风力发电系统中有源滤波技术的应用研究

摘 要：本文研究了有源滤波技术在风力发电系统中的应用，旨在解决谐波问题并提高电能质量。本文介绍了有源滤波器的原理、分类和关键技术，分析了风能系统的谐波特性及其危害，并开发了有效的有源滤波器。该滤波器通过实时监测和补偿谐波电流，实现了谐波的有效抑制。本文还探讨了无差拍控制策略在有源滤波器中的应用，提高了控制精度和响应速度。研究结果表明，有源滤波技术对提高电能质量和电网稳定性具有重要意义，为风力发电系统的谐波治理提供了重要参考。

关键词：风力发电系统；有源滤波技术；谐波抑制；电能质量；控制策略

中图分类号：TN 71 文献标志码：A

可再生能源的开发和利用已成为世界许多地区的研究课题。风能作为清洁的可再生能源之一，应用范围逐渐扩大。随着风力发电机组容量不断增大、风力发电机组的非线性特性以及电网环境日益复杂，风力发电机组在并网过程中会产生大量谐波负载，这不仅会影响电网的稳定运行，还会对风力发电机组本身造成损害。如何有效抑制和消除风力发电机组的谐波负载是目前风电技术最重要的研究领域之一。

一种新型的谐波治理技术——有源滤波技术，通过实时检测电网中的谐波电流，并产生均衡电流对其进行补偿，从而抑制和消除谐波。与传统的无源滤波技术相比，有源滤波技术具有动态响应快、补偿效果好、适应性强等优点，可广泛应用于风力发电机组。

为验证有源滤波技术的实际应用效果，本文以重庆武隆风电场为例进行深入剖析。重庆武隆风电场作为国家能源局支持的风电试点项目，在引入有源滤波技术后，成功实现了对风电系统谐波的有效抑制。该技术的应用不仅显著提升了风电场的电能质量，还增强了电网的稳定性，减少了设备故障，提高了整体运行效率。有源滤波装置在武隆风电场中的部署有效降低了谐波含量，使电网电压波动得到明显控制，确保风电场向电网输送的电能质量符合国家标准。

1 有源滤波技术

1.1 有源滤波技术的基本原理

有源滤波器通常由电流检测电路、控制系统和功率转换器（例如PWM逆变器）等关键部件组成。电流检测电路负责实时监测主电流并准确检测谐波。控制系统利用谐波电流检测数据计算偏移电流波形，该波形由特定算法生成。功率变流器根据控制系统的指令产生所需的偏置电流，并将其馈入电网。

有源滤波是由RC元件与运算放大器组成的滤波器，也称为RC有源滤波器，其功能是让一定频率范围内的信号通过，抑制或急剧衰减此频率范围以外的信号。可在信息处理、数据传输、抑制干扰等方面应用，但受运算放大器频带限制，这类滤波器主要用于低频范围[1]。

1.2 有源滤波器的分类

1.2.1 并联型有源滤波器

有源并联滤波器（APF）是一种电力电子装置，用于电网消除谐波和改善电能质量。APF的原理是产生在相位和幅值上与非线性负载电流匹配的补偿电流，以补偿谐波电流，从而达到滤波目的，详细情况见表1。

1.2.2 串联型有源滤波器

串联有源滤波器SAPF主要用于解决谐波问题，尤其是在需要对带有谐波源的负载进行补偿的情况下[2]。SAPF通过畸变负载的供电电压来控制供电电压互感器，从而通过电压减少与负载谐波电流相关的谐波，进而达到均衡或减少电力系统中谐波电流的目的。

1.3 有源滤波器的关键技术

有源滤波器必须先准确确定市电电流的谐波和无功分量。为此，通常要对市电电流进行实时监测，将模拟电流信号转换为数字信号，并输入高速数字信号处理器DSP进行处理；DSP采用先进的算法（例如ip-iq算法）将谐波从基波信号中分离出来[3]。

脉宽调制（PWM）控制技术根据经DSP处理的指令信号，通过电机电路驱动主电路中的IGBT或IPM功率模块，以产生极性相反、幅值与谐波网络电流相同的补偿电流。

主电路通常采用桥式PWM转换器结构，例如三相桥式PWM电压转换器。这种结构可实现高效的功率转换和补偿电流生成[4]。为确保有源滤波器长期稳定运行，在设计主电路时必须考虑散热、电磁兼容性（EMC）和安全性等因素。现代有源滤波器通常采用基于DSP和FPGA的数字控制系统，以实现高精度、高速度的控制和数据处理。它们的工作原理如图1所示。

2 风力发电系统中有源滤波技术的应用研究

2.1 风力发电系统谐波分析

风能系统中的谐波主要由内部电力电子设备和控制系统引起。风力发电机通常使用变流器来控制转速和功率[5-6]，而变流器、变压器和其他电力电子设备在运行过程中会产生大量谐波。风能系统中的无功功率补偿器、滤波器和其他设备也会产生谐波。风能系统中谐波的存在对系统稳定性和电能质量有重大影响。谐波主要是由风力涡轮机的非线性特性和广泛使用电力电子设备造成的。

基于傅里叶变换的谐波分析方法被广泛使用。傅里叶变换可以将时域的电压和电流信号转换为频域的频谱，从而使每次谐波的幅值和相位信息清晰可见，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为固定分量的幅值；an和bn为九次谐波的正弦分量和余弦分量的幅值；ω为基波信号的角频率；t为时间。

风力发电系统谐波具体描述见表2。

2.2 谐波检测与指令合成

在ip-iq检测方法中，PLL模块首先实时监测电网的负载电压相位，以确保电流检测的准确性。然后利用转换矩阵Cαβ将三相固定坐标系中的电流信号（ia、ib、ic）转换为两相固定直角坐标系αβ中的电流信号。其次，利用转换矩阵C将αβ坐标系中的电流信号转换为pq旋转坐标系中的 ip和iq 分量。 ip和iq 分量代表电网负载的有功电流和无功电流。

低通滤波器（LPF）在这一过程中发挥重要作用，它可以滤除高频谐波分量，保留低频基波分量。通过这种方法，可以精确识别电网负载的谐波电流[7]。

MPPT算法（最大功率点跟踪）可确保风力涡轮机在不同风速下始终以最大功率运行，从而优化风力涡轮机的生产效率。

控制合成过程如下。将通过MPPT算法得到的有效电网电流D与有效负载电流D合成，并通过低振荡因子滤波，得到电网控制电流的有效部分。谐波电流的极性被反转（即移位）并加入有效部分，从而获得整个电网的相关控制电流[8-9]。

这一过程通过坐标变换矩阵Cβ和C-1的反变换来获得三相参考电流ia "ref、ib " ref、ic "ref。这些参考电流用于驱动风力发电机的并网逆变器，以产生与电网负载电流对应的电网电流，并补偿无功电流和谐波，从而提高风力发电机的输出功率。无功与谐波电流检测在瞬时功率理论的示意图如图2所示。

2.3 无差拍控制策略

连续时间电流方程（基于基尔霍夫定律）如公式（2）所示。

dtdi（t）=-LRin（t）+L1（Ug-Ui（t）） （2）

离散化后的电流方程如公式（3）所示。

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

定义α=1-LRT，β=LT。​

无差拍控制的调制电压矢量如公式（4）所示。

Ui（k）=β1（-iref+aig（k））+Ug（k） （4）

式中：iref为参考电流。

无差拍控制策略是一种广泛应用于电力电子系统，尤其是三相PWM转换器的实时控制技术，可在每个采样瞬间精确匹配逆变器输出电流与预定的参考电流（IREF），并消除相位和幅值偏差[10]。

无差拍控制策略基于动态逆变器模型，通过预测下一次采样时的系统状态（通常是电流）来生成控制指令。针对并网三相PWM逆变器，逆变器的输出电流可根据基尔霍夫定律建模。根据系统参数（例如电阻Rg和电感Lg）和采样周期Ts，可建立连续时间方程，其中α和β是常数，取决于系统参数和采样周期。

在非参数差分控制下，控制目标是使逆变器输出电流ig（k+1）等于参考电流iref。在公式（3）中，设置为ig（k+1）与iref相等，即可得到所需的调制电压矢量Ui（k）。该调制电压矢量用于控制逆变器电路，以获得所需的输出电流。

图3为非均匀差分控制策略的框图。在该框图中，参考电流iref与电流ig（k）以及与系统参数和采样周期相关的常数α和β一起用于计算所需的调制电压矢量Ui（k）。利用该调制电压矢量控制逆变器耦合，以获得所需的输出电流[11]。

2.4 有源滤波技术的控制策略与优化

有源滤波技术在风力发电系统中的应用依赖一系列控制策略来确保其高效和准确的谐波补偿。常见的控制策略包括瞬时无功功率理论和多种谐波检测算法，例如傅里叶变换和小波变换。瞬时无功功率理论基于三相瞬时功率理论，能够快速、准确地检测电力系统中的谐波和无功电流[12]，特别适用于三相平衡系统，对电网电压畸变不敏感。而谐波检测算法对电压或电流进行采样和计算，提取谐波分量，为有源滤波器提供补偿指令，适用于不同频率的谐波补偿。

瞬时无功功率理论在三相平衡系统中表现出色，但在非线性负载或不平衡系统中可能需要额外的补偿措施。而谐波检测算法，尤其是FFT算法，在稳态谐波分析方面表现出色，但在非稳态或快速变化的情况下性能受限。

3 案例分析

重庆武隆风电场的三相风力系统面临电流谐波问题，这些谐波不仅影响电能质量，还可能对电网设备和风力涡轮机造成损害。此外，随着风速变化，如何快速准确地调整风力发电机的有功功率输出，以达到最大功率点（MPPT），也是亟待解决的问题。

为了改善电能质量并优化功率输出，本文采用了MATLAB/

SIMULINK进行仿真研究，比较了无脉冲微分控制与传统磁滞控制在电流控制方面的性能。仿真结果显示，无脉冲微分控制在响应速度和精度方面均优于磁滞控制，为优化电流控制提供了新思路。本文还分析了有源电力滤波器（APF）在改善系统电能质量方面的效果。APF通过检测和补偿谐波，能够有效抑制电流中的谐波成分，提高风力发电机馈入电网的电能质量。

通过引入无脉冲微分控制算法，实现对风力发电机电流的快速、精确控制，提高了系统的响应速度和稳定性。采用ip-iq方法的瞬时功率原理，结合APF，实现对风力发电机电网中谐波的有效抑制，提高了电能质量。

由图3可知，无脉冲微分控制在响应速度和精度方面均优于磁滞控制，图4和图5分别展示了应用APF前后风力发电机电网中电流谐波幅值和并网电压中谐波幅值的对比。从图4（a）和图5（a）中可以看出，滤波前的电流和电压均含有大量谐波成分。然而，在应用APF后（图4（b）和图5（b）），谐波得到了有效抑制，电流畸变率和电压畸变率显著降低，电能质量得到显著提升。

最大功率点跟踪（MPPT）实现：系统运行5s后，当风速从11m/s降至9m/s时，图6显示系统的有功功率输出能够快速、准确地跟随风速变化，并达到最大功率点（MPPT）。这证明了无脉冲微分控制算法在MPPT实现中的有效性。

4 结语

重庆武隆风电场作为本文的研究重点，其成功引入有源滤波技术的实践，不仅为风电场自身带来了谐波污染的有效治理，还显著提升了电网的电能质量，保障了风电场与电网间的和谐共生。这一案例的成功实施不仅验证了有源滤波技术的先进性和实用性，也为其他风电场提供了宝贵的参考和借鉴。通过MATLAB/SIMULINK平台上的仿真试验表明，在并网功率控制过程中，系统能够通过无脉冲差分控制策略快速、准确地控制设定点电流，从而确保风力发电机高效、稳定地运行。本文提出的控制策略具有良好的动态性能，尤其是当风速发生变化时，系统的有功功率能快速响应，应对风速波动，实现最大功率点跟踪（MPPT），提高了风能系统的能量利用率。本文提出的控制策略还能补偿电网中的超谐波波动。通过使用有源能量滤波，系统可以降低电网中电流和电压的谐波成分，提高电能质量，确保电网稳定运行。

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