常亮亮，谢　毅，曾　萍，杨翠翠

（国网山西省电力公司，太原　030001）

风电场新型综合电能质量治理装置

常亮亮，谢毅，曾萍，杨翠翠

（国网山西省电力公司，太原030001）

针对风电场并网对电能质量的要求，研究了一种新型电能质量治理装置，其兼具电压无功控制和有源电力滤波的功能，既能对电压质量进行控制，又可以对谐波进行治理，大大改善了风电场并网的电能质量，降低了线路损耗，还能动态调节谐波阻抗，避免电网局部发生振荡。并通过接受自动电压无功控制系统指令实现闭环控制。仿真和现场调试的效果，满足了风电并网电能质量条件。

电能质量；有源电力滤波；电压无功控制；多目标优化

随着国家对新能源的开发利用，风电装机规模迅速增加，对电力系统形成了新挑战。由于风能的不可控性，风电经常扮演着逆调峰的角色。此外，风电场电能质量问题与传统火电相比，主要体现在电压闪变和谐波两个方面［1-3］，一是由于配置了数量众多的箱式变压器，对电网不仅不能提供无功，反而从电网吸收大量无功；二是大量采用了以电力电子为核心的整流逆变装置，谐波污染严重。现有无功补偿装置主要采用无功补偿电容器组、静止无功补偿装置SVC（static var compensa⁃tor）、静止无功发生器SVG（static var generator）。风电场在投产前要满足系统并网电能质量要求，就会投产SVC、SVG、电容器组和滤波器组等设备，这会造成部分功能重叠，重复投资，增加成本［4-8］。

本文提出一种适用于风电场的大功率电能质量治理装置，它兼具无功补偿和谐波抑制的功能，既能实现电压质量控制，又能实现谐波电流治理，可大大改善电网的电能质量，降低线路损耗。根据电网需求及时精准地自动控制风电场并网母线电压、改善电网无功分布、降少谐波电流，从而减低网损，提高电网安全经济优质运行。

图1　HSVQC电路原理框图Fig.1　Circuit principle block diagram of HSVQC

1　电能质量装置的拓扑结构

谐振注入结构电能质量综合治理装置HSVQC （harmonic suppress and voltage quality control）框图如图1所示，它由有载调压变压器OLTC（on load tap changer）、注入谐振支路、晶闸管控制电抗器TCR（thyristor controlled reactor）和并联有源滤波器APF（active power filter）组成，其中注入谐振支路由电容和电感谐振支路构成，TCR与串联谐振支路可实现无极调节。

HSVQC具有传统电压无功控制VQC（voltage and reactive power control）和SVC的功能。图1中，左虚框由载调压变压器与注入谐振支路构成VQC调节装置，右虚框由TCR与注入谐振支路构成SVC调节装置，APF与隔离变压器低压侧附加电抗La并联，通过耦合变压器与由Ln1、Cn1和Ln2、Cn2构成的串联谐振注入支路串联接入电网。与传统注入式结构相比，基波谐振支路替换为变压器并联附加电抗La，注入支路由注入电容换为串联谐振支路。由于串联谐振支路的存在，其有源部分不承受谐波电压，又因为附加电抗La与串联谐振支路Ln、Cn的基波阻抗相比很小，因此有源部分承受电压很低，所以该结构大大减小了装置有源部分的容量，使其更加适合应用于高压系统［9-10］。此外，串联谐振支路Ln1、Cn1和Ln2、Cn2还可以与附加电抗La构成另外2组单调谐，达到4组滤波器的效果，附加电抗并联在低压侧可以降低电抗器的投资。系统不仅能够调节电压、补偿无功和消除谐波，还可以动态地调节谐波阻抗，避免电网局部发生谐振，在动态治理谐波的情况下，对无功功率进行连续调节。

2　电能质量治理装置的工作原理

HSVQC系统的单相等效电路如图2所示。图中，负荷的谐波特性用一个谐波电流源ILh等效，电网谐波电压为USh，系统阻抗为ZS，变压器等效电抗为XT，有源滤波器APF为电压型逆变模块，输出电压为U，晶闸管控制电抗器为LS。APF通过发出与负载电流中的谐波成分相反的电流来达到谐波治理的目的。其中，Cn、Ln分别为串联谐振注入支路电容、电感，La为附加小电抗，L0为逆变器输出电感，Ls为TCR等效电抗。

图2　HSVQC系统单相等效电路Fig.2　Single phase equivalent circuit of HSVQC

从图2可以看出，有源逆变器部分通过耦合变压器与串联谐振支路串连接入电网。不接有源部分时U=0，系统的无功补偿特性由TCR和串联谐振支路决定，通过串联谐振投入组数与晶闸管投切角度控制可实现无功连续调整，电压平滑调节，具体特性不再赘述。接入有源逆变部分，控制U=KIsh，有源滤波器将发出谐波电流抵消系统所含谐波，使得电源电流不含谐波。在基波域附加电抗基波阻抗值小，有源部分承担很小基波电压，在谐波域有源部分不承受谐波电压，从而有效降低了有源部分的容量，有效控制系统的投资成本。

控制器通过控制U来实现Ish为0，控制指令U可以通过以下不同的补偿方式得到，即基于检测谐波源侧的控制策略U=KILh、基于电网谐波侧控制策略U=KISh以及基于电网侧电流ISh和谐波源侧 ILh的复合控制U=（α1ILh+α2ISh）K，其中 α1、α2、K分别为不同的控制系数，在确保系统稳定的基础上，采用复合控制方法合理有效地进行控制。

定义HSVQC谐波抑制性能函数H为

式中，ZSh、ZGh、ZRh、ZPh分别为电网阻抗、串联谐振注入支路等效阻抗、附加电抗电路阻抗和TCR电抗器阻抗。

HSVQC的谐波抑制特性可通过对式（1）幅频特性分析。令α1=α2=1，控制系数分别为K=0、K=10和K=20的谐波函数幅频特性如图3所示。

图3　不同K值时谐波抑制函数幅频特性Fig.3　Amplitude-frequency characteristics of harmonic suppression function with different K

从图3可见，当K=0时，补偿装置相当于只投入注入谐振支路和TCR，装置对特定频率的谐波及其高次谐波有较好的抑制作用，对角频率ω=2 000rad/s以下谐波抑制效果不理想，有的频率点甚至出现了放大现象；系统中存在3个明显的谐振频率点，当电网含有相应谐波时系统很容易发生谐振现象。当投入有源逆变器后，幅频特性曲线的幅值都减小，极大提高谐波抑制的效果，流入电网侧的谐波电流也减少很多，HSVQC在所有谐波频域段都有良好的稳态补偿特性。随着K值增大，系统的谐波抑制效果也变得更好，谐振点的幅值响应也明显降低，有效地抑制了电网可能发生的谐振现象。但是随着K值的逐渐增大，抑制效果并非成比例提高，而会使系统不稳定。

3　HSVQC多目标优化控制

HSVQC的控制目标涉及到电压、无功和谐波，多目标优化控制不再追求单一性能的最优，而从全局进行优化［11-12］，根据电网下发AVC控制指令，实现无功就地平衡；根据风电场并网电能质量谐波要求，控制谐波含量，从而提高系统的经济性和可靠性。优化目标以系统运行可靠为基础，控制目标以电压合格、无功达标、网损、电压波动和谐波含有率等各指标为目标限值，运用优化方法得到控制参数的最优解；以变压器分接头、晶闸管控制电抗器和有源电力滤波器为控制变量，建立配电网多目标优化控制模型。

考虑电压、无功、网损和谐波等目标限值，变压器分接头、晶闸管控制电抗器和有源电力滤波器为控制变量，HSVQC多目标优化控制数学模型可以表示为

目标函数表达式为

式中：f1（x）为电网AVC电压控制目标；f2（x）为电压波动性指标；f3（x）为系统网损指标；f4（x）为并网谐波指标；ω1、ω2、ω3、ω4分别为电压、无功、损耗和谐波函数的加权因子，其值取决于各分目标函数的数量级及重要程度，并满足ω1+ω2+ω3+ω4=1；Tt和Qc分别为变压器分接头和TCR无功出力；THDi为有源电力滤波器补偿后的电流畸变率，约束条件是控制变量不超其上下限；U∗、Q∗、δ、G（i，j）分别为参考电压值、无功值、功角和节点电压矩阵。

对HSVQC采用多目标优化控制算法分析，采用粒子群优化算法PSO（particle swarm optimiza⁃tion）得到一个最优解向量［13-14］，如表1所示。从表1中可以得到，单一目标优化设计只对某一种控制目标达到要求，其他目标不能保证，多目标优化算法将电压，无功、网损和畸变率加以综合优化，使各项并网指标都达到预定目标。

表1　优化前后各目标值比较Tab.1　Target comparison before and after optimization

4　HSVQC仿真与实验

根据某风电场系统参数，结合图1的拓扑结构搭建仿真模型，通过测量投运前后数据对对治理装置效果进行对比分析如表2、表3和图4所示。

表2　投运前后并网线路主要谐波电流畸变率对比Tab.2　Main harmonic current comparison before after HSVQC operation　A

表3　投运前后母线主要谐波电压对比Tab.3　Main harmonic voltage THD comparison before and after HSVQC operation %

图4　HSVQC投入前后的电流波形Fig.4　Current waveforms before and after HSVQC operation

由表2、表3可见，对HSVQC系统投入前后母线电压、并网电流对比分析，电压畸变率从3%变到1.5%，电流畸变率从13%变到3%。从图4可直观看出，电流波形趋于平滑，治理效果显著。

图5为多目标优化控制前后电压调节对比波形，Vpu1、Vpu2是投入装置前后的电压波动情况。由图可以看出，优化后效果显著，传统控制策略，在调节性能上电压的波动较大，响应时间较慢，特别是在电压无功控制死区，装置无法确定控制方式，延长了调节时间；优化后的控制策略响应时间缩短，稳定性提高。

图5　多目标优化前后的电压波形Fig.5　Voltage waveforms before and after multiobjective optimization optimization

通过风电场实验装置参数测量对比分析，HS⁃ VQC装置投运后与仿真效果一致，电流畸变率满足谐波并网要求，系统电压无功满足AVC控制目标。

5　结语

本文对风电场新型HSVQC电能质量装置拓扑结构进行了研究，系统工作原理展开分析，并在此基础上应用了多目标优化控制策略。

HSVQC兼具传统VQC和SVC的功能，在保证电压控制的同时，既能实现无功的连续调节，也能实现对谐波动态治理，采用电压无功谐波多目标优化控制策略，同时考虑电压、无功、谐波和网损等多个优化目标，使系统性能最优，效益最大，不仅提高了系统的控制精度，还有利于系统稳定。通过仿真和实验验证了HSVQC系统可行性和稳定性。

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New Integrated Quality Devices for Wind Farm

CHANG Liangliang，XIE Yi，ZENG Ping，YANG Cuicui
（State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，China）

For the wind farm requirements of power quality，This paper studies a new power quality control device，which is combined voltage control and harmonic suppression function.It can not only improves power quality，reduces line losses，but also avoids oscillation.Accepting the automatic voltage control（AVC）system control commands closedloop control is achieved.Simulation and experimental results meet the demand for power quality of wind power grid.

power quality；active power filter；voltage and reactive power control；multi objective optimization

TM614

A

1003-8930（2016）03-0082-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.03.015

常亮亮（1983—），男，硕士，工程师，研究方向为智能调度、电力系统运行与控制。Email：cll150@163.com

谢毅（1980—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统调度运行与控制。Email：xie_yi@sina.com

曾萍（1985—），女，硕士，工程师，研究方向为电力系统自动化控制。Email：zping0516@163.com

2014-05-20；

2015-07-16