大規模海上風電經VSC?HVDC并網后電能質量問題分析

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，其并網后所產生的電能質量問題不容忽視。對于離岸較遠的大規模海上風電場，基于電壓源換流器的高壓直流輸電（VSC?HVDC）憑借其獨特的技術優勢未來將成為不可或缺的輸電技術。為保證電能質量符合標準，需在并網前對電能質量作出分析。根據風電場等值原理，運用PSACD/EMTDC仿真軟件搭建由雙饋異步風機組成的大規模海上風電場經VSC?HVDC并網模型，研究其在風速波動下閃變、諧波電壓與電流、電壓偏差等電能質量問題。結果表明，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地風資源的狀況，制定合理的濾波方案，為今后海上風電并網的電能質量分析工作提供借鑒與參考。

關鍵詞： 海上風電; VSC?HVDC; 電能質量; 并網模型; 輸電技術; 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

隨著全球對能源需求的進一步增加，風力發電作為一種清潔、環保、可再生的發電方式，成為了世界各地新能源發電領域最重要的選擇。由于海上風能資源更為豐富，同時風切變與湍流強度更小，能量密度與經濟效益更高，海上風電已逐漸成為世界各國風電發展的重要組成部分[1?2]。而海上風電場并網運行中所引起的電能質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模應用的關鍵。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，由此會引發一系列的電能質量問題，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的穩定運行構成威脅。雙饋異步風力發電機（DFIG）可以通過獨立控制轉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。而隨著風電的不斷進步與發展，并網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）技術已成為遠距離大規模海上風電場并網的理想方案[4]。與傳統高壓直流輸電相比，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動態補償，換流方便等優勢。隨著相關技術的快速發展，海上風電經VSC?HVDC并網將成為必不可少的技術手段。

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

1? 海上風電場經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、雙饋發電機、背靠背PWM換流器及其控制系統等組件構成，其定子直接與電網相連接，直接向電網輸送電能，轉子與背靠背換流器相連，可通過換流器及控制裝置向電網輸送有功或無功功率[5]。機側換流器控制為定子磁鏈定向矢量控制，外環控制為定無功功率與定轉速控制，定轉速可追蹤最大功率，內環為電流控制。網側換流器為電網電壓定向矢量控制，外環控制為定無功功率與定直流電壓控制，內環為電流控制[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。

機側與網側VSC換流站采用三相換流橋，開關器件采用帶反并聯二極管的絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）[7]。換流站采用雙環控制，內環均為電流控制。機側外環采用定直流電壓、定交流電壓控制，網側外環采用定交流電壓、定有功功率控制[8]。柔性直流輸電額定電壓為±200 kV。VSC換流站內部電路如圖2所示。

該海上風電場經匯集線路、柔性高壓直流輸電后通過230/500 kV升壓并入主網，直流線路長度為500 km。VSC1為岸上（網側）換流站，VSC2為海上（機側）換流站。并網系統模型如圖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，可以直接調用，風速仿真波形如圖4所示。

2? 電能質量分析

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

本文將對VSC?HVDC網側變壓器220 kV側PCC點的電能質量進行分析。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電壓與并網點電壓的波動，當波動幅度較大時，甚至可能引起可察覺的閃變現象。由此本文對該海上風電場經VSC?HVDC并網的PCC點電壓閃變值進行計算。

按照文獻[9]中的相關標準，以7天為測量周期，在系統運行的小方式下，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，此海上風電場并網點閃變限值為0.8。

2.1.1? 連續運行情況下的閃變

IEC61400?21標準《并網風力發電機組電能質量測試和評估》給出多臺風機在連續運行情況下PCC點產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，[φk]表示PCC點的網絡阻抗角，[va]表示風電機組輪轂高度的年平均風速;[Nwt]表示連接到PCC點風力發電機組的數目。

該風機的閃變系數如表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點在風電場連續運行時產生的的閃變值為0.40。因此，該海上風電場經VSC?HVDC并網后連續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點處閃變的傳遞公式為：

[Pst，A=TBAPst，B]? （2）

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

[TBA=S′sc，ASsc，A-S′sc，B]? （3）

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

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

2.2? 電壓偏差

在電力系統正常運行的情況下，系統中各節點的電壓會產生變化，從而出現實際電壓偏離額定電壓的情況，稱之為電壓偏差。根據《海上風電場接入電網技術規定》，海上風電場的并網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側并網電壓的穩定。

2.3? 諧? 波

在電力系統中由于存在諸如電子開關裝置、鐵磁飽和裝置等非線性裝置，從而產生諧波。雙饋異步風電機組中發電機所產生的諧波是可以忽略的，其采用的電力電子設備才是諧波的真正來源。發電機定子直接與電網相連，轉子則通過背靠背變流器并入電網，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]規定了在標稱電壓220 kV下（標稱電壓為220 kV的公用電網參照110 kV執行），PCC點允許注入的諧波電流分量不得超過表3中規定的限值。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系，即與風速大小有關。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倍的諧波分量。由于系統三相對稱，所以給出A相分析結果，結果如表3所示。

由表3仿真結果得知，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，諧波電流已經嚴重超出國家標準，不能滿足并網要求。在實際工程中，針對以上情況，應在每臺風機的并網處加裝有源濾波器（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倍諧波分量。由于系統三相對稱，所以給出A相的結果，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：

[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，結果如圖6所示。

根據仿真結果得出，PCC點的電壓諧波總畸變率滿足規程要求。

2.4? 三相電壓不平衡度

供電環節的不平衡會使電力系統產生三相不平衡，在此環節的三相元件主要包括變壓器、發電機等，這些設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。在電力系統運行過程中產生的三相不平衡會對用戶以及整個系統造成巨大的傷害，例如，使電機振動、發熱，影響其安全運行與正常出力，同時，還會消減發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生誤動，從而嚴重危及電力系統的安全穩定運行。因此，在分析海上風電并網的電能質量問題時，分析其并入大電網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《電能質量 三相電壓不平衡》規定了三相電壓不平衡度的允許值：在電力系統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? 論

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

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

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

2） 在建設海上風電場時應充分考慮當地風能資源對電能質量的影響。

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要求。諧波問題比較嚴重時，不能滿足并網要求，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。

參考文獻

[1] 遲永寧，梁偉，張占奎，等.大規模海上風電輸電與并網關鍵技術研究綜述[J].中國電機工程學報，2016，36（14）：3758?3770.

[2] PERVEEN Rehana， KISHOR Nand， MOHANTY Soumya R. Off?shore wind farm development： present status and challenges [J]. Renewable and sustainable energy reviews， 2014， 29： 780?792.

[3] 孫瑞香.電能質量綜合評估方法及其在海上風電場中的應用[D].杭州：浙江大學，2014.

[4] 呂敬，施剛，蔡旭，等.大型風電場經VSC?HVDC交直流并聯系統并網的運行控制策略[J].電網技術，2015，39（3）：639?646.

[5] 顧靜鳴，張琛，蔡旭，等.基于PSCAD/EMTDC的雙饋感應風電系統數學建模與仿真[J].華東電力，2013，41（6）：1150?1156.

[6] 齊向東，史巖鵬.雙饋風力發電機功率解耦控制的研究[J].現代電子技術，2012，35（18）：185?187.

[7] 賀之淵，劉棟，龐輝.柔性直流與直流電網仿真技術研究[J].電網技術，2018，42（1）：1?11.

[8] 蔣炮炮.VSC?HVDC和LCC?HVDC混合高壓直流輸電系統協調控制策略研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2014.

[9] 國家標準化管理委員會.GB/T 12326?2008電能質量電壓波動和閃變[S].北京：中國標準出版社，2008.

[10] 國家標準化管理委員會.GB/T 14549?1993電能質量公用電網諧波[S].北京：中國標準出版社，1993.

[11] 國家標準化管理委員會.GB/T 15543?2008電能質量三相電壓不平衡[S].北京：中國標準出版社，2008.

[12] 中國電力科學研究院.Q/GDW 11410?2015海上風電場接入電網技術規定[S].北京：國家電網公司，2016.

[13] 嚴芳芳.并聯混合型有源電力濾波器的建模仿真[J].現代電子技術，2012，35（2）：208?210.