諧波電壓含量不超過公用電網(wǎng)諧波含量最大允許值的情況進行計算，以下是其計算公式：

在以上公式中，當母線為35KV 條件下，電壓總諧波畸變率的具體規(guī)定值用D 表示。

2.3 目標函數(shù)的優(yōu)化

首先是諧波抑制方面目標函數(shù)的優(yōu)化，具體優(yōu)化過程中，可通過傳統(tǒng)方法對實際的濾波效果進行衡量，也就是保障濾波總畸變率最小，其公式如下：

其次是無功補償方面目標函數(shù)的優(yōu)化，在無源濾波器中，無功補償方面的容量不僅需要保障系統(tǒng)功率因數(shù)與1 接近，同時又要保障不出現(xiàn)過補償情況，因此有：

在以上公式中，風電系統(tǒng)的無源濾波器所能提供的最小基波無功用Qmin 表示，這個無功功率可以滿足風電系統(tǒng)最低的功率因數(shù)需求；風電系統(tǒng)的無源濾波器所能提供的最大基波無功用Qmax 表示，這個無功功率可以讓風電系統(tǒng)中的功率因數(shù)和1 無限接近[2-3]。

因為對風電系統(tǒng)中的無源濾波器進行參數(shù)優(yōu)化是一個非線性過程，且有著很多的優(yōu)化目標，所以在具體的優(yōu)化過程中，風電企業(yè)可借助于MATLAB 形式的優(yōu)化工具箱來進行優(yōu)化，以編程的形式來對風電系統(tǒng)中的無源濾波器進行參數(shù)優(yōu)化。通過這樣的方式，就可以讓無源濾波器獲得良好的優(yōu)化效果。

3 結(jié)語

綜上所述，在風電行業(yè)的不斷發(fā)展中，隨著電網(wǎng)的擴展和并網(wǎng)等工作的開展，系統(tǒng)諧波情況也越來越常見。在對風電系統(tǒng)諧波進行治理的過程中，無源濾波器是一種主要的治理設備。所以，風電企業(yè)應該加強對無源濾波器的設計及其參數(shù)優(yōu)化。通過這樣的方式，才可以讓風電系統(tǒng)諧波問題得以有效治理。