风力发电系统抑制谐波的措施

骁　拯　研究与交流　风力发电系统抑制谐波的措施　袁至王维庆　新疆大学（８３００４７）　Ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔ０　Ｓｕｐｐｒｅｓｓ　ｔｈｅ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｉｎ　Ｗｉｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｙｕａｎ　Ｚｈｉ　Ｗａｎｇ　Ｗｅｉｑｉｎｇ　ｘｉ　ｎ－　ｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　摘　要：主流的变速恒频风力发电系统采用了大量　即便在投入过程中软起动时要通过电力电子装　电力电子设备，会产生谐波，对电网造成不利的影响和危　置与电网相连，但此过程较短，基本可以忽略谐　害。而其他因素造成的谐波也会影响风力发电系统的正　波的影响。随着风力发电技术的不断进步，恒速　常工作。文章对谐波的主要来源进行分析，并提出对谐　波抑制的方法和措施。　机组逐渐被淘汰的同时，采用大容量电力电子设　关键词：风力发电系统双馈异步电机直驱式永　备的双馈式异步风力发电系统和直驱永磁同步　磁同步发电机谐波抑制　风力发电系统得到了广泛应用。直驱永磁同步风　中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ　力发电系统的交直交变频器采用可控ＰＷＭ整流　ＤＯＩ编码：１０．３９６９￣．ｉｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１２．０２．０１６　或不可控整流后接ＤＣ／ＤＣ变换，在电网侧采用　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｎｕｍｂｅｒ　ｏｆ　ｐｏｗｅｒ　ｅｌｅｃ—　ＰＷＭ逆变器输出恒定频率、电压的三相交流电。　ｔｒｏｎｉｃ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｓｐｅｅｄ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　而双馈式异步风力发电机定子绕组直接接入交　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｔｈａｔ　ｃａｕｓｅｄ　ａｄ—　ｖｅｒｓｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ａｎｄ　ｄａｍａｇｅｄ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｇｒｉｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｄｕｃｅｄ．　流电网，定子绕组端口并网后始终发出电功率，　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｒｅｓｕｌｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｏｔｈｅｒ　ｓｏｕｒｃｅｓ　ｗｏｕｌｄ　ａｌｓｏ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｄ　电网侧同样采用ＰＷＭ逆变器，而转子绕组端口　ｔｈｅ　ｗｉｎｄ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｍｉｎｇ　ｓｏｕｒｃｅ　ｏｆ　电功率的流向则取决于转差率。不论使用何种机　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｏ　组，都不可避免的产生谐波。随着以上两种机型　ｅｌｉｍｉｎａｔｅ　ｔｈｅ　ｈａｒｍｏｎｉｃｓ　ｗａｓ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　Ｄｏｕｂｌｙ—　的大规模应用，对并网后两种机型谐波抑制问题　ｆｅｄ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｄｉｒｅｃｔ　ｄｒｉｖｅｎ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　的研究便相应得到开展。　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ　１　双馈风力发电系统　风力发电系统所产生的谐波危害主要可分　为三方面，一方面主要表现在引起的电力系统局　１，１基本原理　部并联谐振，导致谐波分量放大从而使得电容器　双馈风力发电系统主要优点在于风力发电　等设备被烧毁；另一方面表现为造成风力发电系　机变速运行，可以在很宽的风速范围内保持近乎　统发电机和变压器等主要设备额外的发热，加速　恒定的最佳叶尖速比，从而提高了风力发电机的　绝缘老化，缩短使用寿命；最后表现在对风机控　运行效率，从风中获取的能量可以比恒速风力发　制系统产生干扰，影响风机的正常运行。其中，　电机高的多。这种风力发电机还有很多的优越陛，　早期投入使用的恒速风机由于没有电力电子器　其结构与绕线式异步发电机相同，可以吸收和发　件在运行过程中参与，所以基本没有谐波产生，　出无功功率，为系统无功功率和电压调节提供有　《电机技术》２０１２年第２期・５３・　研究与交流　效手段。能变速运行，提高能量转化效率，而且在　转速变化时，输出电压和频率可以维持不变。　如图１所示，双馈风力发电系统由风轮、增速　箱、双馈异步发电机、大功率变频系统以及主控　制器组成。双馈发电机并网后，定子电压等于电　网电压。而大功率变频系统为发电机转子提供交　流励磁，即转子电压由变流器提供，用来控制定　子的有功功率和无功功率。对于双馈型风机而　言，转子电流流动方向由转差率决定，转速低于　同步速时，转子绕组吸收无功功率；转速高于同　步速时，对外输出功率。其中，变频器的容量大约　为机组容量２５％一３０％。　—ｒ—■　ｊ转速反馈　至至　ｉ　…　…一　：’Ｉ　：＿＿’　ｉ　：…　一功率反馈　…‘　ｊ　　ｊ压力反馈　　：　；；　；　　；压力控制．　．ｉ　；　ｉ　；　；　；　囊髓角者黧　　广－＿　统　—　警　；　圃　图１　双馈风力发电系统基本结构图　１．２谐波来源　双馈风力发电系统的谐波来源：一是来自双　馈风力发电系统普遍采用的绕线式异步发电机　结构自身固有的齿谐波，气隙饱和等因素所导致　的气隙磁场非正弦分布也会引入谐波；二是由大　功率变频系统所提供的交流励磁产生，经定子侧　放大之后注入电网，是风力发电系统并网之后的　主要谐波来源；三是电网中的谐波也会对双馈风　力发电系统造成影响。国内外对双馈风力发电系　统谐波抑制措施的研究主要集中在以上三方面。　由发电机自身来分析，定子部分设计时需要　开槽，齿槽谐波便会由此产生。其它各种原因造　成的气隙磁场非正弦分布也会产生５、７次等奇次　谐波。转子侧变流器产生的谐波主要来自两方　面，首先来自控制器控制波形的畸变，通过谐波　的形式耦合于定子侧；其次开关谐波也是需要注　意的因素，其产生谐波的大小主要由ＰＷＭ调制　所决定。电网中的谐波也同样会对双馈风力发电　・５４・２０１２年第２期《电机技术》　系统造成影响，表现为电网电压谐波以及电压不　平衡等因素引起定子电流的谐波。　１．３谐波的抑制　对双馈风力发电系统谐波抑制措施的研究，　目前主要有：大功率变频系统的谐波抑制、发电　机的谐波抑制、采取辅助手段抑制风力发电系统　的谐波和对电网中谐波的抑制四个方面。　１．３．１大功率变频系统谐波抑制　对大功率变频系统谐波抑制措施的研究主　要从三方面着手：　（１）从变频器自身结构出发，传统变频器的　不可控整流电路会产生大量的谐波，所以双馈型　风力发电系统普遍在电网和转子侧采用双ＰＷＭ　变频器，不仅可满足风机变频器四象限运行的能　力，同时又能保证四分之一波形的对称性。从而　使需要抑制的谐波幅值为零，基波幅值保持为给　定值，以达到抑制谐波的目的。　（２）从加装谐波抑制装置的角度出发，常用　的有用于抑制特定次数谐波的ＬＣ滤波电路；用　于抑制高次谐波射频干扰以保证风机正常运行　的ＥＭＣ低通滤波器；在电源侧设置输入电抗器，　以提高电源阻抗，达到抑制谐波的目的。对于高　次开关谐波可以通过在双馈电机的转子侧或定　子侧加装简单的无源滤波器来滤除。在成本允许　的情况下，有源滤波器（ＡＰＦ）和静止无功补偿器　（ＳＶＣ）的加入能够大大提高谐波抑制的效率。　（３）对于控制波形的畸变带来的影响则可　以通过改善传感器性能的一系列辅助手段着手，　例如适当提高供电电源精度，以确保控制器正常　工作；增加屏蔽，减少干扰；校准零漂，保证传感　器准确的工作。　文献［１】给出综合采用以上谐波抑制措施以　后，国家电网在采用Ｍｗ级双馈风机的某风电场接　入点的谐波实测数据，谐波含量和总电压畸变率　均符合国家标准，达到了良好的谐波抑制效果。　１．３．２发电机谐波抑制措施　（１）从改进发电机本体方面来说，谐波抑制　的措施包括：定转子槽型、斜槽设计和采用磁性　槽楔，同时改进电机磁极设计来减小气隙磁场非　正弦分布的影响；增大定转子绕组的阻抗参数；　采用短距绕组和Ｙ．△混合绕组；转子上安装阻尼　绕组等。文献［３］验证了通过对绕组参数的合理选　择，混合绕组可以不同程度的减少谐波的影响。　（２）在装设谐波抑制装置方面：选择合适的　无源滤波器能较容易地滤除次数较高的齿谐波；　在定子侧加装高频电容器吸收高次谐波和尖峰　电压；通过感抗对高次谐波的衰减作用加装输出　电抗器，抑制对转子绕组的影响。　１＿３．３辅助的谐波抑制手段　常见的谐波抑制辅助手段有：在变压器一次　侧采用△接线以抑制了的整数次谐波，以及变压器　低压侧中性点接地，滤除部分零序谐波电流等。　１．３．４对电网中谐波的抑制　对于电网电压不平衡造成的影响，可以通过　不平衡控制策略来抑制电流中的谐波。　２　直驱风力发电系统　２．１基本原理　如图２所示，直驱风力发电系统采用永磁同　步发电机，同步转速低，电机转子可与风力机直　接相连，省去了电刷和传动齿轮箱等部件。同时，　电机直驱和全功率并网发电，其发电效率和运行　可靠性均得以较大幅度地提高。直驱永磁同步风　机因维护成本低、噪声小，所以越来越受青睐。　直驱永磁同步风力发电系统同样采用双ＰＷＭ变　频器，机侧变流器直接控制永磁发电机输出功　率，网侧变流器则控制直流侧母线电压。　图２直驱风力发电系统的基本结构图　２．２谐波来源　对于直驱风力发电系统而言，其网侧变流　器，普遍采用具有允许能量双向流动、网侧电流　研究与交流　谐波小、并网功率因数可控等优点的三相电压型　ＰＷＭ整流器，但不可避免仍有谐波产生。对于　机侧变流器，因开关频率较低的缘故，致使输入　和输出电流时的谐波含量达到了较高的程度。观　察永磁同步发电机自身的反电动势波形会发现，　其波形中的谐波含量较高。馈以正弦波电压后，　电流中的谐波含量也达到了较高水平。在大量　谐波的影响下，永磁同步发电机的铜耗和铁耗会　增加，直接导致机组效率下降，同时产生转矩脉　动，影响发电机的寿命以及正常运行。所以，对　直驱风力发电系统的谐波抑制，应放在网侧变流　器和机侧变流器这两部分中。　２．３谐波抑制　２．３．１机侧变流器的谐波抑制　（１）对在机侧滤波器的自身结构进行直接　改造，达到高效抑制谐波的目的，但成本较高，　应用有局限性。　（２）通过优化控制策略的手段来优化定子　电流的波形，如用基于空间矢量调制的电流滞环　反馈跟踪控制器来优化定子电流的波形，以及利　用谐振控制器稳态无差控制交流信号，结合传统　比例积分调节器，组成自适应比例积分谐振控制　器。在基频可变情况下结合相应控制策略，来抑　制定子电流中高幅值的谐波等。文献［５］通过实验　验证了该方案可行性和效果。此类手段普遍相对　其他手段较为复杂，在实际应用方面还不成熟。　（３）通过对ＰＷＭ调制算法的优化，对指定　次数的谐波进行滤除，缺点是只能滤除指定次数　的谐波。　２．３．２网侧变流器的谐波抑制　网侧变流器的谐波抑制通过对网侧滤波电　感的改进和通过控制器控制网侧变流器的谐波　两个方面着手。　（１）网侧变流器普遍采用的三相电压型　ＰＷＭ整流器，其谐波抑制与网侧滤波电感密切　相关。随着变流器功率的提高，一阶电感不再满　足滤波的要求。在中高功率应用场合，由于开关　频率较低，需要很大的电感值。电感值的增大直　接影响网侧电流变化率和系统动态性能，更是物　《电机技术》２ｏ１２年第２期・５５・　研究与交流　理条件和成本所不允许的。所以在大功率应用场　合用ＬＣＬ滤波器取代Ｌ滤波器的方法相应的也随　着研究的深入被提了出来。为了克，￥ｔＬＣＬ滤波器　（１２）：５１—５６．　堙彩ｇ　参　考　文　献　琶２鼢奄口　≯　１刘晓林．双馈型风力发电机的谐波抑制［Ｊ】．电工技术，２００９　存在零阻抗谐振点的缺点，采用无源和有源阻　尼两大类谐振阻尼办法。无源阻尼方法通过在电　容支路串联电阻来阻尼振荡，简单可靠；有源阻　尼方法能够避免不必要的效率损失，通过控制算　法来阻尼振荡，引入电容电压或电容电流反馈等　２万航羽，黄梅．双馈风力发电机建模及谐波分析［Ｊ］电气应　用，２００８，２７（６）：５３—５７．　３王　中，孙元章，李国杰，李志国．双馈风力发电机定子电流谐波　分析［Ｊ］电力系统自动化设备，２０１０，３０（６）：１－５．　４贾宏新，梅柏杉，刘海华兆瓦级双馈Ｊｘ【力发电机混合绕组谐波　分析ｆＪ］．大电机技术，２０１０（５）：２２—２５　５施刚，胡东，蔡旭．永磁直驱风力发电机变流系统的谐波　手段实现对谐振的阻尼，但控制算法较复杂。　（２）在控制器的研究方面，有通过给出静止　坐标系下用于谐波电流控制的谐振控制器，将比　分析…电机与控制应用，２００９，３６（５）：２８—３２　６肖　磊，黄守道，黄科元，陈自强，熊山直驱型永磁同步风　力发电机机侧变流器谐波抑制［Ｊ１ｌ中国电机工程学报，２０１１，３ｌ　（６）：３１－－３４　例谐振控制器应用于网侧变流器高次谐波电流　控制的方法，以及通过将谐振控制器引入同步旋　７王铁军，辜承林，赵镜红等用于抑制多相异步电动机定子谐波　电流的电抗滤波器［Ｊ】ｌ电工技术学报，２００６，２１（１】）：６５—７０　８陈希有，颜９粟梅，孙斌，徐殿国等．变频器输出滤波器的模糊优化设汁　尧，覃恒思等．矩阵变换器输入滤波器的多目标优　转坐标系—ＦＰＩ控制器中，达到对网侧变流器高次　谐波的控制等。　…．中国电机工程学报，２００３，２３（８）：３２．３９　化设计［［ＪＪ＿中国电机工程学报，２００７，２７（１）：７０—７５　３　结语　通过分析双馈风力发电系统与直驱风力发　电系统的基本原理，概括归纳了现阶段大规模应　ｌＯ屈莉莉，秦忆，杨兆华二相ＰＷＭ高频整流器主电路参数选　择东北电力技术［Ｊ］，２００２，２３（１）：４１—４３　１　１董晓鹏，王兆安．二相电压型单位功率因数ＰＷＭ整流器的研究．　电力电子技术ｆＪ】，１９９７，３１（４）：３９—４１．　１２陈瑶直驱型风力发电系统全功率并网变流技术的研究［Ｄ】　北京：北京交通大学，２００８．　用的两种风力发电系统谐波抑制措施的研究情　况，为进一步完善电力发电系统谐波抑制措施提　供了参考。　☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★（收稿日期：２０１１．１　Ｉ．２８）　作者简介：袁至，男，１９８４年生，新疆大学，锡伯族，在读硕士，研　究方向为风力机控制与电力系统继电保护。　☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆★☆　（上接第５２页）　电压、电流指示及过载保护的电动机尤为重要。　电动机轴承是否过热、缺油，若发现轴承附近　理；对绕线式电动机，要经常观察电刷与滑环问　的火花，如火花过大，及时清洁并检修。　（３）保持电动机在额定电流下工作。电动机　过载运行，主要是由于拖动的负荷过大，电压过　的温升过高应立即停机检查。要观察轴承的滚　动体、滚道表面有无裂纹、划伤或缺损，轴承间　隙是否过大晃动，内环在轴上有无转动等。出现　上述任一种现象都必须更新轴承后方可再行作　业。电动机在运行中是否发出焦臭味，如有，说　低，或被带动的机械卡滞等造成。　检查电动机三相电流是否平衡，其三相电流　任何一相电流与其他两相电流平均值之差不允许　超过１０％，以保证电动机安全运行。如超过则表　明电动机温度过高，应立即停机检查原因。　保持电动机的清洁，特别是接线端和绕组表　面，不允许水滴、油污及杂物落到电动机上。电　动机在运行中，进风口周围至少３ｍ内不允许有尘　土、水渍和其它杂物，以防吸入电机内形成短路，　损坏绝缘而烧毁电动机。　明电动机有故障，必须查明原因并排除。　参　考　文　献　１王３王敏运行中电动机的监测…．电机技术，２００５，Ｉ．　方．现代机电设备安装调试运行检测与故障诊断、维修管　２于丽萍．异步电动机运行的安全要点…电机技术，２００２，３　理实务全书［Ｍ］．金版电子出版社，２００４．　４钱卫东．电气设备［Ｍ］．北京邮电大学出版社，２００８，ｌ　（收稿日期：２０１１．１１．１７）　要定期测量电动机的绝缘电阻，特别是电　动机受潮后，绝缘电阻过低，应及时进行干燥处　．５６．２０１２年第２期《电机技术》