風(fēng)電場中電力無源濾波器設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略

賴迎 涂繼昭

國家電投集團(tuán)江西電力有限公司高新清潔能源分公司 江西南昌 330000

在風(fēng)電系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展中，隨著電場容量的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電場并網(wǎng)給系統(tǒng)電力帶來的影響也越來越大，其中，一個(gè)最主要的影響就是電力諧波。因此，在具體的風(fēng)電系統(tǒng)應(yīng)用過程中，風(fēng)電企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)對電力諧波的重視，并通過無源濾波器的合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化來提升諧波治理效果，以此來保障風(fēng)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，在滿足用戶需求的基礎(chǔ)上提升風(fēng)電企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

1 風(fēng)電場電力無源濾波器的設(shè)計(jì)分析

在對風(fēng)電場內(nèi)的無源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，基本應(yīng)該遵循以下的幾個(gè)設(shè)計(jì)步驟：

在濾波器加裝之前，應(yīng)該對風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)中的諧波情況進(jìn)行全面分析，以此來獲得各次的諧波電流和諧波電壓等的這些計(jì)算數(shù)據(jù)。

對風(fēng)電系統(tǒng)所需要的濾波器機(jī)組以及無功補(bǔ)償容量進(jìn)行安裝方案的初步確定。在對風(fēng)電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償容量進(jìn)行計(jì)算的過程中，主要可通過估算法來進(jìn)行容量Q 的估算。假設(shè)在濾波器加裝之后，系統(tǒng)中的功率因數(shù)取值需要根據(jù)實(shí)際的工作情況來進(jìn)行確定，則可以通過以下公式來進(jìn)行容量Q 的估算：

在以上公式中，風(fēng)電系統(tǒng)中的有功負(fù)荷用P 表示，濾波器加裝之前的系統(tǒng)功率因數(shù)角用 0φ 表示，加裝之后的因數(shù)角用 1φ 表示。

在對濾波器機(jī)組進(jìn)行安裝的過程中，其具體的安裝方案和風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)諧波源及其諧波分析有著直接關(guān)系。通常情況下，在風(fēng)電場中，諧波源都屬于變流器。比如，在六脈整流形式的變流器中，就可以進(jìn)行5 次和7 次單調(diào)諧波器的裝設(shè)，如果依然存在頻率比較高、幅值比較低的很多諧波，則需要將一組高通濾波器設(shè)置在系統(tǒng)中，其調(diào)諧作用通常在7-12 次[1]。

按照相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行無源濾波器機(jī)組中每一個(gè)濾波器實(shí)際參數(shù)的計(jì)算。首先是單調(diào)諧波形式的濾波器計(jì)算，在具體計(jì)算中，通過調(diào)諧次數(shù)、電容器的額定電壓以及n 次諧波電流來進(jìn)行電容量Qc 的確定，最后再對電容C、電阻R 以及電感L 進(jìn)行求解，其具體計(jì)算公式如下：

在以上公式中，電容器自身的額定電壓用UN表示，第n 次諧波產(chǎn)生的電流值用In表示，基波角頻率用 0? 表示，調(diào)諧銳度用Q表示。

其次是高通諧波器，通常情況下，這種諧波器需要設(shè)定更大一些的容量，以此來降低高通諧波器自身的損耗。但是容量也不可太大，這樣才可以有效避免無功功率出現(xiàn)過補(bǔ)償現(xiàn)象，防止電力事故。在確定了單調(diào)形式的諧波器參數(shù)之后，就可以對高通濾波器進(jìn)行基波無功輸出的計(jì)算，假設(shè)無功輸出是Q（H），在具體計(jì)算中，可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：

校驗(yàn)選擇的電壓以及電流參數(shù)，如果發(fā)現(xiàn)參數(shù)不符合實(shí)際需求，則需要對其再一次調(diào)整并校驗(yàn)，一直到完全與實(shí)際運(yùn)行過程中的安全要求相符為止。

2 風(fēng)電場無源濾波器的優(yōu)化

2.1 等式約束條件

在對風(fēng)電系統(tǒng)的無源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，主要的等式約束條件就是系統(tǒng)濾波網(wǎng)絡(luò)方面的潮流方程。通過算例來看，假設(shè)濾波源等值阻抗是Zeq，對沒有頻偏狀態(tài)下的基波以及諧波潮流方程進(jìn)行建立，其公式如下：

2.2 不等式約束條件

在對風(fēng)電系統(tǒng)的無源濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，主要的不等式約束條件就是根據(jù)相關(guān)規(guī)定對總諧波含量以及系統(tǒng)諧波含量進(jìn)行允許值的計(jì)算。首先是對35KV 單次諧波電壓含量不超過公用電網(wǎng)諧波含量最大允許值的情況進(jìn)行計(jì)算，以下是其計(jì)算公式：

在以上公式中，當(dāng)母線為35KV 條件下，電壓總諧波畸變率的具體規(guī)定值用D 表示。

2.3 目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化

首先是諧波抑制方面目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，具體優(yōu)化過程中，可通過傳統(tǒng)方法對實(shí)際的濾波效果進(jìn)行衡量，也就是保障濾波總畸變率最小，其公式如下：

其次是無功補(bǔ)償方面目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化，在無源濾波器中，無功補(bǔ)償方面的容量不僅需要保障系統(tǒng)功率因數(shù)與1 接近，同時(shí)又要保障不出現(xiàn)過補(bǔ)償情況，因此有：

在以上公式中，風(fēng)電系統(tǒng)的無源濾波器所能提供的最小基波無功用Qmin 表示，這個(gè)無功功率可以滿足風(fēng)電系統(tǒng)最低的功率因數(shù)需求；風(fēng)電系統(tǒng)的無源濾波器所能提供的最大基波無功用Qmax 表示，這個(gè)無功功率可以讓風(fēng)電系統(tǒng)中的功率因數(shù)和1 無限接近[2-3]。

因?yàn)閷︼L(fēng)電系統(tǒng)中的無源濾波器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)非線性過程，且有著很多的優(yōu)化目標(biāo)，所以在具體的優(yōu)化過程中，風(fēng)電企業(yè)可借助于MATLAB 形式的優(yōu)化工具箱來進(jìn)行優(yōu)化，以編程的形式來對風(fēng)電系統(tǒng)中的無源濾波器進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。通過這樣的方式，就可以讓無源濾波器獲得良好的優(yōu)化效果。

3 結(jié)語

綜上所述，在風(fēng)電行業(yè)的不斷發(fā)展中，隨著電網(wǎng)的擴(kuò)展和并網(wǎng)等工作的開展，系統(tǒng)諧波情況也越來越常見。在對風(fēng)電系統(tǒng)諧波進(jìn)行治理的過程中，無源濾波器是一種主要的治理設(shè)備。所以，風(fēng)電企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)對無源濾波器的設(shè)計(jì)及其參數(shù)優(yōu)化。通過這樣的方式，才可以讓風(fēng)電系統(tǒng)諧波問題得以有效治理。