風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有源濾波技術(shù)的應(yīng)用研究

摘 要：本文研究了有源濾波技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，旨在解決諧波問題并提高電能質(zhì)量。本文介紹了有源濾波器的原理、分類和關(guān)鍵技術(shù)，分析了風(fēng)能系統(tǒng)的諧波特性及其危害，并開發(fā)了有效的有源濾波器。該濾波器通過實(shí)時監(jiān)測和補(bǔ)償諧波電流，實(shí)現(xiàn)了諧波的有效抑制。本文還探討了無差拍控制策略在有源濾波器中的應(yīng)用，提高了控制精度和響應(yīng)速度。研究結(jié)果表明，有源濾波技術(shù)對提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性具有重要意義，為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的諧波治理提供了重要參考。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；有源濾波技術(shù)；諧波抑制；電能質(zhì)量；控制策略

中圖分類號：TN 71 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

可再生能源的開發(fā)和利用已成為世界許多地區(qū)的研究課題。風(fēng)能作為清潔的可再生能源之一，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不斷增大、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的非線性特性以及電網(wǎng)環(huán)境日益復(fù)雜，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在并網(wǎng)過程中會產(chǎn)生大量諧波負(fù)載，這不僅會影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，還會對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身造成損害。如何有效抑制和消除風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的諧波負(fù)載是目前風(fēng)電技術(shù)最重要的研究領(lǐng)域之一。

一種新型的諧波治理技術(shù)——有源濾波技術(shù)，通過實(shí)時檢測電網(wǎng)中的諧波電流，并產(chǎn)生均衡電流對其進(jìn)行補(bǔ)償，從而抑制和消除諧波。與傳統(tǒng)的無源濾波技術(shù)相比，有源濾波技術(shù)具有動態(tài)響應(yīng)快、補(bǔ)償效果好、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

為驗(yàn)證有源濾波技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果，本文以重慶武隆風(fēng)電場為例進(jìn)行深入剖析。重慶武隆風(fēng)電場作為國家能源局支持的風(fēng)電試點(diǎn)項(xiàng)目，在引入有源濾波技術(shù)后，成功實(shí)現(xiàn)了對風(fēng)電系統(tǒng)諧波的有效抑制。該技術(shù)的應(yīng)用不僅顯著提升了風(fēng)電場的電能質(zhì)量，還增強(qiáng)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少了設(shè)備故障，提高了整體運(yùn)行效率。有源濾波裝置在武隆風(fēng)電場中的部署有效降低了諧波含量，使電網(wǎng)電壓波動得到明顯控制，確保風(fēng)電場向電網(wǎng)輸送的電能質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

1 有源濾波技術(shù)

1.1 有源濾波技術(shù)的基本原理

有源濾波器通常由電流檢測電路、控制系統(tǒng)和功率轉(zhuǎn)換器（例如PWM逆變器）等關(guān)鍵部件組成。電流檢測電路負(fù)責(zé)實(shí)時監(jiān)測主電流并準(zhǔn)確檢測諧波?？刂葡到y(tǒng)利用諧波電流檢測數(shù)據(jù)計算偏移電流波形，該波形由特定算法生成。功率變流器根據(jù)控制系統(tǒng)的指令產(chǎn)生所需的偏置電流，并將其饋入電網(wǎng)。

有源濾波是由RC元件與運(yùn)算放大器組成的濾波器，也稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內(nèi)的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。可在信息處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制干擾等方面應(yīng)用，但受運(yùn)算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍[1]。

1.2 有源濾波器的分類

1.2.1 并聯(lián)型有源濾波器

有源并聯(lián)濾波器（APF）是一種電力電子裝置，用于電網(wǎng)消除諧波和改善電能質(zhì)量。APF的原理是產(chǎn)生在相位和幅值上與非線性負(fù)載電流匹配的補(bǔ)償電流，以補(bǔ)償諧波電流，從而達(dá)到濾波目的，詳細(xì)情況見表1。

1.2.2 串聯(lián)型有源濾波器

串聯(lián)有源濾波器SAPF主要用于解決諧波問題，尤其是在需要對帶有諧波源的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償?shù)那闆r下[2]。SAPF通過畸變負(fù)載的供電電壓來控制供電電壓互感器，從而通過電壓減少與負(fù)載諧波電流相關(guān)的諧波，進(jìn)而達(dá)到均衡或減少電力系統(tǒng)中諧波電流的目的。

1.3 有源濾波器的關(guān)鍵技術(shù)

有源濾波器必須先準(zhǔn)確確定市電電流的諧波和無功分量。為此，通常要對市電電流進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，將模擬電流信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并輸入高速數(shù)字信號處理器DSP進(jìn)行處理；DSP采用先進(jìn)的算法（例如ip-iq算法）將諧波從基波信號中分離出來[3]。

脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)根據(jù)經(jīng)DSP處理的指令信號，通過電機(jī)電路驅(qū)動主電路中的IGBT或IPM功率模塊，以產(chǎn)生極性相反、幅值與諧波網(wǎng)絡(luò)電流相同的補(bǔ)償電流。

主電路通常采用橋式PWM轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，例如三相橋式PWM電壓轉(zhuǎn)換器。這種結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和補(bǔ)償電流生成[4]。為確保有源濾波器長期穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)計主電路時必須考慮散熱、電磁兼容性（EMC）和安全性等因素。現(xiàn)代有源濾波器通常采用基于DSP和FPGA的數(shù)字控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高精度、高速度的控制和數(shù)據(jù)處理。它們的工作原理如圖1所示。

2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中有源濾波技術(shù)的應(yīng)用研究

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)諧波分析

風(fēng)能系統(tǒng)中的諧波主要由內(nèi)部電力電子設(shè)備和控制系統(tǒng)引起。風(fēng)力發(fā)電機(jī)通常使用變流器來控制轉(zhuǎn)速和功率[5-6]，而變流器、變壓器和其他電力電子設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量諧波。風(fēng)能系統(tǒng)中的無功功率補(bǔ)償器、濾波器和其他設(shè)備也會產(chǎn)生諧波。風(fēng)能系統(tǒng)中諧波的存在對系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能質(zhì)量有重大影響。諧波主要是由風(fēng)力渦輪機(jī)的非線性特性和廣泛使用電力電子設(shè)備造成的。

基于傅里葉變換的諧波分析方法被廣泛使用。傅里葉變換可以將時域的電壓和電流信號轉(zhuǎn)換為頻域的頻譜，從而使每次諧波的幅值和相位信息清晰可見，如公式（1）所示。

u（t）=a0+（a1·cos（ωt）+b1·sin（ωt））+（a2·cos（2ωt）+b2·sin（2ωt）） （1）

式中：a0為固定分量的幅值；an和bn為九次諧波的正弦分量和余弦分量的幅值；ω為基波信號的角頻率；t為時間。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)諧波具體描述見表2。

2.2 諧波檢測與指令合成

在ip-iq檢測方法中，PLL模塊首先實(shí)時監(jiān)測電網(wǎng)的負(fù)載電壓相位，以確保電流檢測的準(zhǔn)確性。然后利用轉(zhuǎn)換矩陣Cαβ將三相固定坐標(biāo)系中的電流信號（ia、ib、ic）轉(zhuǎn)換為兩相固定直角坐標(biāo)系αβ中的電流信號。其次，利用轉(zhuǎn)換矩陣C將αβ坐標(biāo)系中的電流信號轉(zhuǎn)換為pq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的 ip和iq 分量。 ip和iq 分量代表電網(wǎng)負(fù)載的有功電流和無功電流。

低通濾波器（LPF）在這一過程中發(fā)揮重要作用，它可以濾除高頻諧波分量，保留低頻基波分量。通過這種方法，可以精確識別電網(wǎng)負(fù)載的諧波電流[7]。

MPPT算法（最大功率點(diǎn)跟蹤）可確保風(fēng)力渦輪機(jī)在不同風(fēng)速下始終以最大功率運(yùn)行，從而優(yōu)化風(fēng)力渦輪機(jī)的生產(chǎn)效率。

控制合成過程如下。將通過MPPT算法得到的有效電網(wǎng)電流D與有效負(fù)載電流D合成，并通過低振蕩因子濾波，得到電網(wǎng)控制電流的有效部分。諧波電流的極性被反轉(zhuǎn)（即移位）并加入有效部分，從而獲得整個電網(wǎng)的相關(guān)控制電流[8-9]。

這一過程通過坐標(biāo)變換矩陣Cβ和C-1的反變換來獲得三相參考電流ia "ref、ib " ref、ic "ref。這些參考電流用于驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)逆變器，以產(chǎn)生與電網(wǎng)負(fù)載電流對應(yīng)的電網(wǎng)電流，并補(bǔ)償無功電流和諧波，從而提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出功率。無功與諧波電流檢測在瞬時功率理論的示意圖如圖2所示。

2.3 無差拍控制策略

連續(xù)時間電流方程（基于基爾霍夫定律）如公式（2）所示。

dtdi（t）=-LRin（t）+L1（Ug-Ui（t）） （2）

離散化后的電流方程如公式（3）所示。

ig（k+1）=（1-LRT）ig（k）+LT（Ug（k）-Ui（k）） （3）

定義α=1-LRT，β=LT。?

無差拍控制的調(diào)制電壓矢量如公式（4）所示。

Ui（k）=β1（-iref+aig（k））+Ug（k） （4）

式中：iref為參考電流。

無差拍控制策略是一種廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)，尤其是三相PWM轉(zhuǎn)換器的實(shí)時控制技術(shù)，可在每個采樣瞬間精確匹配逆變器輸出電流與預(yù)定的參考電流（IREF），并消除相位和幅值偏差[10]。

無差拍控制策略基于動態(tài)逆變器模型，通過預(yù)測下一次采樣時的系統(tǒng)狀態(tài)（通常是電流）來生成控制指令。針對并網(wǎng)三相PWM逆變器，逆變器的輸出電流可根據(jù)基爾霍夫定律建模。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)（例如電阻Rg和電感Lg）和采樣周期Ts，可建立連續(xù)時間方程，其中α和β是常數(shù)，取決于系統(tǒng)參數(shù)和采樣周期。

在非參數(shù)差分控制下，控制目標(biāo)是使逆變器輸出電流ig（k+1）等于參考電流iref。在公式（3）中，設(shè)置為ig（k+1）與iref相等，即可得到所需的調(diào)制電壓矢量Ui（k）。該調(diào)制電壓矢量用于控制逆變器電路，以獲得所需的輸出電流。

圖3為非均勻差分控制策略的框圖。在該框圖中，參考電流iref與電流ig（k）以及與系統(tǒng)參數(shù)和采樣周期相關(guān)的常數(shù)α和β一起用于計算所需的調(diào)制電壓矢量Ui（k）。利用該調(diào)制電壓矢量控制逆變器耦合，以獲得所需的輸出電流[11]。

2.4 有源濾波技術(shù)的控制策略與優(yōu)化

有源濾波技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用依賴一系列控制策略來確保其高效和準(zhǔn)確的諧波補(bǔ)償。常見的控制策略包括瞬時無功功率理論和多種諧波檢測算法，例如傅里葉變換和小波變換。瞬時無功功率理論基于三相瞬時功率理論，能夠快速、準(zhǔn)確地檢測電力系統(tǒng)中的諧波和無功電流[12]，特別適用于三相平衡系統(tǒng)，對電網(wǎng)電壓畸變不敏感。而諧波檢測算法對電壓或電流進(jìn)行采樣和計算，提取諧波分量，為有源濾波器提供補(bǔ)償指令，適用于不同頻率的諧波補(bǔ)償。

瞬時無功功率理論在三相平衡系統(tǒng)中表現(xiàn)出色，但在非線性負(fù)載或不平衡系統(tǒng)中可能需要額外的補(bǔ)償措施。而諧波檢測算法，尤其是FFT算法，在穩(wěn)態(tài)諧波分析方面表現(xiàn)出色，但在非穩(wěn)態(tài)或快速變化的情況下性能受限。

3 案例分析

重慶武隆風(fēng)電場的三相風(fēng)力系統(tǒng)面臨電流諧波問題，這些諧波不僅影響電能質(zhì)量，還可能對電網(wǎng)設(shè)備和風(fēng)力渦輪機(jī)造成損害。此外，隨著風(fēng)速變化，如何快速準(zhǔn)確地調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有功功率輸出，以達(dá)到最大功率點(diǎn)（MPPT），也是亟待解決的問題。

為了改善電能質(zhì)量并優(yōu)化功率輸出，本文采用了MATLAB/

SIMULINK進(jìn)行仿真研究，比較了無脈沖微分控制與傳統(tǒng)磁滯控制在電流控制方面的性能。仿真結(jié)果顯示，無脈沖微分控制在響應(yīng)速度和精度方面均優(yōu)于磁滯控制，為優(yōu)化電流控制提供了新思路。本文還分析了有源電力濾波器（APF）在改善系統(tǒng)電能質(zhì)量方面的效果。APF通過檢測和補(bǔ)償諧波，能夠有效抑制電流中的諧波成分，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)饋入電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

通過引入無脈沖微分控制算法，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)電流的快速、精確控制，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。采用ip-iq方法的瞬時功率原理，結(jié)合APF，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)電網(wǎng)中諧波的有效抑制，提高了電能質(zhì)量。

由圖3可知，無脈沖微分控制在響應(yīng)速度和精度方面均優(yōu)于磁滯控制，圖4和圖5分別展示了應(yīng)用APF前后風(fēng)力發(fā)電機(jī)電網(wǎng)中電流諧波幅值和并網(wǎng)電壓中諧波幅值的對比。從圖4（a）和圖5（a）中可以看出，濾波前的電流和電壓均含有大量諧波成分。然而，在應(yīng)用APF后（圖4（b）和圖5（b）），諧波得到了有效抑制，電流畸變率和電壓畸變率顯著降低，電能質(zhì)量得到顯著提升。

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)運(yùn)行5s后，當(dāng)風(fēng)速從11m/s降至9m/s時，圖6顯示系統(tǒng)的有功功率輸出能夠快速、準(zhǔn)確地跟隨風(fēng)速變化，并達(dá)到最大功率點(diǎn)（MPPT）。這證明了無脈沖微分控制算法在MPPT實(shí)現(xiàn)中的有效性。

4 結(jié)語

重慶武隆風(fēng)電場作為本文的研究重點(diǎn)，其成功引入有源濾波技術(shù)的實(shí)踐，不僅為風(fēng)電場自身帶來了諧波污染的有效治理，還顯著提升了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保障了風(fēng)電場與電網(wǎng)間的和諧共生。這一案例的成功實(shí)施不僅驗(yàn)證了有源濾波技術(shù)的先進(jìn)性和實(shí)用性，也為其他風(fēng)電場提供了寶貴的參考和借鑒。通過MATLAB/SIMULINK平臺上的仿真試驗(yàn)表明，在并網(wǎng)功率控制過程中，系統(tǒng)能夠通過無脈沖差分控制策略快速、準(zhǔn)確地控制設(shè)定點(diǎn)電流，從而確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。本文提出的控制策略具有良好的動態(tài)性能，尤其是當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，系統(tǒng)的有功功率能快速響應(yīng)，應(yīng)對風(fēng)速波動，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），提高了風(fēng)能系統(tǒng)的能量利用率。本文提出的控制策略還能補(bǔ)償電網(wǎng)中的超諧波波動。通過使用有源能量濾波，系統(tǒng)可以降低電網(wǎng)中電流和電壓的諧波成分，提高電能質(zhì)量，確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

[1]董洪凱.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)預(yù)防性維修決策技術(shù)分析[J].電力設(shè)備管理，2023（15）：62-64.

[2]段同裕.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用探究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2023（6）：193-195.

[3]張宏偉.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用儲能技術(shù)的分析[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2023（1）：30-33.

[4]高福偉.儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電子制作，2022，30（4）：95-97.

[5]佚名.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制系統(tǒng)和變槳控制方法：CN202210905019.5[P].2024-06-14.

[6]許嘉雯.新能源風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用[J].應(yīng)用能源技術(shù)，2023（11）：43-47.

[7]查雨欣，林健，張樹龍，等.基于轉(zhuǎn)子動能的直驅(qū)式風(fēng)電系統(tǒng)RoCoF下垂控制策略[J].陜西電力，2022（4）：50.

[8]任永峰，王金鑫，胡志帥，等.九開關(guān)UPQC與分散式風(fēng)電一體化系統(tǒng)及控制方法：CN202210606375.7[P].2024-06-14.

[9]張坤，鐘偉，徐明，等.帶儲能的風(fēng)輪機(jī)動態(tài)模擬系統(tǒng)及動模-實(shí)物一體化風(fēng)力發(fā)電機(jī)組：CN202111418002.9[P].2024-06-14.

[10]滕浩哲.控制技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（文摘版）工程技術(shù)，2022（3）：3.

[11]趙海亮.儲能技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].電力設(shè)備管理，2022（24）：87-89.

[12]周飛龍.風(fēng)力發(fā)電自動化控制系統(tǒng)中智能化技術(shù)應(yīng)用的研究[J].中文科技期刊數(shù)據(jù)庫（全文版）工程技術(shù)，2022（10）：274-276.