呂志超 蘇建軍 程艷 李廣磊 韓世浩 趙志鵬 邵泰衡 王樂淼

摘? 要： 由于海上風速的多變性，同時風機組中存在大量電力電子器件等原因，其并網(wǎng)后所產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題不容忽視。對于離岸較遠的大規(guī)模海上風電場，基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC?HVDC）憑借其獨特的技術(shù)優(yōu)勢未來將成為不可或缺的輸電技術(shù)。為保證電能質(zhì)量符合標準，需在并網(wǎng)前對電能質(zhì)量作出分析。根據(jù)風電場等值原理，運用PSACD/EMTDC仿真軟件搭建由雙饋異步風機組成的大規(guī)模海上風電場經(jīng)VSC?HVDC并網(wǎng)模型，研究其在風速波動下閃變、諧波電壓與電流、電壓偏差等電能質(zhì)量問題。結(jié)果表明，在風速波動時諧波問題比較嚴重，實際工程中應充分考慮當?shù)仫L資源的狀況，制定合理的濾波方案，為今后海上風電并網(wǎng)的電能質(zhì)量分析工作提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞： 海上風電; VSC?HVDC; 電能質(zhì)量; 并網(wǎng)模型; 輸電技術(shù); 濾波方案

中圖分類號： TN99?34; TM614? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）05?0092?05

Analysis on power quality problem of large?scale offshore wind

power grid?connected via VSC?HVDC

L? Zhichao1， SU Jianjun2， CHENG Yan2， LI Guanglei2， HAN Shihao1， ZHAO Zhipeng1， SHAO Taiheng1， WANG Lemiao1

（1. College of Electrical Engineering， Shandong University of Technology， Zibo 255000， China;

2. State Grid Shandong Electric Power Research Institute， Jinan 250002， China）

Abstract： The power quality problems caused by the grid?connection cannot be ignored because of the variability of offshore wind speed and the existence of a large number of power electronic devices in wind turbines. As for large?scale offshore wind farms far from the shore， voltage source converter based high voltage direct current （VSC?HVDC） will become an indispensable power transmission technology in the future due to its unique technical advantages. The power quality should be analyzed before grid?connection to ensure that the power quality meets the standards. The PSACD/EMTDC simulation software is used on the basis of equivalence principle of wind farms to build a model of large?scale offshore wind farm composed of DFIG connected to the grid via VSC?HVDC. The power quality problems such as flicker， harmonic voltage and current， and voltage deviation occurring as wind speed fluctuation are researched. The results show that the harmonic problem is serious when the wind speed fluctuates. In practical projects， the local wind resources should be fully considered and reasonable filtering schemes should be formulated. It provides a reference for the power quality analysis of the offshore wind power′s grid?connection in the future.

Keyword： offshore wind power; VSC?HVDC; power quality; grid?connected model; power transmission technology; filtering scheme

0? 引? 言

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮倪M一步增加，風力發(fā)電作為一種清潔、環(huán)保、可再生的發(fā)電方式，成為了世界各地新能源發(fā)電領(lǐng)域最重要的選擇。由于海上風能資源更為豐富，同時風切變與湍流強度更小，能量密度與經(jīng)濟效益更高，海上風電已逐漸成為世界各國風電發(fā)展的重要組成部分[1?2]。而海上風電場并網(wǎng)運行中所引起的電能質(zhì)量問題是當下所研究的重點之一，這也是海上風電是否可以大規(guī)模應用的關(guān)鍵。由于海上風速的不確定性與隨機性，同時，風電場中采用了大量的電力電子換流裝置，由此會引發(fā)一系列的電能質(zhì)量問題，如電壓偏差、電壓閃變、諧波、三相不平衡等[3]。這些問題嚴重時會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行構(gòu)成威脅。雙饋異步風力發(fā)電機（DFIG）可以通過獨立控制轉(zhuǎn)子勵磁電流解耦有功功率和無功功率，機械應力較小，是目前應用最廣泛的風機之一。起初，由于單臺風機的容量較小，所以風電場通常將電能匯集以后并入主網(wǎng)。而隨著風電的不斷進步與發(fā)展，并網(wǎng)容量中風電所占的比重越來越大?；陔妷涸磽Q流器的高壓直流輸電（Voltage Source Converter based High Voltage Direct Current，VSC?HVDC）技術(shù)已成為遠距離大規(guī)模海上風電場并網(wǎng)的理想方案[4]。與傳統(tǒng)高壓直流輸電相比，VSC?HVDC具有獨立控制有功、無功功率，對交流母線無功功率實現(xiàn)動態(tài)補償，換流方便等優(yōu)勢。隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，海上風電經(jīng)VSC?HVDC并網(wǎng)將成為必不可少的技術(shù)手段。

本文運用PSCAD/EMTDC仿真軟件對某海上風電場經(jīng)VSC?HVDC并網(wǎng)進行建模，在風速波動下，對公共連接點（PCC）的電能質(zhì)量進行分析，為今后經(jīng)柔性高壓直流輸電的海上風電并入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量分析工作提供參考。

1? 海上風電場經(jīng)VSC?HVDC建模

運用PSCAD/EMTDC仿真軟件對雙饋異步風電機組成的海上風電場進行等值建模。雙饋異步風電機由葉片、風力機、雙饋發(fā)電機、背靠背PWM換流器及其控制系統(tǒng)等組件構(gòu)成，其定子直接與電網(wǎng)相連接，直接向電網(wǎng)輸送電能，轉(zhuǎn)子與背靠背換流器相連，可通過換流器及控制裝置向電網(wǎng)輸送有功或無功功率[5]。機側(cè)換流器控制為定子磁鏈定向矢量控制，外環(huán)控制為定無功功率與定轉(zhuǎn)速控制，定轉(zhuǎn)速可追蹤最大功率，內(nèi)環(huán)為電流控制。網(wǎng)側(cè)換流器為電網(wǎng)電壓定向矢量控制，外環(huán)控制為定無功功率與定直流電壓控制，內(nèi)環(huán)為電流控制[6]。風機單臺容量為5 MW，風電場由100臺風機組成。運用單機表征法把風電場等值為一臺風電機，采用等值器對從風機流出的電流進行線性放大100倍，從而使風電機組的輸出功率等值放大100倍，達到風電場等值出力的效果。風電場等值模型如圖1所示。

機側(cè)與網(wǎng)側(cè)VSC換流站采用三相換流橋，開關(guān)器件采用帶反并聯(lián)二極管的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）[7]。換流站采用雙環(huán)控制，內(nèi)環(huán)均為電流控制。機側(cè)外環(huán)采用定直流電壓、定交流電壓控制，網(wǎng)側(cè)外環(huán)采用定交流電壓、定有功功率控制[8]。柔性直流輸電額定電壓為±200 kV。VSC換流站內(nèi)部電路如圖2所示。

該海上風電場經(jīng)匯集線路、柔性高壓直流輸電后通過230/500 kV升壓并入主網(wǎng)，直流線路長度為500 km。VSC1為岸上（網(wǎng)側(cè)）換流站，VSC2為海上（機側(cè)）換流站。并網(wǎng)系統(tǒng)模型如圖3所示。

在風電場建模中對風速的模擬必不可少。為了相對準確地表示自然風，本文將風速用4個分量來模擬，分別為基本風[Vwb]，陣風[Vwg]，漸變風[Vwr]和隨機風[Vn]，即：

[Vw=Vwb+Vwg+Vwr+Vn]

PSCAD/EMTDC軟件中存在wind souce組件，可以直接調(diào)用，風速仿真波形如圖4所示。

2? 電能質(zhì)量分析

目前，中國電力科學研究院編制了國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW 11410—2015《海上風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，其中，規(guī)定了文獻[9?11]適用于此文件，對相應的電能質(zhì)量指標做出了相應規(guī)定。

本文將對VSC?HVDC網(wǎng)側(cè)變壓器220 kV側(cè)PCC點的電能質(zhì)量進行分析。包括電壓偏差與電壓閃變、諧波電壓、電流的FFT（快速傅里葉變換）分析，計算該點的THD（諧波畸變率）、三相電壓不平衡度。

2.1? 電壓閃變

在海上風電場連續(xù)運行的過程中，由于風剪切、偏航誤差、塔影效應與海上風速的多變性等因素的影響，造成了海上風電機組輸出功率的波動，并且發(fā)生的頻段正是電壓閃變的頻率范圍，從而引起風電機組機側(cè)電壓與并網(wǎng)點電壓的波動，當波動幅度較大時，甚至可能引起可察覺的閃變現(xiàn)象。由此本文對該海上風電場經(jīng)VSC?HVDC并網(wǎng)的PCC點電壓閃變值進行計算。

按照文獻[9]中的相關(guān)標準，以7天為測量周期，在系統(tǒng)運行的小方式下，PCC點所有長時間閃變值都應低于表1的限值[11]。

由此可得出，此海上風電場并網(wǎng)點閃變限值為0.8。

2.1.1? 連續(xù)運行情況下的閃變

IEC61400?21標準《并網(wǎng)風力發(fā)電機組電能質(zhì)量測試和評估》給出多臺風機在連續(xù)運行情況下PCC點產(chǎn)生的總閃變計算公式為：

[PstΣ=P1tΣ=1Ski=1Nwt（ci（φk，va）Sn，i）2]? ? ? ? （1）

式中：[Sn，i]表示單臺風力發(fā)電機的額定視在功率;[Sk]表示PCC點的短路容量;[ci（φk，va）]表示單臺風機的閃變系數(shù)，[φk]表示PCC點的網(wǎng)絡(luò)阻抗角，[va]表示風電機組輪轂高度的年平均風速;[Nwt]表示連接到PCC點風力發(fā)電機組的數(shù)目。

該風機的閃變系數(shù)如表2所示。

由仿真模型可以得出，該海上風電場平均風速約為8.04 m/s，PCC點的阻抗角為86°，因此，該海上風機的閃變系數(shù)取3.98。由式（1）通過PSCAD/EMTDC仿真軟件可以算出PCC點在風電場連續(xù)運行時產(chǎn)生的的閃變值為0.40。因此，該海上風電場經(jīng)VSC?HVDC并網(wǎng)后連續(xù)運行的閃變值滿足標準要求。

2.1.2? 閃變傳遞

文獻[9]給出了在不同母線節(jié)點處閃變的傳遞公式為：

[Pst，A=TBAPst，B]? （2）

式中：[Pst，A]表示節(jié)點[B]短時間閃變值傳遞到節(jié)點[A]，在節(jié)點[A]引起的短時間閃變值;[Pst，B]表示節(jié)點[B]的短時閃變值;[TBA]表示節(jié)點[B]短時間閃變值傳遞到節(jié)點[A]的傳遞系數(shù)。

[TBA=S′sc，ASsc，A-S′sc，B]? （3）

式中：[S′sc，A]表示節(jié)點[B]短路時節(jié)點[A]流向節(jié)點[B]的短路容量;[Ssc，A]表示節(jié)點[A]的短路容值;[S′sc，B]表示節(jié)點[A]短路時，節(jié)點[B]流向節(jié)點[A]的短路容量。

因此，在仿真軟件中運用式（3）計算出由機側(cè)傳遞至PCC點的閃變傳遞值為0.53，滿足規(guī)程要求。

2.2? 電壓偏差

在電力系統(tǒng)正常運行的情況下，系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓會產(chǎn)生變化，從而出現(xiàn)實際電壓偏離額定電壓的情況，稱之為電壓偏差。根據(jù)《海上風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》，海上風電場的并網(wǎng)點電壓偏差不應超過標稱電壓的10%，在正常運行方式下，其電壓偏差應在標稱電壓的-3%～7%之間[12]。電壓偏差的計算公式如下：

[ΔU=U-UNUN×100%]? ?（4）

式中：[UN]表示電網(wǎng)標稱電壓;[U]表示實際電壓。

在PSCAD中計算出在風速擾動的情況下，PCC點的電壓偏差值。得出的結(jié)果如圖5所示。

由圖5可得，該海上風電場在風速擾動的情況下對其電壓偏差的影響很小，滿足規(guī)程要求。同時，也印證了VSC1岸上換流站采用定交流電壓控制，因此，能夠保證220 kV側(cè)并網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

2.3? 諧? 波

在電力系統(tǒng)中由于存在諸如電子開關(guān)裝置、鐵磁飽和裝置等非線性裝置，從而產(chǎn)生諧波。雙饋異步風電機組中發(fā)電機所產(chǎn)生的諧波是可以忽略的，其采用的電力電子設(shè)備才是諧波的真正來源。發(fā)電機定子直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子則通過背靠背變流器并入電網(wǎng)，海上風電場運行后變頻器將一直運行。所以，該海上風電場會引起諧波的問題。

2.3.1? 諧波電流限值

文獻[10]規(guī)定了在標稱電壓220 kV下（標稱電壓為220 kV的公用電網(wǎng)參照110 kV執(zhí)行），PCC點允許注入的諧波電流分量不得超過表3中規(guī)定的限值。當PCC點處的最小短路容量與標準給出的基準短路容量不同時，按式（5）換算諧波電流允許值[10]：

[Ih=Sk1Sk2Ihp]? （5）

式中：[Ih]表示在短路容量為[Sk1]時，第[h]次諧波電流限值，單位為A;[Ihp]表示國標規(guī)定第[h]次諧波電流限值，單位為A;[Sk1]表示PCC點處的最小短路容量，單位為MVA;[Sk2]表示基準短路容量，單位為MVA。

仿真模型計算時的最小短路容量實際為500 MVA，運用式（5）的換算方法，最終換算得出PCC點諧波電流限值如表3所示。

2.3.2? 諧波電流的分析與計算

諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，即與風速大小有關(guān)。使用PSCAD/EMTDC軟件對該海上風電場PCC點的電流進行FFT分析，得出電流的基波和整數(shù)倍的諧波分量。由于系統(tǒng)三相對稱，所以給出A相分析結(jié)果，結(jié)果如表3所示。

由表3仿真結(jié)果得知，該海上風電場PCC點處由于電力電子器件與風速的隨機波動，諧波電流已經(jīng)嚴重超出國家標準，不能滿足并網(wǎng)要求。在實際工程中，針對以上情況，應在每臺風機的并網(wǎng)處加裝有源濾波器（Active Power Filter，APF）[13]。

2.3.3? 諧波電壓限值

文獻[10]規(guī)定了220 kV電壓等級下PCC點諧波電壓的限值，如表4所示。

2.3.4? 諧波電壓的分析與計算

在仿真模型中對該海上風電場PCC點處的電壓進行FFT分析，得出電壓基波與整數(shù)倍諧波分量。由于系統(tǒng)三相對稱，所以給出A相的結(jié)果，如表5所示。

由表5可以得出，奇次諧波電壓的含有率全部滿足標準要求，而6，8，10次諧波電壓含有率略微超過國家標準，需加裝濾波裝置改善電能質(zhì)量。

電壓諧波畸變率（[VTHD]）用以衡量電壓波形畸變的程度。[VTHD]表示各次諧波電壓的均方根值與基波電壓有效值比值的百分數(shù)：

[VTHD=n=2∞V2nV1]? ? ?（6）

式中：[V1]表示基波電壓的有效值;[Vn]表示第[n]次諧波電壓的有效值。

在PSCAD軟件中計算該海上風電場PCC點在風速擾動下的電壓諧波畸變率，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)仿真結(jié)果得出，PCC點的電壓諧波總畸變率滿足規(guī)程要求。

2.4? 三相電壓不平衡度

供電環(huán)節(jié)的不平衡會使電力系統(tǒng)產(chǎn)生三相不平衡，在此環(huán)節(jié)的三相元件主要包括變壓器、發(fā)電機等，這些設(shè)備往往具備良好的對稱性，因此，供電部分的三相不平衡主要是由于線路所致。在電力系統(tǒng)運行過程中產(chǎn)生的三相不平衡會對用戶以及整個系統(tǒng)造成巨大的傷害，例如，使電機振動、發(fā)熱，影響其安全運行與正常出力，同時，還會消減發(fā)電機的容量利用率與絕緣壽命。在線路中有諧波存在時，三相不平衡可能會導致多種以負序分量作為啟動元件的繼保裝置產(chǎn)生誤動，從而嚴重危及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。因此，在分析海上風電并網(wǎng)的電能質(zhì)量問題時，分析其并入大電網(wǎng)后三相不平衡度是否符合國家標準是十分重要的。已知三相量[a]，[b]，[c]時，三相電壓不平衡度的準確計算公式如下：

[ε2=1-3-6L1+3-6L×100%]? ? ? ? ? ? （7）

式中[L=（a4+b4+c4）（a2+b2+c2）2]。

國標GB/T 15543?2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》規(guī)定了三相電壓不平衡度的允許值：在電力系統(tǒng)PCC點處，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不超過[11]4%。

在PSCAD/EMTDC軟件中計算出該海上風電場模型在風速擾動下PCC點三相電壓不平衡度如圖7所示。

由仿真結(jié)果可以得出，該海上風電場PCC點處的三相電壓不平衡度滿足國家標準。

3? 結(jié)? 論

海上風電憑借其眾多優(yōu)勢，現(xiàn)已成為世界各地可再生能源發(fā)電中的關(guān)鍵一環(huán)，而我國海上風電的發(fā)展尚處于初級階段，在世界各地風電場快速發(fā)展的趨勢下，VSC?HVDC憑借其特有的技術(shù)優(yōu)勢，未來將成為我國海上風電必不可少的輸電手段。而其中并入電網(wǎng)后的電能質(zhì)量問題應當引起足夠的重視。

本文運用PSCAD/EMTDC仿真軟件，根據(jù)風電場等值原理搭建了大規(guī)模海上風電場經(jīng)VSC?HVDC并網(wǎng)的模型，研究其在風速波動下并入電網(wǎng)后電壓偏差、閃變、諧波等問題，結(jié)果表明：

1） 影響電能質(zhì)量的因素，與風速的波動、風電機組的類型、容量、換流站的控制方式，并網(wǎng)點的最小短路容量等諸多因素有關(guān)。

2） 在建設(shè)海上風電場時應充分考慮當?shù)仫L能資源對電能質(zhì)量的影響。

3） 在風速波動下，電壓偏差、閃變、三相不平衡度等指標滿足并網(wǎng)要求。諧波問題比較嚴重時，不能滿足并網(wǎng)要求，在實際工程中應當加裝有源濾波裝置，制定符合標準的濾波方案。

注：本文通訊作者為蘇建軍。

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