风电并网系统中的谐波抑制技术研究与应用

北京金风科创风电设备有限公司 郝鹏 中国人民解放军91515部队 郝强 王建国

本电厂装机容量50MW，是单机容量最大6.25MW、叶片最长192m 的风力发电机组项目，共安装3台EN-192/6.25型机组和5台EN-182/6.25机型风电机组。项目全容量投产后，预计年均发电量10633万kWh，每年可节约标煤3.26万t，减排二氧化硫21.27t、氮氧化物20.2t、二氧化碳8.23万t。基于本电厂风电并网的成果，对风电并网系统中的谐波抑制技术应用进行分析，对促进风电并网系统安全稳定运行具有积极的意义。

1 风电并网系统中的谐波问题

1.1 谐波产生原因

在风电并网系统的运行中，发电机、变压器、整流器等设备由于存在非线性元件，在运行过程中会引起电流的非线性变化，进而产生不同程度的谐波。谐波的产生和传播会导致电网电压与电流的波动产生畸变。在电网持续不断的运行中，会导致电网功率损耗和设备热损耗不断增加，进而提升电网运行中各类设备故障情况的发生概率[1]。本电厂的风电并网系统主要应用永磁同步电机来供给风电机组运行，高次谐波干扰是永磁同步电机控制系统运行中需要解决的主要问题，在风电并网系统的实际运行中可能会导致严重电网谐波的产生和传播，而电网所在环境区域的随机性风速变化，也会进一步加剧谐波的传播。

1.2 谐波电流计算

考虑谐波问题可能对电网运行情况造成的干扰和影响，在风电并网系统运行中应用谐波抑制技术前，需要能够明确谐波产生的具体原因以及主要位置。通过对谐波发生情况下电流变化情况的计算分析，可以将其作为抑制谐波产生与传播的主要参考依据[2]。基于此，在对谐波电流进行计算时，遵循国际电工委员会制定的相关标准要求，在考虑以N台电机组在一个公共连接点上产生的h次谐波电流基础上，主要依据以下公式来对谐波电流进行计算：

式中:ni代表第i个风电机组变压器变比；Ihi代表第i个风电机组h次谐波电流，β代表指数对应不同谐波次数。

在结合风电并网系统运行情况对谐波电流进行计算时，发现风电并网系统中存在两个或两个以上的谐波源，在依据以上公式分别计算出不同位置的谐波源电流数值之后，将谐波电流在同一相上进行叠加。在这一计算过程中，相位角的变化会对叠加后的等效谐波电流产生影响，对相位角未知情况下的等效谐波电流进行计算，要求以引入一个系数k的方式，依据不同谐波电流次数对应的k值不同，对等效谐波电流数值进行计算。

2 风电并网系统中的谐波抑制技术应用分析

考虑谐波问题对风电并网系统运行安全和稳定性产生的影响，应能够在结合本电厂风电并网系统运行实际情况的前提下，基于以下步骤来实现对于谐波问题的抑制，为风电并网系统的安全运行提供保障。

2.1 基于算法的谐波电流检测

在应用谐波抑制技术前，需要能够引入算法来对谐波电流位置进行检测分析。为保障检测算法的应用效果，本电厂在对谐波电流进行检测时主要应用自适应算法，有效控制检测失真度，提升检测效率效果。在对谐波电流进行检测前，主要结合风电并网系统运行的实际情况，选择应用等效电路定位法或针对谐波状态估计的定位法，对谐波电流产生的具体位置进行定位，确保针对电机谐波电流的检测分析能够准确配置。

在依据自适应算法对谐波进行检测分析时，将风电并网系统运行中的电压输入和负荷电流分别作为参考电气量和原始电气量，在针对风电并网系统检测获得的电流变化波形中，剔除掉与参考量呈现相同波形的波形分量，可获得有功与无功分量的总和[3]。该算法在电压受到波形畸变后扰动的情况下，也能够以良好的自适应状态来实现对于谐波电流的检测。但在考虑该算法受到算法步长选择的影响，实际应用中需要与其他检测方法结合起来，用以在保障检测精度的同时也能够提升检测的效率。

具体而言，在应用这一方法对谐波电流进行检测时，应明确永磁同步电机结构对谐波产生情况的影响，考虑电机绕组、磁极结构以及磁路过饱和等因素，都会导致电机内部气隙磁场发生畸变，从而使其反电动势畸变，可以验证永磁同步电机的反电动势中含有大量的高次谐波。

在永磁同步电机的三相绕组为对称结构、且绕组之间连接方式为星形连接的前提下，在该类电机的电流谐波成分中3次谐波及其整数次谐波会相互抵消。依据这一原理，通过对永磁同步电机中A 相电流谐波含量的分析，发现在5、7次谐波的含量最高。其中5次谐波电流方程表示为：

式中：I5代表电流幅值；ω代表辨识参数；Ia5、Ib5、Ic5代表直流分量；t代表电流变化时间。以只考虑含量最高情况下的谐波电流为依据，则可以将永磁同步电机三相电流在坐标系中的坐标值带入到以上方程当中，经过整理后可以得到永磁同步电机含谐波分量的电压电流关系，进而将其作为构建永磁同步电机稳态电压模型的依据。

2.2 谐波抑制技术

在应用自适应算法的前提下，依据对风电并网系统谐波的检测结果，本电厂选择应用谐波注入法来对永磁同步电机产生的谐波进行控制。这一过程中，主要依据MRAI 算法结构构建可调和参考模型。

在构建模型时，首先基于风电并网系统运行情况，确定永磁同步电机参数辨识的结果为非线性时变反馈系统，在明确非线性时变反馈环节的基础上，计算得到输入为0状态下线性定常环节的状态方程和输出方程，即：

式中：x代表状态变量；λ1代表输入变量；y代表输出变量；A、B代表可控状态空间矩阵；C、D代表可关状态空间矩阵；d代表横坐标；t代表时间参数。基于以上方程，在保证控制系统稳定运行的前提下，依据波波夫超稳定性理论，将相应输入带入到方程中，确定非线性时变模块应满足的条件，进而对依据方程构建的模型进行简化，得到符合风电并网系统的非线性时变等效反馈系统[4]。

对基于自适应算法的谐波抑制模块进行设计，需要将MRAI 模块与谐波注入法结合起来，构成一个能够体现自适应特点的谐波抑制环节。在这一过程中，需要将电机参数的估计值送入谐波补偿电压生成模块，用以达到提高电机谐波电力抑制准确性的目的。

依据以上原理构建的自适应谐波抑制仿真模型，主要分为谐波注入法和MRAI 参数辨识两个主要的部分。其中，谐波注入法进一步分为谐波提取、谐波稳态电压估算和反向电压三方面内容。在实际应用中，需要参考电机本身参数值计算该模块补偿电压，并利用参数辨识模块验证MRAI 参数的辨识效果，得到永磁同步电机的参数辨识曲线。

在构建的仿真模型中，以人为调整逆变器死区时间的方式，提升永磁同步电机三相电流中的谐波分量，进而分为选择在电机参数恒定不变和发生变化两种情况下进行仿真实验，就可得到针对风电并网系统中永磁同步电机的三相电流波形变化结果[5]。

2.3 基于谐波控制技术的控制系统设计开发

为进一步保障风电并网系统的运行情况，提高谐波控制技术在电网运行中的应用范围和效果，可以将谐波控制技术融入到针对电机运行的控制系统开发设计中，用以保障电机的安全稳定运行，同时也能够促进风机并网系统的建设发展。在考虑本文应用的自适应谐波注入法应用效果的前提下，结合现阶段风电并网系统运行的实际情况，选择将常见的电力滤波器这种针对谐波的治理方法与谐波控制技术结合起来，能够满足针对异步电机、永磁同步电机等不同类型电机运行中的谐波控制需求。

基于这一目的，在对谐波控制系统进行设计时，应以风电并网系统中应用的电机为主要依据，首先确定控制系统的硬件结构。仍以本电厂电网系统中应用的永磁同步电机为例，设计控制系统时，应确保电机的输入电压和采样电路中电流采集范围标准的基础上，确定控制模块、逆变与驱动模块、电压电流检测与隔离模块、执行模块、供电模块等组成部分。其中，控制模块以MCU 及其外围电路构成；逆变与驱动模块主要包括逆变桥驱动、电压电流检测、隔离电路；执行模块由PMSM 和编码器构成；供电模块以AC-DC 变换器、电源、滤波模块组件为基本结构[6]。

以确保控制系统能够支持电源电压转换为目的，要求利用电压转换芯片，在控制系统中设计好用于电源转换的电路运行流程，让电源能够为后续的电机控制提供可靠的支持。

在控制系统的软件设计部分，要求能够在选择好控制系统应用的三维软件平台后，注重对软件程序的调试运行和检测。这一过程中，应考虑将电力滤波器与控制系统连接的结构形式，借助滤波方式来实现对控制系统采样数据的预处理。然后应用自适应谐波注入法，依据MRAS 算法，通过对电机位置和转速信息的估算分析实现对电机的有效控制。控制系统中该算法的运行流程如下：MRAS 算法开始，读取电网交直周轴电流电压值，利用事先构建的可调模型对交直轴电流值进行计算；进行电机转速广义误差、数据自适应变化规律的计算；电机转速、电阻、电感以及磁链值等参数的计算；电机转速与转子位置角的计算，直至算法结束。

2.4 谐波抑制效果

结合本电厂应用的谐波抑制技术，发现在经过谐波抑制后，永磁同步电机的三相电流波形得到了较为明显的改善。在应用自适应谐波注入法的情况下，电机参数变化使得三相电流波形的变化更趋向于正弦波的规律形态。进一步分析谐波抑制前后A相电流中谐波含量的变化情况，发现5次谐波含量从抑制前的6.487%下降至0.468%。应用同样的方法对7次谐波进行抑制，发现谐波含量从抑制前的1.289%下降至0.378%。

表1为公共电网谐波相电压的规定标准，结合表1中数据可以发现，在永磁同步电机自身参数变化的情况下，应用自适应谐波注入法能够让奇数次谐波电压含有率符合相应的标准要求，因而能够起到良好的抑制作用和效果。

表1 公共电网谐波相电压标准

综上所述，谐波抑制技术在保障风电并网系统运行质量方面发挥着重要的作用。本文结合本电厂在风电并网系统运行中应用的谐波抑制技术，要求能够在明确谐波产生原因的前提下，保证谐波检测与定位计算结果的准确性，将计算结果作为进行谐波抑制的主要依据。在此基础上，借助先进算法构建数学模型，以仿真模型和基于算法的模块设计的方式来提升谐波抑制的实际效果。