雙饋風(fēng)電機(jī)組諧波特性研究及聯(lián)合仿真研究

中電建新能源集團(tuán)股份有限公司華中分公司 羅宇航

1 引言

雙饋式風(fēng)電機(jī)組在工作時(shí)，其內(nèi)部的電子組成元件反復(fù)吸合，不可避免地產(chǎn)生諧波分量，進(jìn)而對(duì)配電網(wǎng)帶來(lái)諧波污染，導(dǎo)致機(jī)組設(shè)備損耗和老化加劇，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行埋下安全隱患。目前行業(yè)內(nèi)抑制諧波產(chǎn)生的措施大致有兩個(gè)方面，一方面對(duì)諧波電流產(chǎn)生源頭（用電負(fù)荷側(cè)的電力設(shè)備本身）進(jìn)行技術(shù)改造，將諧波電流扼殺在萌芽狀態(tài)，同時(shí)增強(qiáng)對(duì)入網(wǎng)客戶設(shè)備選型的指導(dǎo)與監(jiān)督，優(yōu)先采購(gòu)配置好、效率高的設(shè)備，根本上控制諧波電流產(chǎn)生。另一方面是加裝諧波電流補(bǔ)償設(shè)備，例如新型濾波裝置等，該裝置能夠產(chǎn)生與負(fù)荷諧波I大小相同但方向相反的補(bǔ)償I，從而起到遏制諧波的作用。

2 雙饋式風(fēng)電機(jī)組諧波形成原理

2.1 雙饋式風(fēng)電機(jī)組介紹

風(fēng)力資源取材方便，是一種可以長(zhǎng)期反復(fù)利用的能源。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組利用自然界風(fēng)能，通過(guò)齒輪箱，把葉片從外界風(fēng)力處獲得的低轉(zhuǎn)速借助齒輪副增速至發(fā)電機(jī)正常工作的額定轉(zhuǎn)速，將低轉(zhuǎn)速大扭矩的機(jī)械能增速后帶動(dòng)機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，最終達(dá)成風(fēng)能與電能的轉(zhuǎn)換。

2.2 配電網(wǎng)諧波定義

實(shí)際用電過(guò)程中，接入配電網(wǎng)的負(fù)荷大多是非線性的，故在導(dǎo)通電流時(shí)，負(fù)載的U-I曲線并非線性圖樣，因此電網(wǎng)中就會(huì)形成諧波。諧波通常指周期電氣量的正弦波分量，其f是基波量的整數(shù)倍。一般情況下，在三相負(fù)載分布平衡的情況下，ABC三相電壓的相位差也相對(duì)較小，系統(tǒng)的對(duì)稱特征會(huì)滅除偶次諧波成分，剩下奇次諧波成分。要避免配電網(wǎng)三相負(fù)載失衡現(xiàn)象發(fā)生，需要按相關(guān)用電量要求將用電客戶劃分為大型用電客戶、普通用電客戶、小型用電客戶、商戶、工廠以及養(yǎng)殖業(yè)用電客戶等。三相負(fù)載平衡工作以工程用戶為基石，并將此類用戶的功耗恒定在規(guī)定電壓之下，令各個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)內(nèi)的三個(gè)I保持相同。這樣一來(lái)，不僅可以確保三相負(fù)載的平衡，還可以降低諧波產(chǎn)生[1]。諧波含量的計(jì)算式為：

2.3 變流器諧波形成機(jī)理

以網(wǎng)側(cè)變流器為例進(jìn)行介紹，如圖1所示。其中，Uga、Ugb、Ugc依次為三相電壓；iga、igb、igc分別為網(wǎng)側(cè)變流器的輸入三相電流；Vga、Vgb、Vgc分別為網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電壓；Vdc為母線直流電壓；iload為直流側(cè)負(fù)載電流，Lg是電抗器的電感；Rg是電抗器的電阻；C是母線電容。假設(shè)圖中的功率元件不計(jì)損耗，為理想開(kāi)關(guān)，則三相坐標(biāo)系下，網(wǎng)側(cè)變流器的數(shù)學(xué)參考模型[2]是：

圖1 變流器主電路

式中：Sga為變流器A相橋臂開(kāi)關(guān)函數(shù)；Sgb為變流器B相橋臂開(kāi)關(guān)函數(shù)；Sgc為變流器C相橋臂開(kāi)關(guān)函數(shù)。

根據(jù)KCL定律可知，三相電流和等于0：

網(wǎng)側(cè)變流器三相交流電壓與各開(kāi)關(guān)狀態(tài)Sga、Sgb、Sgc之間關(guān)系為：

綜合式（2）、式（3）、式（4）可得：

3 雙饋式風(fēng)電機(jī)組諧波抑制策略研究

綜上可知，在配電網(wǎng)中存在諧波的情況下，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行會(huì)受到一定程度的影響，設(shè)備本身在PCC點(diǎn)形成相應(yīng)的諧波并入配電網(wǎng)。當(dāng)配電網(wǎng)諧波比例過(guò)大時(shí)，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備產(chǎn)生的諧波并入配電網(wǎng)后將會(huì)更加惡化電網(wǎng)環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)將造成配電網(wǎng)產(chǎn)生大幅度振蕩，所以，雙饋式風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)前諧波的治理十分關(guān)鍵。本文采用VIPR技術(shù)[3]，主要是借助虛擬阻抗的諧波抑制方法。虛擬阻抗的抑制諧波法主要對(duì)雙饋式風(fēng)電機(jī)組變流器元件的供電回路進(jìn)行控制[4]，包含前饋及反饋環(huán)節(jié)，風(fēng)電機(jī)組諧波分量控制框原理如圖2所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組諧波分量控制框原理

依據(jù)原理控制圖，結(jié)合風(fēng)電機(jī)組自身工作情況，可得到第n次諧波分量表達(dá)式[5]：

4 試驗(yàn)仿真案例

4.1 案例概況

試驗(yàn)選取某型號(hào)的雙饋式風(fēng)電機(jī)組為對(duì)象，機(jī)組功率為3MW，額定電壓為690V，配電網(wǎng)電壓為35kV，試驗(yàn)風(fēng)速為10.5m/s。本文采用了兩種軟件搭建雙饋式風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械及電氣系統(tǒng)，一是利用Bladed軟件對(duì)機(jī)組的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于搭建齒輪箱、液壓制動(dòng)器、通風(fēng)、轉(zhuǎn)子輪轂、偏航驅(qū)動(dòng)、聯(lián)軸器等模型；二是利用Matlab仿真程序，系統(tǒng)化搭建雙饋式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)、變流器、逆變器等電氣設(shè)備。試驗(yàn)環(huán)境實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速，如圖3所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試風(fēng)波形

4.2 電網(wǎng)模型建設(shè)

本文研究的雙饋式風(fēng)電機(jī)組工作環(huán)境是配電網(wǎng)存在諧波的情況下，故在電網(wǎng)模型設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮融入背景諧波。本文借助Matlab軟件本身的可控電源進(jìn)行電網(wǎng)模型搭建，如圖4所示。在高壓側(cè)加設(shè)諧波融入模塊，實(shí)現(xiàn)指定諧波添加功能，與電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行工況高度相似，該算法的理論分析具有一定深度，基于積累的大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，能根據(jù)自身工作機(jī)理靈活變通，對(duì)于非線性工況的估測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)貼切控制計(jì)算過(guò)程，盡可能地降低計(jì)算誤差。

圖4 配電網(wǎng)模型結(jié)構(gòu)

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在三相電源模型的高壓側(cè)添加背景諧波，以便仿真配電網(wǎng)的實(shí)際工作環(huán)境，高度還原正常配電網(wǎng)工況下的風(fēng)電機(jī)組諧波特征，實(shí)現(xiàn)單一變量控制。此外，還需要單獨(dú)在配電網(wǎng)Matlab模型中增加電網(wǎng)五次、七次諧波等低次諧波，用于仿真風(fēng)電機(jī)組在五次、七次諧波工況下的諧波特征。

為了驗(yàn)證虛擬阻抗的抑制諧波法的效果，需分為三組試驗(yàn)，具體設(shè)置見(jiàn)表1，然后分別記錄試驗(yàn)中機(jī)組PCC點(diǎn)電流、電壓在不同分組工況下的諧波數(shù)據(jù)。結(jié)果如圖5、圖6所示。

表1 三組試驗(yàn)工況設(shè)置

圖5 電流諧波對(duì)比1

圖6 電流諧波對(duì)比2

圖5充分說(shuō)明了本文提出的電網(wǎng)諧波對(duì)雙饋式風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生機(jī)理的科學(xué)準(zhǔn)確性。圖6的機(jī)組諧波曲線的對(duì)比分析結(jié)果，也證明了本文中研究的虛擬阻抗抑制諧波法在諧波治理方面效果良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文從雙饋式風(fēng)電機(jī)組諧波形成原理入手，對(duì)機(jī)組諧波抑制策略進(jìn)行了研究，然后通過(guò)案例進(jìn)行了試驗(yàn)分析，證明了虛擬阻抗抑制諧波法在風(fēng)電機(jī)組諧波治理方面效果良好。根本上保證了風(fēng)力機(jī)組的安全平穩(wěn)運(yùn)行，有效提升了風(fēng)力機(jī)組的發(fā)電質(zhì)量。