CN104377699B - 用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统及方法。所述系统包括相互连接的并网变压器和滤波及无功补偿支路；所述并网变压器采用三绕组结构，并网变压器的一次侧采用星形接线，直接与电网连接；二次侧采用延边三角形接线，其中，二次侧延边绕组与风电场连接；二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的交接点处与滤波及无功补偿支路连接；所述滤波及无功补偿支路包括无源滤波器、电压源型逆变器和控制器；所述控制器用于检测风电场的并网点电压，并根据并网点电压的波动范围，控制电压源型逆变器工作在滤波模式或STATCOM模式。本发明在滤波和提高风电场低电压穿越能力的效果上和成本上具有明显优势，具有良好的社会和经济效益。

Description

用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统及方法

技术领域

本发明属于新能源并网领域，具体涉及一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统及方法。

背景技术

风能作为一种清洁无污染的可再生能源，在能源领域越来越受到各国的重视。随着风力发电技术的快速发展和国家在政策上对新能源产业的重视，我国风力发电建设已进入了快速发展的时期。随着风电场装机容量的增加，对电力系统的影响也会增大；由于风电机组采用了大功率的电力电子装置，其并网所产生的谐波污染是电力系统较为关注的热点问题；同时，由于目前我国风电场很多机组不具备低电压穿越能力，在电网发生故障时会导致系统电压降低，从而会引发风电场大规模脱网事故。

目前风电并网系统抑制谐波的措施普遍采用配置无源滤波器。这种方式在一定程度上可以满足滤波要求，但滤波效果易受电网阻抗和自身参数变化的影响，所以目前应用的滤波方案无法从根本上消除谐波电流对并网变压器的影响。有源电力滤波器虽然滤波效果比较理想，但是面临绝缘强度要求高、大容量化难度大，降低了系统的可靠性，初期投资成本很大，且实时滤波性能有待进一步的提高，在以后实际应用中还有许多关键问题需要解决。

在提高风电场低电压穿越能力研究方面，除了改进风电机组的控制技术以外，国内外目前主要依靠无功补偿装置减小风电机组在故障发生时刻对电网电压的影响，提高电网暂态恢复特性，如采用STATCOM(Static Synchronous Compensator，静止无功发生器)等。然而随着大型风力发电场装机容量和数量的增加，所需STATCOM容量也会相应增加，但是STATCOM大容量化难度很大，且投资成本会非常高，因此也需要有更合适的无功补偿方案来提高风电场的低电压穿越能力，维持风电并网系统的暂态电压稳定性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对目前风电并网系统中的技术不足，提供一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统及方法，提高风电场的低电压穿越能力，维持风电并网系统的暂态电压稳定性。

为实现上述技术指标，本发明所采用的技术方案如下：

一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统，包括相互连接的并网变压器和滤波及无功补偿支路；

所述并网变压器采用三绕组结构，并网变压器的一次侧采用星形接线，直接与电网连接；二次侧采用延边三角形接线，其中，二次侧延边绕组与风电场连接；二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的交接点处与滤波及无功补偿支路连接；

所述滤波及无功补偿支路包括无源滤波器、电压源型逆变器和控制器，所述无源滤波器和电压源型逆变器串联，其中，无源滤波器与并网变压器连接，电压源型逆变器与控制器连接；

所述控制器用于检测风电场的并网点电压，并根据并网点电压的波动范围，控制电压源型逆变器工作在滤波模式或STATCOM模式。

进一步地，所述无源滤波器由具有串联谐振特性的5次单调谐无源滤波器组成，并网变压器中的二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的每一个交接点连接一个5次单调谐无源滤波器。

进一步地，所述并网变压器的二次侧三角形绕组的等值阻抗近似为零。

进一步地，所述并网变压器二次侧三角形绕组的等值漏抗为零，所述无源滤波器与电压源型逆变器串联支路的等值阻抗为零。

进一步地，所述电压源型逆变器为两电平逆变器、三电平逆变器和多电平逆变器。

进一步地，预先设定一波动阈值和并网点参考电压，当控制器检测到的并网点电压与并网点参考电压的差大于一波动阈值时，控制器将电压源型逆变器切换为STATCOM模式；

当控制器检测到的并网点电压与并网点参考电压的差小于所述波动阈值时，控制器将电压源型逆变器切换为滤波模式。

一种使用以上所述的系统对风电场进行混合感应型有源滤波与无功补偿的方法，包括确立并网点参考电压和波动阈值，还包括以下步骤：

S1、控制器检测风电场的并网点电压；

S2、计算并网点电压与并网点参考电压的差值；

S3、判断所述差值与波动阈值的大小关系；

S4、当所述差值大于波动阈值时，控制器将电压源型逆变器切换为STATCOM模式；

当所述差值小于波动阈值时，控制器将电压源型逆变器切换为滤波模式。

本发明提供的系统及方法在风电场稳定运行时保证电网侧电能质量满足国标要求，抑制大型风电机组运行所产生的谐波，在电网发生故障时，可迅速补偿风电场所需要的无功功率，快速恢复风机端电压，从而保证在故障时间内风电场能够连续运行而不脱离电网，提高风电场的低电压穿越能力。

本发明可以消除系统阻抗及风电场功率波动对滤波效果的影响，提高电力滤波效能，从而有效地解决并网变压器附加损耗大、系统功率因数低、以及风电系统并网效率低等一系列问题。本发明在滤波和提高风电场低电压穿越能力的效果上和成本上具有明显优势，具有良好的社会和经济效益。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统的结构框图。

图2是本发明提供的一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统的工作原理图。

附图标记：

并网变压器1 滤波及无功补偿支路2 无源滤波器3

5次单调谐无源滤波器4 电压源型逆变器5 电网6

风电场7

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提出了一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统及方法。所述系统的结构如图1所示，包括相互连接的并网变压器1和滤波及无功补偿支路2。

所述并网变压器1采用三绕组结构，并网变压器1的一次侧采用星形接线，直接与电网6连接；二次侧采用延边三角形接线，其中，二次侧延边绕组与风电场7连接；二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的交接点处与滤波及无功补偿支路2连接。

所述滤波及无功补偿支路2包括无源滤波器3、电压源型逆变器5和控制器(未图示)，所述无源滤波器3和电压源型逆变器5串联，其中，无源滤波器3与并网变压器1连接，电压源型逆变器5与控制器连接。所述控制器用于检测风电场7的并网点电压，并根据并网点电压的波动范围，控制电压源型逆变器5工作在滤波模式或STATCOM模式。

在本发明中，电压源型逆变器5工作于哪种状态取决于检测到并网点电压的波动范围，若电网故障，导致风电场7的并网点电压波动较大，则电压源型逆变器5实现STATCOM的功能，提高风电场7并网点暂态电压稳定性，防止风电场7大面积脱网，增强大规模风电场7的低电压穿越能力。若并网点电压波动范围较小，则电压源型逆变器5主要是作为有源滤波器运行，与无源滤波器3组成混合感应型有源滤波器抑制风电场7产生的谐波，同时也能屏蔽来自电网6的谐波，具有双向滤波的功能。根据不同需要，电压源型逆变器5可选用两电平逆变器、三电平逆变器和多电平逆变器中的任一种，选取方式灵活多变。

具体地，电压源型逆变器5的工作模式切换方法如下：预先设定一波动阈值和并网点参考电压，并通过控制器持续监测风电场7的并网点电压，当控制器检测到的并网点电压与并网点参考电压的差大于所述波动阈值时，控制器将电压源型逆变器5切换为STATCOM模式；当控制器检测到的并网点电压与并网点参考电压的差小于所述波动阈值时，控制器将电压源型逆变器5切换为滤波模式。

本发明中滤波及无功补偿支路2中的电压源型逆变器5与无源滤波器3串联接在并网变压器1二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的交接点处，进一步地，所述并网变压器1二次侧三角形绕组的等值漏抗为零，所述无源滤波器3与电压源型逆变器5串联支路的等值阻抗为零。由于对并网变压器1进行了特殊的绕组布置和阻抗设计，其二次侧三角形绕组(谐波隔离绕组)的等值阻抗接近于零，在特征次谐波作用下，滤波及无功补偿支路2与并网变压器1的二次侧三角形绕组相当于“超导环路”，从靠近谐波源处抑制了谐波电流，因此抑制了流通并网变压器1的谐波磁通，从根本上消除了谐波的影响。

针对风电场谐波的特点，滤波及无功补偿支路2中的无源滤波器3由具有串联谐振特性的5次单调谐无源滤波器4组成，并网变压器中的二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的每一个交接点连接一个5次单调谐无源滤波器4。5次单调谐无源滤波器4可以滤除5次滤波外，还可以与电压源型逆变器5配合抑制5、7、11、13次谐波，可以达到风电场7的滤波要求；滤波及无功补偿支路中2的无源滤波器3承受大部分基波电压，并且起主要的滤波和无功补偿作用，而电压源型逆变器5的作用可分为两种：在风电场稳定运行时，电压源型逆变器5主要是弥补无源滤波器3的不足，提高谐波的跟随特性，改善无源滤波器3的滤波性能；当电网6发生故障时，风电场7并网点电压会跌落，此时电压源型逆变器5会被控制器投切到STATCOM模式投运，为风电场7提供大量的无功功率，使系统并网点电压快速恢复到故障前额定值，保证风电场7在一定时间范围内能够不脱网连续运行，有效地提高了大规模风电场7的低电压穿越能力。因此本发明可以有效地解决大规模风电场存在的谐波问题及故障时风机脱网问题。

根据以上原理，本发明还提供了一种使用以上所述的系统对风电场进行混合感应型有源滤波与无功补偿的方法，其包括确立并网点参考电压和波动阈值，还包括以下步骤：

S1、控制器检测风电场7的并网点电压；

S2、计算并网点电压与并网点参考电压的差值；

S3、判断所述差值与波动阈值的大小关系；

S4、当所述差值大于波动阈值时，控制器将电压源型逆变器5切换为STATCOM模式；

当所述差值小于波动阈值时，控制器将电压源型逆变器5切换为滤波模式。

下面将具体介绍本系统的控制方案：

用于控制电压源型逆变器的控制器的工作流程如图2所示，电网侧a相电压Usa经过电压锁相环后的信号Theta，通过sin&cos发生器为整个控制系统提供同步信号；电网侧三相电流i_Sa、i_Sb、i_Sc经DQ变换器和高通滤波器后，得到有功电流i_d、无功电流i_q，为整个控制系统提供电流信号；本发明中有源滤波及无功补偿的实现方法为首先检测大规模风电场并网点电压U_ac，与并网点参考电压U_acref作差得到dU_ac，若dU_ac大于波动阈值V_DB,说明电压跌落比较大，因此需要电压源型逆变器工作在STATCOM模式，与无源滤波器支路协调运行补偿风电场所需要的无功功率，稳定并网点电压。若dU_ac小于波动阈值V_DB，且大规模风电场并网点电压值V_ac在系统的最高额定电压V_upper和最低额定电压V_lower之间，则说明系统电压比较稳定，只需要电压源型逆变器工作在滤波模式，使风电场的电能质量满足国标要求。当大规模风电场并网点电压值V_ac大于系统的最高额定电压V_upper或小于最低额定电压V_lower时，电压源型逆变器重新投切到STATCOM模式。

本实施例中，是通过使用三个选择器的投切来切换电压源型逆变器的工作模式的。以下将详细描述各工作模式下的原理。

电压源型逆变器工作在滤波模式时的原理如下：有功电流i_d由电网侧三相电流通过DQ变换和高通滤波器得到；将直流侧电压参考值U_dcref与实际值U_dc作差，经PI调节后注入到无功电流i_q的分量上，得到无功参考电流i_q ^*，实现系统侧与电压源型逆变器直流侧的有功交换，稳定了直流侧的电压；将合成后的DQ轴电流经反DQ变换转化为ABC坐标系下的电流；再将ABC坐标系下的电流值与虚拟电阻K相乘，并将得到的值经PWM调制模块为电压源型逆变器提供脉冲信号，实现有源滤波器的功能。

电压源型逆变器工作在STATCOM模式时的原理如下：采用由内环控制器和外环控制器组成的双闭环结构。外环控制采用电压控制模式，检测到并网点电压跌落时，实测值U_ac与电压参考值U_acref相比会产生一个差值dU_ac。采用一个无静差的PI控制器作为外环电压控制器，通过调节PI参数控制dU_ac可以得到内环电流控制器的无功参考电流i_q ^*。同时，将直流侧电压参考值U_dcref与实际值U_dc作差得到dU_dc，经PI调节后得到有功参考电流i_d ^*，STATCOM交、直流侧的有功功率实现了交换，从而控制STATCOM直流侧电容电压稳定在参考值。内环控制器主要是电流控制环，对检测到的实际有功、无功电流分别与外环控制器所生成的有功、无功参考电流进行比较(即有功电流i_d与有功参考电流i_d ^*比较，无功电流i_q与无功参考电流i_q ^*比较)，得到有功、无功电流的差值，再经过一个无静差的PI调节器进行PI调节得到电压信号，然后将得到的电压信号经过解耦控制环节后得到其DQ轴上的电压值V_d、V_q，最后进行反DQ变换得到ABC坐标系下三相输出电压脉冲信号，与常数I相乘后作为电压源型逆变器的控制信号。最终通过PWM调制模块改变调制比及触发脉冲的相位，调节电压源型逆变器输出无功功率的大小，实现STATCOM的功能。

与现有技术相比，本发明所具有的优点和有益效果为：

(1)本发明在风电场安全稳定运行时主要起谐波抑制作用，支路上的5次单调谐无源滤波器，在基波频率下呈容性，起到了主要的滤波和无功补偿作用，且承受了大部分基波电压，故电压源型逆变器仅承受少量的谐波电压，因此大大降低了电压源型逆变器的容量，从而节省了投资成本；此外，可明显改善无源滤波器在偏离额定频率下偏调谐所带来的谐波性能下降的问题，还可以改善系统阻抗与无源滤波器易发生串联谐振问题，提高了系统的滤波性能；对于大规模风电场来说，本发明中的无源滤波器和与之串联的电压源型逆变器安装在新型并网变压器的二次侧三角形绕组(谐波隔离绕组)绕组上，能在最靠近谐波源处抑制谐波电流，可最大限度地减少谐波及无功对主要用电设备(尤其是并网变压器)的不利影响；因此本发明可以有效地解决谐波和无功对风电并网系统带来的谐波污染、功率因数低、风电系统并网效率低的问题。

(2)本发明在电网发生故障时，滤波及无功补偿支路起到补偿系统主要无功功率的作用，电压源型逆变器会作为STATCOM投运，灵活补偿风电场需要的无功功率，改善了无源滤波器无功补偿实时性不足的缺点，维持了系统电压稳定性，提高风电场低电压穿越能力；并且本发明中的电压源型逆变器的容量也会低于传统STATCOM，节省了投资。

(3)本发明可根据检测到并网点电压的跌落值范围，使电压源型逆变器灵活地选择工作在滤波模式还是STATCOM模式，因此对于应用在风电场来说，本发明具有极优的性价比。

(4)根据不同需要，本发明中的电压源型逆变器可选用两电平逆变器、三电平逆变器和多电平逆变器中的任一种，选取方式灵活多变。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统，其特征在于，包括相互连接的并网变压器和滤波及无功补偿支路；

所述并网变压器采用三绕组结构，并网变压器的一次侧采用星形接线，直接与电网连接；二次侧采用延边三角形接线，其中，二次侧延边绕组与风电场连接；二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的交接点处与滤波及无功补偿支路连接；

所述滤波及无功补偿支路包括无源滤波器、电压源型逆变器和控制器，所述无源滤波器和电压源型逆变器串联，其中，无源滤波器与并网变压器连接，电压源型逆变器与控制器连接；

所述无源滤波器由具有串联谐振特性的5次单调谐无源滤波器组成，并网变压器中的二次侧三角形绕组与二次侧延边绕组的每一个交接点连接一个5次单调谐无源滤波器；

所述控制器用于检测风电场的并网点电压，并根据并网点电压的波动范围，控制电压源型逆变器工作在滤波模式或STATCOM模式；

电压源型逆变器工作在滤波模式时的原理如下：有功电流i_d由电网侧三相电流通过DQ变换和高通滤波器得到；将直流侧电压参考值U_dcref与实际值U_dc作差，经PI调节后注入到无功电流i_q的分量上，得到无功参考电流i_q ^*，实现系统侧与电压源型逆变器直流侧的有功交换，稳定了直流侧的电压；将合成后的DQ轴电流经反DQ变换转化为ABC坐标系下的电流；再将ABC坐标系下的电流值与虚拟电阻K相乘，并将得到的值经PWM调制模块为电压源型逆变器提供脉冲信号，实现有源滤波器的功能；

电压源型逆变器工作在STATCOM模式具体过程如下：

采用由内环控制器和外环控制器组成的双闭环结构，外环控制采用电压控制模式，检测到并网点电压跌落时，实测值U_ac与电压参考值U_acref相比会产生一个差值dU_ac，采用一个无静差的PI控制器作为外环电压控制器，通过调节PI参数控制dU_ac可以得到内环电流控制器的无功参考电流i_q ^*，同时，将直流侧电压参考值U_dcref与实际值U_dc作差得到dU_dc，经PI调节后得到有功参考电流i_d ^*，STATCOM交、直流侧的有功功率实现了交换，从而控制STATCOM直流侧电容电压稳定在参考值；内环控制器主要是电流控制环，对检测到的实际有功、无功电流分别与外环控制器所生成的有功、无功参考电流进行比较，得到有功、无功电流的差值，再经过一个无静差的PI调节器进行PI调节得到电压信号，然后将得到的电压信号经过解耦控制环节后得到其DQ轴上的电压值V_d、V_q，最后进行反DQ变换得到ABC坐标系下三相输出电压脉冲信号，与常数I相乘后作为电压源型逆变器的控制信号；最终通过PWM调制模块改变调制比及触发脉冲的相位，调节电压源型逆变器输出无功功率的大小，实现STATCOM的功能。

2.根据权利要求1所述的用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统，其特征在于，所述并网变压器的二次侧三角形绕组的等值阻抗近似为零。

3.根据权利要求1所述的用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统，其特征在于，所述并网变压器二次侧三角形绕组的等值漏抗为零，所述无源滤波器与电压源型逆变器串联支路的等值阻抗为零。

4.根据权利要求1所述的用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统，其特征在于，所述电压源型逆变器为两电平逆变器、三电平逆变器和多电平逆变器。

5.根据权利要求1所述的用于风电场的混合感应型有源滤波与无功补偿系统，其特征在于，预先设定一波动阈值和并网点参考电压，当控制器检测到的并网点电压与并网点参考电压的差大于一波动阈值时，控制器将电压源型逆变器切换为STATCOM模式；

当控制器检测到的并网点电压与并网点参考电压的差小于所述波动阈值时，控制器将电压源型逆变器切换为滤波模式。