海上风电场并网对暂态过电压和谐波谐振特性的影响_徐群伟.pdf

第 42 卷 第 2 期2023 年2 月Zhejiang Electric PowerVol.42，No.02Feb.25.2023海上风电场并网对暂态过电压和谐波谐振特性的影响徐群伟1，罗华峰1，梅冰笑1，刘浩军1，朱非白1，朱汉山2，陈向荣2（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.浙江大学 电气工程学院，杭州 310027）摘要：海上风电场并网易引起电力系统的谐波谐振问题，从而威胁到电网的安全运行。为此研究了海上风电场并网对陆上电网PCC（公共耦合点）暂态过电压和谐波谐振特性的影响，并提出了谐波谐振的治理方案。首先对浙江省某海上风电场并网工程进行PSCAD仿真建模。然后通过仿真计算得到并网系统在不同运行方式下的暂态过电压和谐波谐振特性。研究结果表明：在不同运行方式下，PCC暂态过电压标幺值最大值为2.1 p.u.，小于限制值3.0 p.u.，符合安全要求。最后采用在PCC处并联5次和7次低阻抗支路滤波器的谐波抑制策略，使得PCC谐波放大现象明显减弱，总谐波畸变率大幅下降，均小于1.5%，消除了27次低频谐波放大现象。关键词：海上风电场；暂态过电压；谐波谐振；并联滤波器DOI:10.19585/j.zjdl.202302001 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research on the impact of grid-connected offshore wind farms on transient overvoltage and characteristics of harmonic resonancesXU Qunwei1，LUO Huafeng1，MEI Bingxiao1，LIU Haojun1，ZHU Feibai1，ZHU Hanshan2，CHEN Xiangrong2（1.State Grid Zhejiang Electric Power Co.，Ltd.Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.College of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China.）Abstract:Grid-connected offshore wind farms are likely to cause harmonic resonances in the power system that jeopardize the safe operation of the power grid.To this end，the impact of grid-connected offshore wind farms on the transient overvoltage and harmonic resonance characteristics of the onshore power grid PCC（point of common coupling）is studied，and a harmonic resonance management scheme is proposed.Firstly，PSCAD simulation modeling is performed for a grid-connected project of offshore wind farms in Zhejiang Province.Then the transient overvoltage and harmonic resonance characteristics of the grid-connected system under different operation modes are obtained by simulation.The results show that the maximum per-unit value of PCC transient overvoltage is 2.1 p.u.，which is less than the limit value of 3.0 p.u.and meets the safety requirements.Finally，the harmonic suppression strategy of parallel connection with low impedance branch filters five times and seven times respectively at PCC that significantly weakens the harmonic amplification of PCC and reduces the total harmonic distortion rate to less than 1.5%，eliminating the second to seventh low-frequency harmonic amplification.Keywords:offshore wind farm；transient overvoltage；harmonic resonance；parallel filter0引言随着全球经济的迅速发展，能源需求的增多与传统化石能源（煤炭、石油、天然气）供应不足之间的矛盾日益显现。因此大规模开发利用风能、太阳能等可再生能源已成为实现可持续发展和“双碳”目标的关键1。风能发电因其具有零碳排放、无污染、可再生等特点，在全球新能源市场备受青睐。经过十几年的大力发展，我国风电装机容 大电网运行 基金项目：国网浙江省电力有限公司科技项目（5211DS22000F）第 42 卷量已跻身世界第一2。根据风场位置不同，可以分为陆上风力发电和海上风力发电。其中海上风力发电的优势是风力资源充沛、发电可利用小时数高并且不占用土地3。随着海上风电场并网技术的进步和成本降低，海上风电市场规模近十年迅速发展扩大。发达国家尤其是欧洲国家将风力发电的发展重心都转移到海上，目前已占据国际海上风电市场的主导地位4。我国国土辽阔，又有绵长的海岸线，近年来大力推动海上风电的发展，将逐渐形成陆上和海上风力发电并重的能源格局。随着海上风电场装机容量的增大，越来越多的电力电子设备接入电网，成为海上风电场主要的谐波源5-7。一方面由于风力的不可控性、随机性和间歇性，导致风力发电机的输出功率不平稳，加大了谐波的产生。另一方面相比于陆上架空线，海底电缆具有更高的对地电容，因而会存在较大的对地分布电容。较大的对地分布电容较易引起风电场与电力系统的谐波谐振问题，这将对风电场的安全运营产生威胁，导致过电压、过电流和元件过热损耗的问题，严重时甚至导致绝缘失效而引发严重的电力事故。同时，系统不同的运行方式，也将影响电力系统的谐波谐振情况。因此，在当前风电场谐波谐振问题愈发突出的背景下，本文对浙江省某海上风电场并网系统进行PSCAD仿真建模，分析海上风电场的接入对陆上电网PCC（公共耦合点）暂态过电压的影响，研究海上风电场并网系统在不同运行方式下的谐波谐振特性，并提出一种有效的海上风电场并网系统谐波谐振抑制策略。1谐波谐振和治理原理1.1谐波谐振设定系统等效电路如图1所示，图1中，R1、X1分别代表陆上电网等效电阻和等效感抗，R2、X2和R3、X3分别代表高压海缆连接风电场支路的等效电阻和等效感抗。对于PCC的等效电抗X的表达式如下：X=X1+X2X3X2+X3（1）由式（1）可知，当|X2+X3|等于零时，此时对应的频率为电气谐振频率，若背景谐波电流或风机谐波电流存在与之相等或相近的频率，则在该频率下发生谐波谐振放大现象。采用频率扫频法分析整个系统的谐波谐振放大问题，通过测量PCC的阻抗频率曲线，可以得到阻抗极大值对应的频率值8-9。因此，通过对PCC 的阻抗扫频，就可以得到 PCC 的谐振频率点，从而进一步针对性地选择谐振治理装置。1.2谐波谐振治理原理常用谐波治理措施：一是受端治理，提高电气设备或系统的抗谐波干扰能力，避免或减少谐波的影响；二是主动治理，减少产生谐波源的电气设备；三是被动治理，在系统的谐波源附近增加特定的滤波器，可减弱谐振频率下的谐波谐振放大现象10。实际工程中往往采用被动治理中的无源方法，即并联型低阻抗支路滤波器11-13。系统并联低阻抗支路滤波器电路如图2所示，在PCC处并联低阻抗支路滤波器，低阻抗支路滤波器也可成为单调谐滤波器，通常由电阻R、电感L和电容C串联而成，其阻抗Z在k次基波频率的表达式如下：Z=R+j(kw0L-1kw0C)（2）式中：w0为额定工频角频率；k为谐振谐波次数。k=1w0LC（3）图1 系统等效电路Fig.1 Equivalent circuit diagram of the system图2 系统并联低阻抗支路滤波器电路Fig.2 Circuit diagram of the parallel low-impedance branch filter2 第 2 期徐群伟，等：海上风电场并网对暂态过电压和谐波谐振特性的影响在k次基波频率下，低阻抗支路滤波器的阻抗值就等于电阻值R，k次谐波电流主要将通过低值电阻R分流。若存在两个频率下发生谐波谐振放大现象，则可以选择并联两个不同频率的单调谐滤波器，相当于一个双调谐滤波器。海上风电场往往发生比较严重的5次和7次谐波谐振放大现象，所以选择并联5次和7次单调谐滤波器是一种可行的方式。2基于PSCAD的系统仿真建模为了研究海上风电谐波过电压对电网安全性的影响，以浙江省某海上风电场并网系统为例，需要建模的系统拓扑如图3所示（图中略去风电场中66/35 kV变压器），主要包括：风电场、陆上电网和背景谐波电流源、高抗和 48 km 高压海缆、3.3 km 架空线，以及 220/110 kV 的 T1变压器、220/35 kV的T2变压器、220/35 kV的T3变压器，其中SCL表示海缆登陆点。海上风电场包括风电机组、变压器、海缆，其中风电机组的谐波特性随工况而变，具有较大的不确定性；而变压器和电缆结构是确定的，其电气参数的不确定性较小，可以精确建模。由于风电机组的谐波特性随工况而变，为了简化分析，需要建立确定的风电机组谐波模型。可以基于风电机组制造商（远景风机和湘电风机）提供的风电机组谐波实测数据建立风电机组的谐波模型14-16。根据谐波电流实测数据和滤波电路实际参数，可以推算出谐波电势有效值和谐波电流有效值。文中风电场是由一个远景风机和一个湘电风机并联连接的模型。从风机箱变的690 V（一次侧）看向风机侧，远景风机和湘电风机的谐波等值电路如图4所示，其中两种风机的等效电感L和电容C均一致，分别为0.0214 mH和668.4 F。两种风机的实测谐波电流值和谐波模型中的谐波等效电流，分别如表1表4所示。输电系统中三芯海缆模型参数设置如表5所示。图4 远景风机和湘电风机的谐波等值电路Fig.4 Harmonic equivalent circuits of wind turbines manufactured by Envision and XEMC表1远景风机实测谐波电流Table 1Measured harmonic current of wind turbines manufactured by Envision谐波次数234谐波电流/%0.50.80.3谐波次数567谐波电流/%1.60.20.9表2远景风机谐波模型中的谐波等效电流Table 2Harmonic equivalent current in the harmonic model of wind turbines manufactured by Envision谐波次数234谐波电流有效值/A17.729.410.6谐波次数567谐波电流有效值/A58.86.831.7图3 系统拓扑Fig.3 System topology3第