徐群偉，羅華峰，梅冰笑，劉浩軍，朱非白，朱漢山，陳向榮

（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.浙江大學 電氣工程學院，杭州 310027）

0 引言

隨著全球經濟的迅速發(fā)展，能源需求的增多與傳統(tǒng)化石能源（煤炭、石油、天然氣）供應不足之間的矛盾日益顯現。因此大規(guī)模開發(fā)利用風能、太陽能等可再生能源已成為實現可持續(xù)發(fā)展和“雙碳”目標的關鍵［1］。風能發(fā)電因其具有零碳排放、無污染、可再生等特點，在全球新能源市場備受青睞。經過十幾年的大力發(fā)展，我國風電裝機容量已躋身世界第一［2］。根據風場位置不同，可以分為陸上風力發(fā)電和海上風力發(fā)電。其中海上風力發(fā)電的優(yōu)勢是風力資源充沛、發(fā)電可利用小時數高并且不占用土地［3］。隨著海上風電場并網技術的進步和成本降低，海上風電市場規(guī)模近十年迅速發(fā)展擴大。發(fā)達國家尤其是歐洲國家將風力發(fā)電的發(fā)展重心都轉移到海上，目前已占據國際海上風電市場的主導地位［4］。我國國土遼闊，又有綿長的海岸線，近年來大力推動海上風電的發(fā)展，將逐漸形成陸上和海上風力發(fā)電并重的能源格局。

隨著海上風電場裝機容量的增大，越來越多的電力電子設備接入電網，成為海上風電場主要的諧波源［5-7］。一方面由于風力的不可控性、隨機性和間歇性，導致風力發(fā)電機的輸出功率不平穩(wěn)，加大了諧波的產生。另一方面相比于陸上架空線，海底電纜具有更高的對地電容，因而會存在較大的對地分布電容。較大的對地分布電容較易引起風電場與電力系統(tǒng)的諧波諧振問題，這將對風電場的安全運營產生威脅，導致過電壓、過電流和元件過熱損耗的問題，嚴重時甚至導致絕緣失效而引發(fā)嚴重的電力事故。同時，系統(tǒng)不同的運行方式，也將影響電力系統(tǒng)的諧波諧振情況。因此，在當前風電場諧波諧振問題愈發(fā)突出的背景下，本文對浙江省某海上風電場并網系統(tǒng)進行PSCAD仿真建模，分析海上風電場的接入對陸上電網PCC（公共耦合點）暫態(tài)過電壓的影響，研究海上風電場并網系統(tǒng)在不同運行方式下的諧波諧振特性，并提出一種有效的海上風電場并網系統(tǒng)諧波諧振抑制策略。

1 諧波諧振和治理原理

1.1 諧波諧振

設定系統(tǒng)等效電路如圖1 所示，圖1 中，R1、X1分別代表陸上電網等效電阻和等效感抗，R2、X2和R3、X3分別代表高壓海纜連接風電場支路的等效電阻和等效感抗。對于PCC 的等效電抗X的表達式如下：

圖1 系統(tǒng)等效電路Fig.1 Equivalent circuit diagram of the system

由式（1）可知，當|X2+X3|等于零時，此時對應的頻率為電氣諧振頻率，若背景諧波電流或風機諧波電流存在與之相等或相近的頻率，則在該頻率下發(fā)生諧波諧振放大現象。

采用頻率掃頻法分析整個系統(tǒng)的諧波諧振放大問題，通過測量PCC 的阻抗頻率曲線，可以得到阻抗極大值對應的頻率值［8-9］。因此，通過對PCC 的阻抗掃頻，就可以得到PCC 的諧振頻率點，從而進一步針對性地選擇諧振治理裝置。

1.2 諧波諧振治理原理

常用諧波治理措施：一是受端治理，提高電氣設備或系統(tǒng)的抗諧波干擾能力，避免或減少諧波的影響；二是主動治理，減少產生諧波源的電氣設備；三是被動治理，在系統(tǒng)的諧波源附近增加特定的濾波器，可減弱諧振頻率下的諧波諧振放大現象［10］。實際工程中往往采用被動治理中的無源方法，即并聯型低阻抗支路濾波器［11-13］。

系統(tǒng)并聯低阻抗支路濾波器電路如圖2 所示，在PCC 處并聯低阻抗支路濾波器，低阻抗支路濾波器也可成為單調諧濾波器，通常由電阻R、電感L和電容C串聯而成，其阻抗Z在k次基波頻率的表達式如下：

圖2 系統(tǒng)并聯低阻抗支路濾波器電路Fig.2 Circuit diagram of the parallel low-impedance branch filter

式中：w0為額定工頻角頻率；k為諧振諧波次數。

在k次基波頻率下，低阻抗支路濾波器的阻抗值就等于電阻值R，k次諧波電流主要將通過低值電阻R分流。若存在兩個頻率下發(fā)生諧波諧振放大現象，則可以選擇并聯兩個不同頻率的單調諧濾波器，相當于一個雙調諧濾波器。海上風電場往往發(fā)生比較嚴重的5 次和7 次諧波諧振放大現象，所以選擇并聯5次和7次單調諧濾波器是一種可行的方式。

2 基于PSCAD的系統(tǒng)仿真建模

為了研究海上風電諧波過電壓對電網安全性的影響，以浙江省某海上風電場并網系統(tǒng)為例，需要建模的系統(tǒng)拓撲如圖3 所示（圖中略去風電場中66/35 kV 變壓器），主要包括：風電場、陸上電網和背景諧波電流源、高抗和48 km 高壓海纜、3.3 km 架空線，以及220/110 kV 的T1變壓器、220/35 kV 的T2變壓器、220/35 kV 的T3變壓器，其中SCL表示海纜登陸點。

圖3 系統(tǒng)拓撲Fig.3 System topology

海上風電場包括風電機組、變壓器、海纜，其中風電機組的諧波特性隨工況而變，具有較大的不確定性；而變壓器和電纜結構是確定的，其電氣參數的不確定性較小，可以精確建模。由于風電機組的諧波特性隨工況而變，為了簡化分析，需要建立確定的風電機組諧波模型?？梢曰陲L電機組制造商（遠景風機和湘電風機）提供的風電機組諧波實測數據建立風電機組的諧波模型［14-16］。根據諧波電流實測數據和濾波電路實際參數，可以推算出諧波電勢有效值和諧波電流有效值。文中風電場是由一個遠景風機和一個湘電風機并聯連接的模型。

從風機箱變的690 V（一次側）看向風機側，遠景風機和湘電風機的諧波等值電路如圖4所示，其中兩種風機的等效電感L和電容C均一致，分別為0.0214 mH和668.4 μF。兩種風機的實測諧波電流值和諧波模型中的諧波等效電流，分別如表1—表4所示。輸電系統(tǒng)中三芯海纜模型參數設置如表5所示。

圖4 遠景風機和湘電風機的諧波等值電路Fig.4 Harmonic equivalent circuits of wind turbines manufactured by Envision and XEMC

表1 遠景風機實測諧波電流Table 1 Measured harmonic current of wind turbines manufactured by Envision

表2 遠景風機諧波模型中的諧波等效電流Table 2 Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by Envision

表3 湘電風機實測諧波電流Table 3 Measured harmonic current of wind turbines manufactured by XEMC

表4 湘電風機諧波模型中的諧波等效電流Table 4 Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by XEMC

表5 海底電纜結構參數Table 5 structural parameters of submarine cables

3 海上風電場的暫態(tài)過電壓仿真分析

過電壓和諧波是引起電網設備絕緣損壞、電能質量下降的主要誘導因素，嚴重影響電網安全運行，對電網過電壓和諧波水平進行有效監(jiān)測和治理是優(yōu)化電網絕緣配合、保障電網設備安全的重要前提［17-18］。電力系統(tǒng)中各種電氣設備的絕緣在運行過程中除了長期受到工作電壓的作用外，還會受到由于各種原因而引起的比工作電壓高得多的過電壓以及頻率數倍于工頻的高次諧波電壓作用，過電壓和諧波電壓的存在會直接危害到設備絕緣的正常工作，導致設備損壞。對110 kV 及220 kV 系統(tǒng)而言，過電壓不宜大于3.0 p.u.。110 kV 及220 kV 系統(tǒng)操作過電壓的基準電壓分別為102.88 kV 和205.76 kV，因此采用3.0 p.u.，即以308.64 kV 和617.27 kV 作為操作沖擊電壓限值。根據圖3的系統(tǒng)拓撲，仿真測量接入海上風電場的暫態(tài)過電壓。0時刻斷開所有開關，運行開始后1 s合上S1開關（以下簡稱“S1”，其余類推），運行開始后2 s合上S2開關，運行開始后4 s合上S3開關，運行開始后6 s 合上S4開關，運行開始后7 s 合上S5開關，運行開始后9 s合上S6開關，分別測量S1—S6開關前后0.1 s的PCC三相電壓波形，并比較暫態(tài)過電壓標幺值是否超過3.0 p.u.。

合上S2前后0.1 s PCC 三相電壓波形如圖5 所示。由圖5 可知，PCC A 相電壓在0.1 s 內最大值超過200 kV，換算成標幺值為2.10 p.u.，低于3.0 p.u.。PCC電壓達到最大值后逐漸衰減，A相電壓高于開關S2閉合前穩(wěn)定值。

圖5 合上S2前后PCC三相電壓波形Fig.5 PCC three-phase voltage waveforms before and after closing of S2

按上文所述時間順序依次合上S1—S6，在這6種運行方式下，測量的PCC 暫態(tài)過電壓如表6 所示。由表6可知，在2 s合上S2，PCC暫態(tài)過電壓標幺值最大值達到2.10 p.u.，不過依舊小于限制值3.0 p.u.，符合安全要求。所以，風電場接入引起的過電壓標幺值全都小于限制值3.0 p.u?；谶@一前提，進一步研究背景諧波電流源和風電場的接入對陸上電網諧波狀態(tài)的影響。

表6 PCC暫態(tài)過電壓Table 6 Transient voltage of PCC

4 系統(tǒng)諧波諧振特性分析及抑制方案

4.1 系統(tǒng)諧波諧振特性分析

為了研究海上風電不同運行工況下對接入電網安全穩(wěn)定性的影響，需要分析風電場的接入對陸上電網諧波狀態(tài)的影響，計算電網諧波電壓總畸變率，其中諧波電壓總畸變率越高，電網安全穩(wěn)定性越低。目前，對于110 kV 及以上電壓等級的公用電網，單次諧波電壓畸變率限制值為1.5%，諧波電壓總畸變率限制值為3%。本文主要考慮2～7次低頻諧波電壓總畸變率不超過1.5%，后文中的諧波電壓總畸變率均指2～7 次諧波電壓總畸變率。

結合圖3所示系統(tǒng)拓撲和表7給出的不同運行方式，研究背景諧波電流源和風電場的接入對陸上電網諧波狀態(tài)的影響，其中陸上電網諧波狀態(tài)用PCC 的諧波電壓畸變率來表示。通過仿真測量系統(tǒng)PCC處A相基波電壓及2～7次諧波電壓，并計算諧波電壓總畸變率。根據諧波電壓總畸變率，可以分析不同運行方式下的電網安全穩(wěn)定性。同時，結合PCC 阻抗掃頻圖提出降低諧波電壓總畸變率的抑制方案。

表7 不同運行方式Table 7 Different operating modes

對于4 種運行方式，仿真得出的PCC 諧波電壓總畸變率如表8 所示。由表8 可知，4 種運行方式下PCC 諧波電壓總畸變率均超過1.5%，表明4種運行方式下PCC 處均存在明顯的諧波諧振放大現象。因此，必須采取諧波諧振抑制措施。以4號運行方式為例，即合上所有開關的情況，結合諧波電壓畸變率及PCC 阻抗掃頻圖提出降低諧波電壓總畸變率的抑制方案。

表8 不同運行方式下PCC諧波電壓總畸變率Table 8 Total distortion rate of PCC harmonic voltage under different operating modes

4 號運行方式下PCC 諧波電流和PCC 處A 相電壓如表9 和表10 所示。由表9 和表10 可知，PCC 5次諧波電流過大，4號運行方式下基波電壓為111.35 kV，諧波電壓總畸變率為8.03%，大于諧波電壓畸變率限制值1.5%，主要原因是5 次諧波電壓過大導致的。

表9 PCC諧波電流Table 9 PCC harmonic current

表10 PCC A相諧波電壓Table 10 Phase-A harmonic voltage of PCC

PCC 全系統(tǒng)阻抗掃描如圖6 所示，由圖6 可知，PCC 2次諧波附近放大現象嚴重。對于PCC，由于變壓器三角形聯結的作用，對稱條件下風電場側3倍諧波不會進入到陸上電網。所以PCC處3次和6次即使阻抗掃頻值較高，也不會引起過高的諧波畸變率，主要還是5 次和7 次諧波畸變率較大，導致諧波電壓總畸變率達到8.03%，超出了限制值1.5%。所以可選擇在PCC 并聯5 次和7 次單調諧濾波器。

圖6 4號運行方式下PCC阻抗掃描圖Fig.6 Scanning diagram of PCC impedance under operating mode 4

4.2 系統(tǒng)諧波諧振抑制方案

4號運行方式下在PCC并聯5次和7次單調諧濾波器，濾波器的具體參數如表11所示。

表11 單調諧濾波器參數Table 11 Parameters of the single-tuned filter

4 號運行方式下的PCC 諧波電流和PCC A 相電壓如表12 和表13 所示。4 號運行方式下基波電壓為113.11 kV，由表12 和表13 計算可得，諧波電壓總畸變率為1.06%，小于諧波電壓畸變率限制值1.5%，各次諧波電壓均較小。

表12 PCC諧波電流Table 12 PCC harmonic current

表13 PCC A相諧波電壓Table 13 Phase-A harmonic voltage of PCC

并聯濾波器后PCC 阻抗掃描如圖7 所示，由圖7可知，在PCC處并聯5次和7次單調諧濾波器后，PCC處5次和7次阻抗值降低，諧振的諧波次數移動到2次附近以及兩個不存在的諧波源上。因此PCC 總畸變率大大下降，小于諧波電壓畸變率限制值1.5%。PCC 3 倍數次的諧波不會進入到陸上電網，即使諧振頻率在3倍數次，也不會造成高的諧波電壓畸變率。因此，對于PCC 處諧波諧振的治理原理是將發(fā)生諧振的諧波次數移動到不存在諧波源、諧波源值很小的諧波次數上或3倍數諧波次數上。

圖7 并聯濾波器后PCC阻抗掃描圖Fig.7 Scanning diagram of PCC impedance of the paralleled filter

為了驗證在PCC處并聯5次和7次單調諧濾波器策略的有效性，仿真計算了不同運行方式下PCC諧波電壓總畸變率，結果如表14所示。由表14 可知，PCC 總畸變率最大值為1.06%，小于1.5%。4種運行方式均小于1.5%，所以PCC并聯5次和7次單調諧濾波器的策略能夠有效抑制各種運行方式下PCC處諧波諧振放大現象。

表14 不同運行方式下PCC諧波電壓總畸變率Table 14 Total distortion rate of PCC harmonic voltage under different operating modes

5 結論

本文針對浙江省某海上風電場并網工程進行PSCAD仿真建模，研究了海上風電場接入對陸上電網PCC 暫態(tài)過電壓和諧波諧振特性的影響。得到以下結論：

1）運行開始后2 s合上S2，即只接入一條海纜后合上升壓變的情況下，在依次合上S1—S6這6種運行方式下，PCC暫態(tài)過電壓標幺值最大值為2.1 p.u.（205.76 kV），小于限制值3.0 p.u.（308.64 kV），符合安全要求。

2）仿真分析4種運行方式的諧波電壓總畸變率和阻抗掃描圖，采取在PCC并聯5次和7次低阻抗支路濾波器的諧波抑制策略，PCC 諧波放大現象明顯減弱，總諧波畸變率也有明顯下降，均小于1.5%，消除了陸上電網背景諧波源和風電場諧波電流源2～7次低頻諧波放大的現象。

3）PCC 處3 倍數次的諧波不會進入到陸上電網，即使諧振頻率在3倍數次，也不會造成高的諧波電壓畸變率。因此，將發(fā)生諧振的諧波次數移動到不存在的諧波源、諧波源值很小的諧波次數上、3倍數諧波次數上可有效抑制PCC諧波諧振。