風電場中電力無源濾波器設計與優化策略

賴迎 涂繼昭

國家電投集團江西電力有限公司高新清潔能源分公司 江西南昌 330000

在風電系統的應用和發展中，隨著電場容量的不斷擴大，風電場并網給系統電力帶來的影響也越來越大，其中，一個最主要的影響就是電力諧波。因此，在具體的風電系統應用過程中，風電企業應加強對電力諧波的重視，并通過無源濾波器的合理設計和優化來提升諧波治理效果，以此來保障風電系統的正常運行，在滿足用戶需求的基礎上提升風電企業經濟效益。

1 風電場電力無源濾波器的設計分析

在對風電場內的無源濾波器進行設計時，基本應該遵循以下的幾個設計步驟：

在濾波器加裝之前，應該對風電網絡中的諧波情況進行全面分析，以此來獲得各次的諧波電流和諧波電壓等的這些計算數據。

對風電系統所需要的濾波器機組以及無功補償容量進行安裝方案的初步確定。在對風電系統中的無功補償容量進行計算的過程中，主要可通過估算法來進行容量Q 的估算。假設在濾波器加裝之后，系統中的功率因數取值需要根據實際的工作情況來進行確定，則可以通過以下公式來進行容量Q 的估算：

在以上公式中，風電系統中的有功負荷用P 表示，濾波器加裝之前的系統功率因數角用 0φ 表示，加裝之后的因數角用 1φ 表示。

在對濾波器機組進行安裝的過程中，其具體的安裝方案和風電網絡諧波源及其諧波分析有著直接關系。通常情況下，在風電場中，諧波源都屬于變流器。比如，在六脈整流形式的變流器中，就可以進行5 次和7 次單調諧波器的裝設，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置在系統中，其調諧作用通常在7-12 次[1]。

按照相應的計算結果進行無源濾波器機組中每一個濾波器實際參數的計算。首先是單調諧波形式的濾波器計算，在具體計算中，通過調諧次數、電容器的額定電壓以及n 次諧波電流來進行電容量Qc 的確定，最后再對電容C、電阻R 以及電感L 進行求解，其具體計算公式如下：

在以上公式中，電容器自身的額定電壓用UN表示，第n 次諧波產生的電流值用In表示，基波角頻率用 0? 表示，調諧銳度用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過補償現象，防止電力事故。在確定了單調形式的諧波器參數之后，就可以對高通濾波器進行基波無功輸出的計算，假設無功輸出是Q（H），在具體計算中，可通過以下公式進行計算：

校驗選擇的電壓以及電流參數，如果發現參數不符合實際需求，則需要對其再一次調整并校驗，一直到完全與實際運行過程中的安全要求相符為止。

2 風電場無源濾波器的優化

2.1 等式約束條件

在對風電系統的無源濾波器進行設計的過程中，主要的等式約束條件就是系統濾波網絡方面的潮流方程。通過算例來看，假設濾波源等值阻抗是Zeq，對沒有頻偏狀態下的基波以及諧波潮流方程進行建立，其公式如下：

2.2 不等式約束條件

在對風電系統的無源濾波器進行設計的過程中，主要的不等式約束條件就是根據相關規定對總諧波含量以及系統諧波含量進行允許值的計算。首先是對35KV 單次諧波電壓含量不超過公用電網諧波含量最大允許值的情況進行計算，以下是其計算公式：

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

2.3 目標函數的優化

首先是諧波抑制方面目標函數的優化，具體優化過程中，可通過傳統方法對實際的濾波效果進行衡量，也就是保障濾波總畸變率最小，其公式如下：

其次是無功補償方面目標函數的優化，在無源濾波器中，無功補償方面的容量不僅需要保障系統功率因數與1 接近，同時又要保障不出現過補償情況，因此有：

在以上公式中，風電系統的無源濾波器所能提供的最小基波無功用Qmin 表示，這個無功功率可以滿足風電系統最低的功率因數需求；風電系統的無源濾波器所能提供的最大基波無功用Qmax 表示，這個無功功率可以讓風電系統中的功率因數和1 無限接近[2-3]。

因為對風電系統中的無源濾波器進行參數優化是一個非線性過程，且有著很多的優化目標，所以在具體的優化過程中，風電企業可借助于MATLAB 形式的優化工具箱來進行優化，以編程的形式來對風電系統中的無源濾波器進行參數優化。通過這樣的方式，就可以讓無源濾波器獲得良好的優化效果。

3 結語

綜上所述，在風電行業的不斷發展中，隨著電網的擴展和并網等工作的開展，系統諧波情況也越來越常見。在對風電系統諧波進行治理的過程中，無源濾波器是一種主要的治理設備。所以，風電企業應該加強對無源濾波器的設計及其參數優化。通過這樣的方式，才可以讓風電系統諧波問題得以有效治理。