风电系统抑制谐波措施探究:抑制谐波的措施
时间：2019-05-03 03:14:55 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：针对风力发电系统的输出功率易受到风速情况的影响，具有随机性、间歇性等特点，提出运用无源滤波器（PPF）、有源滤波器（APF）来抑制风电系统谐波，改善风电电能质量。运用MATLAB软件对PPF和APF的谐波抑制效果进行了仿真，验证了PPF和APF在风电系统谐波抑制方面具有良好的效果。
关键词：风电系统；谐波抑制；PPF；APF
1、引言
随着经济社会的发展进步，人类对能源的需求量越来越大。世界能源危机和环境污染日趋严重，在这样的背景下，可再生、无污染的风能利用开始在世界各国崛起。我国幅员辽阔、地形复杂，风能资源储量丰富，在我国大力发展风力发电技术、实现对风能的综合利用是解决能源危机与环境污染问题的最有效途径之一。
但是，风力发电系统的原动力来自自然界的风，而风具有间歇性、随机性等特点，这就导致了风力发电系统的输出电流不稳定，这一缺点限制了风力发电系统的推广使用。由于谐波的存在，增加了系统中元件的谐波损耗，降低了发电、输电、供电及用电设备的效率；大量的高次谐波流过中线时会产生线路过热，导致绝缘损坏以致引起火灾。谐波影响电气设备的正常使用，会使旋转电机和变压器发生机械振动、噪声和谐波过电压，可能缩短电机寿命，甚至损坏电机。
当谐波频率与输电系统固有的特征频率一致时，会放大谐波分量，增加设备的附加损耗和发热，造成设备故障。谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，电流波形的畸变会明显影响断路器的断路容量，延长故障电流切除时间，造成快速重合闸之后的电弧重燃。此外，谐波对控制交流或直流电机转速的调速驱动器造成致命损坏，干扰仪表和电能计量，造成较大误差，甚至影响到电力系统与用户之间的利益分配问题，有事还会影响电力线路通信问题。
总之，并网风力发电系统会给主电网带来严重的谐波问题，对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在威胁。针对此问题，本文提出了将无源滤波器（PPF）和有源滤波器（APF）运用在风力发电系统谐波抑制中，并运用MATLAB软件进行仿真，验证了该方法的可行性。
2、滤波器原理简介
2.1 无源滤波器（PPF）简介
无源滤波器（PPF)通常是由滤波电容器、电抗器以及电阻器等无源元件构成的滤波装置。电力系统中一直沿用的谐波抑制和无功补偿方法是将无源滤波器并联在需补偿的非线性负载上，使滤波器对某些谐波频率发生谐振形成低阻通路，相应的谐波电流大部分流入无源支路，从而减小流入电网内的谐波电流，而且还能够在滤除谐波的同时补偿无功功率[1-2]。
由无源滤波器的工作原理可以知道，无源滤波是通过调整滤波回路的电感L与电容C的值，使其对某一特定频率的谐波产生谐振，从而形成通路，达到滤波的目的。谐振频率依赖于元件参数，滤波器中所用到的电感、电容的参数不变，滤除的谐波的频率就固定不变，这样就会对谐波次数经常变化的负载起不到预期的滤波效果。如果再考虑到电力系统运行工况、调谐偏移、滤波器过载以及可能与系统阻抗发生谐振等不利因素的影响，无源滤波器的滤波效果就更难以保证了，这些是无源滤波器的缺点。
2.2 有源滤波器（APF）简介
有源滤波器（APF）主要由谐波电流的检测电路、电流跟踪控制电路和补偿主电路(变流器)等构成，其结构图如图1所示。检测电路的主要功能是从负载电流中实时地将谐波电流分量从检测电流中分离出来，并将其反相后作为补偿电流的指令信号。跟踪控制电路的建立原则是使主电路产生的补偿电流能够动态地跟踪指令信号，然后计算出经驱动电路后各开关器件上的触发脉冲，把触发脉冲作用于补偿主电路，产生实际的补偿电流，使电网电流成为只含有基波分量的正弦波电流。
有源电力滤波器是一种主动型的补偿装置，具有良好的动态性能。作为改善供电质量的一项热门技术，已经在美国、日本等发达工业国家已广泛应用，并且单机装置的容量和谐波补偿的次数也逐步提高，其应用领域不断向改善整个电力系统电能质量的方向发展。有源滤波器具有滤波性能不受系统阻抗和电网频率的影响；能够动态、迅速地对谐波的频率和大小的变化进行补偿，一台装置就能完成各次谐波的治理，同时可以对多个谐波源进行集中治理；不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果等特点。
3、MATLAB仿真研究
搭建如图2所示的风力发电系统仿真模型，以Ｃ相为例，示波器显示未装设滤波器之前电流波形如图３所示，装设高通滤波器后的电流波形如图４所示。从图３可知Ｃ相的电流波形在一定程度上发生了畸变，分析结果显示补偿前电流畸变率为10.96%，波形畸变严重，电能质量不合格。图４中经无源滤波器补偿后的电流波形畸变率只有4.57%，极大程度上改善了电能质量。图5中经有源滤波器补偿后的电流波形畸变率只有2.03%，更大程度上提高了电能质量。
4、结论
本文针对风电系统中电能畸变严重的问题，首先提出采用装设无源滤波器来改善电能质量的方法，通过MATLAB仿真结果可知装设无源滤波器可以有效抑制谐波，极大程度上改善电能质量。但是，考虑到无源滤波器具有很多缺点，比如一旦确定了无源滤波器中的电感L和电容C的参数，那么该滤波器所针对的频率是一定的，无法很好地进行动态跟踪，具有一定的局限性。为此，提出了采用有源滤波器进行补偿，以克服无源滤波器的缺点，同时更好地滤除风力发电系统的谐波，改善电能质量。这一方面提高了风力发电的供电可靠性，另一方面为风力发电系统并网运行提供了一定的技术支持。
参考文献
[1]夏道止，沈赞埙．高压直流输电系统的谐波分析及滤波[M]．北京：水利电力出版社，1994.
[2]Adamson C. High voltage direct current converters and systems[M]. Macdonald & Co. Ltd.,1965.
[3]周昊,王毅.电力有源滤波器(APF)控制方法研究及MATLAB仿真[J].仪器仪表标准化与计量,2006：9-11.
