風力發電系統中有源濾波技術的應用研究

摘 要：本文研究了有源濾波技術在風力發電系統中的應用，旨在解決諧波問題并提高電能質量。本文介紹了有源濾波器的原理、分類和關鍵技術，分析了風能系統的諧波特性及其危害，并開發了有效的有源濾波器。該濾波器通過實時監測和補償諧波電流，實現了諧波的有效抑制。本文還探討了無差拍控制策略在有源濾波器中的應用，提高了控制精度和響應速度。研究結果表明，有源濾波技術對提高電能質量和電網穩定性具有重要意義，為風力發電系統的諧波治理提供了重要參考。

關鍵詞：風力發電系統；有源濾波技術；諧波抑制；電能質量；控制策略

中圖分類號：TN 71 文獻標志碼：A

可再生能源的開發和利用已成為世界許多地區的研究課題。風能作為清潔的可再生能源之一，應用范圍逐漸擴大。隨著風力發電機組容量不斷增大、風力發電機組的非線性特性以及電網環境日益復雜，風力發電機組在并網過程中會產生大量諧波負載，這不僅會影響電網的穩定運行，還會對風力發電機組本身造成損害。如何有效抑制和消除風力發電機組的諧波負載是目前風電技術最重要的研究領域之一。

一種新型的諧波治理技術——有源濾波技術，通過實時檢測電網中的諧波電流，并產生均衡電流對其進行補償，從而抑制和消除諧波。與傳統的無源濾波技術相比，有源濾波技術具有動態響應快、補償效果好、適應性強等優點，可廣泛應用于風力發電機組。

為驗證有源濾波技術的實際應用效果，本文以重慶武隆風電場為例進行深入剖析。重慶武隆風電場作為國家能源局支持的風電試點項目，在引入有源濾波技術后，成功實現了對風電系統諧波的有效抑制。該技術的應用不僅顯著提升了風電場的電能質量，還增強了電網的穩定性，減少了設備故障，提高了整體運行效率。有源濾波裝置在武隆風電場中的部署有效降低了諧波含量，使電網電壓波動得到明顯控制，確保風電場向電網輸送的電能質量符合國家標準。

1 有源濾波技術

1.1 有源濾波技術的基本原理

有源濾波器通常由電流檢測電路、控制系統和功率轉換器（例如PWM逆變器）等關鍵部件組成。電流檢測電路負責實時監測主電流并準確檢測諧波。控制系統利用諧波電流檢測數據計算偏移電流波形，該波形由特定算法生成。功率變流器根據控制系統的指令產生所需的偏置電流，并將其饋入電網。

有源濾波是由RC元件與運算放大器組成的濾波器，也稱為RC有源濾波器，其功能是讓一定頻率范圍內的信號通過，抑制或急劇衰減此頻率范圍以外的信號。可在信息處理、數據傳輸、抑制干擾等方面應用，但受運算放大器頻帶限制，這類濾波器主要用于低頻范圍[1]。

1.2 有源濾波器的分類

1.2.1 并聯型有源濾波器

有源并聯濾波器（APF）是一種電力電子裝置，用于電網消除諧波和改善電能質量。APF的原理是產生在相位和幅值上與非線性負載電流匹配的補償電流，以補償諧波電流，從而達到濾波目的，詳細情況見表1。

1.2.2 串聯型有源濾波器

串聯有源濾波器SAPF主要用于解決諧波問題，尤其是在需要對帶有諧波源的負載進行補償的情況下[2]。SAPF通過畸變負載的供電電壓來控制供電電壓互感器，從而通過電壓減少與負載諧波電流相關的諧波，進而達到均衡或減少電力系統中諧波電流的目的。

1.3 有源濾波器的關鍵技術

有源濾波器必須先準確確定市電電流的諧波和無功分量。為此，通常要對市電電流進行實時監測，將模擬電流信號轉換為數字信號，并輸入高速數字信號處理器DSP進行處理；DSP采用先進的算法（例如ip-iq算法）將諧波從基波信號中分離出來[3]。

脈寬調制（PWM）控制技術根據經DSP處理的指令信號，通過電機電路驅動主電路中的IGBT或IPM功率模塊，以產生極性相反、幅值與諧波網絡電流相同的補償電流。

主電路通常采用橋式PWM轉換器結構，例如三相橋式PWM電壓轉換器。這種結構可實現高效的功率轉換和補償電流生成[4]。為確保有源濾波器長期穩定運行，在設計主電路時必須考慮散熱、電磁兼容性（EMC）和安全性等因素。現代有源濾波器通常采用基于DSP和FPGA的數字控制系統，以實現高精度、高速度的控制和數據處理。它們的工作原理如圖1所示。

2 風力發電系統中有源濾波技術的應用研究

2.1 風力發電系統諧波分析

風能系統中的諧波主要由內部電力電子設備和控制系統引起。風力發電機通常使用變流器來控制轉速和功率[5-6]，而變流器、變壓器和其他電力電子設備在運行過程中會產生大量諧波。風能系統中的無功功率補償器、濾波器和其他設備也會產生諧波。風能系統中諧波的存在對系統穩定性和電能質量有重大影響。諧波主要是由風力渦輪機的非線性特性和廣泛使用電力電子設備造成的。

基于傅里葉變換的諧波分析方法被廣泛使用。傅里葉變換可以將時域的電壓和電流信號轉換為頻域的頻譜，從而使每次諧波的幅值和相位信息清晰可見，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為固定分量的幅值；an和bn為九次諧波的正弦分量和余弦分量的幅值；ω為基波信號的角頻率；t為時間。

風力發電系統諧波具體描述見表2。

2.2 諧波檢測與指令合成

在ip-iq檢測方法中，PLL模塊首先實時監測電網的負載電壓相位，以確保電流檢測的準確性。然后利用轉換矩陣Cαβ將三相固定坐標系中的電流信號（ia、ib、ic）轉換為兩相固定直角坐標系αβ中的電流信號。其次，利用轉換矩陣C將αβ坐標系中的電流信號轉換為pq旋轉坐標系中的 ip和iq 分量。 ip和iq 分量代表電網負載的有功電流和無功電流。

低通濾波器（LPF）在這一過程中發揮重要作用，它可以濾除高頻諧波分量，保留低頻基波分量。通過這種方法，可以精確識別電網負載的諧波電流[7]。

MPPT算法（最大功率點跟蹤）可確保風力渦輪機在不同風速下始終以最大功率運行，從而優化風力渦輪機的生產效率。

控制合成過程如下。將通過MPPT算法得到的有效電網電流D與有效負載電流D合成，并通過低振蕩因子濾波，得到電網控制電流的有效部分。諧波電流的極性被反轉（即移位）并加入有效部分，從而獲得整個電網的相關控制電流[8-9]。

這一過程通過坐標變換矩陣Cβ和C-1的反變換來獲得三相參考電流ia "ref、ib " ref、ic "ref。這些參考電流用于驅動風力發電機的并網逆變器，以產生與電網負載電流對應的電網電流，并補償無功電流和諧波，從而提高風力發電機的輸出功率。無功與諧波電流檢測在瞬時功率理論的示意圖如圖2所示。

2.3 無差拍控制策略

連續時間電流方程（基于基爾霍夫定律）如公式（2）所示。

dtdi（t）=-LRin（t）+L1（Ug-Ui（t）） （2）

離散化后的電流方程如公式（3）所示。

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

定義α=1-LRT，β=LT。?

無差拍控制的調制電壓矢量如公式（4）所示。

Ui（k）=β1（-iref+aig（k））+Ug（k） （4）

式中：iref為參考電流。

無差拍控制策略是一種廣泛應用于電力電子系統，尤其是三相PWM轉換器的實時控制技術，可在每個采樣瞬間精確匹配逆變器輸出電流與預定的參考電流（IREF），并消除相位和幅值偏差[10]。

無差拍控制策略基于動態逆變器模型，通過預測下一次采樣時的系統狀態（通常是電流）來生成控制指令。針對并網三相PWM逆變器，逆變器的輸出電流可根據基爾霍夫定律建模。根據系統參數（例如電阻Rg和電感Lg）和采樣周期Ts，可建立連續時間方程，其中α和β是常數，取決于系統參數和采樣周期。

在非參數差分控制下，控制目標是使逆變器輸出電流ig（k+1）等于參考電流iref。在公式（3）中，設置為ig（k+1）與iref相等，即可得到所需的調制電壓矢量Ui（k）。該調制電壓矢量用于控制逆變器電路，以獲得所需的輸出電流。

圖3為非均勻差分控制策略的框圖。在該框圖中，參考電流iref與電流ig（k）以及與系統參數和采樣周期相關的常數α和β一起用于計算所需的調制電壓矢量Ui（k）。利用該調制電壓矢量控制逆變器耦合，以獲得所需的輸出電流[11]。

2.4 有源濾波技術的控制策略與優化

有源濾波技術在風力發電系統中的應用依賴一系列控制策略來確保其高效和準確的諧波補償。常見的控制策略包括瞬時無功功率理論和多種諧波檢測算法，例如傅里葉變換和小波變換。瞬時無功功率理論基于三相瞬時功率理論，能夠快速、準確地檢測電力系統中的諧波和無功電流[12]，特別適用于三相平衡系統，對電網電壓畸變不敏感。而諧波檢測算法對電壓或電流進行采樣和計算，提取諧波分量，為有源濾波器提供補償指令，適用于不同頻率的諧波補償。

瞬時無功功率理論在三相平衡系統中表現出色，但在非線性負載或不平衡系統中可能需要額外的補償措施。而諧波檢測算法，尤其是FFT算法，在穩態諧波分析方面表現出色，但在非穩態或快速變化的情況下性能受限。

3 案例分析

重慶武隆風電場的三相風力系統面臨電流諧波問題，這些諧波不僅影響電能質量，還可能對電網設備和風力渦輪機造成損害。此外，隨著風速變化，如何快速準確地調整風力發電機的有功功率輸出，以達到最大功率點（MPPT），也是亟待解決的問題。

為了改善電能質量并優化功率輸出，本文采用了MATLAB/

SIMULINK進行仿真研究，比較了無脈沖微分控制與傳統磁滯控制在電流控制方面的性能。仿真結果顯示，無脈沖微分控制在響應速度和精度方面均優于磁滯控制，為優化電流控制提供了新思路。本文還分析了有源電力濾波器（APF）在改善系統電能質量方面的效果。APF通過檢測和補償諧波，能夠有效抑制電流中的諧波成分，提高風力發電機饋入電網的電能質量。

通過引入無脈沖微分控制算法，實現對風力發電機電流的快速、精確控制，提高了系統的響應速度和穩定性。采用ip-iq方法的瞬時功率原理，結合APF，實現對風力發電機電網中諧波的有效抑制，提高了電能質量。

由圖3可知，無脈沖微分控制在響應速度和精度方面均優于磁滯控制，圖4和圖5分別展示了應用APF前后風力發電機電網中電流諧波幅值和并網電壓中諧波幅值的對比。從圖4（a）和圖5（a）中可以看出，濾波前的電流和電壓均含有大量諧波成分。然而，在應用APF后（圖4（b）和圖5（b）），諧波得到了有效抑制，電流畸變率和電壓畸變率顯著降低，電能質量得到顯著提升。

最大功率點跟蹤（MPPT）實現：系統運行5s后，當風速從11m/s降至9m/s時，圖6顯示系統的有功功率輸出能夠快速、準確地跟隨風速變化，并達到最大功率點（MPPT）。這證明了無脈沖微分控制算法在MPPT實現中的有效性。

4 結語

重慶武隆風電場作為本文的研究重點，其成功引入有源濾波技術的實踐，不僅為風電場自身帶來了諧波污染的有效治理，還顯著提升了電網的電能質量，保障了風電場與電網間的和諧共生。這一案例的成功實施不僅驗證了有源濾波技術的先進性和實用性，也為其他風電場提供了寶貴的參考和借鑒。通過MATLAB/SIMULINK平臺上的仿真試驗表明，在并網功率控制過程中，系統能夠通過無脈沖差分控制策略快速、準確地控制設定點電流，從而確保風力發電機高效、穩定地運行。本文提出的控制策略具有良好的動態性能，尤其是當風速發生變化時，系統的有功功率能快速響應，應對風速波動，實現最大功率點跟蹤（MPPT），提高了風能系統的能量利用率。本文提出的控制策略還能補償電網中的超諧波波動。通過使用有源能量濾波，系統可以降低電網中電流和電壓的諧波成分，提高電能質量，確保電網穩定運行。

參考文獻

[1]董洪凱.風力發電系統預防性維修決策技術分析[J].電力設備管理，2023（15）：62-64.

[2]段同裕.風力發電系統中儲能技術的應用探究[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2023（6）：193-195.

[3]張宏偉.風力發電系統中應用儲能技術的分析[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2023（1）：30-33.

[4]高福偉.儲能技術在風力發電系統中的應用研究[J].電子制作，2022，30（4）：95-97.

[5]佚名.風力發電機組的變槳控制系統和變槳控制方法：CN202210905019.5[P].2024-06-14.

[6]許嘉雯.新能源風力發電系統中儲能技術的實踐應用[J].應用能源技術，2023（11）：43-47.

[7]查雨欣，林健，張樹龍，等.基于轉子動能的直驅式風電系統RoCoF下垂控制策略[J].陜西電力，2022（4）：50.

[8]任永峰，王金鑫，胡志帥，等.九開關UPQC與分散式風電一體化系統及控制方法：CN202210606375.7[P].2024-06-14.

[9]張坤，鐘偉，徐明，等.帶儲能的風輪機動態模擬系統及動模-實物一體化風力發電機組：CN202111418002.9[P].2024-06-14.

[10]滕浩哲.控制技術在風力發電系統中的應用[J].中文科技期刊數據庫（文摘版）工程技術，2022（3）：3.

[11]趙海亮.儲能技術在風力發電系統中的應用研究[J].電力設備管理，2022（24）：87-89.

[12]周飛龍.風力發電自動化控制系統中智能化技術應用的研究[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2022（10）：274-276.