浙江电科院攻克高压有源滤波技术难题，研发并应用高压有源滤波器

近日，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院电能质量监测人员在嘉兴等地给电网加装谐波监测仪器，监测高压有源滤波器投运后区域电网的谐波变化。高压有源滤波器装设于华能嘉兴2号海上风电场，投运后风电场并网线路5次谐波电流降低了90%以上，风电场及周边电网电能质量明显改善。这标志着我国已掌握面向海上风电电能质量治理的高压有源滤波技术。

海上风电场谐波超标机理复杂 传统谐波治理方案不适用

浙江风能资源丰富，近年来，海上风电装机容量逐年攀升。将海上风电安全可靠地接入电网成为一项重要课题。多数海上风电场采用长距离海底电缆接入电网，但海缆对地电容较高，会带来谐波超标问题。

“谐波会使电气设备产生振动和噪声，还会导致设备过热，缩短设备使用寿命，甚至烧毁设备，影响电网安全运行。”高压有源滤波器主要研发人员、浙江电科院青年员工徐群伟介绍，“对于谐波问题，传统的治理方案是并联无源滤波器。但海上风电场谐波超标机理复杂，传统的治理方案不适用。有源滤波器受电网阻抗影响较小，不易与电网发生谐振，且控制特性灵活，可实现宽频段滤波，在海上风电场应用场景下适应能力更强、滤波效果更好。然而，此前国内外还没有相关工程应用案例。”

2020年12月，浙江电科院组建技术攻关团队，开始研究电网谐波抑制需求，研制高压有源滤波器。该装置运用高压有源滤波技术，可实时监测并网点谐波电压、电流，基于虚拟谐波阻抗主动注入合适相位的电流，灵活调节补偿模式和补偿频段，达到实时抑制谐波电压、电流的目的。

“高压有源滤波器的应用有三大难点：一是要将高压有源滤波器可靠接入电网，二是制订与大电网需求匹配的谐波治理控制策略，三是评估高压有源滤波器的治理效果。”徐群伟说。为了实现高压有源滤波器的可靠接入，攻关团队考虑了多种高压有源滤波器拓扑的控制复杂度、运行可靠性、投资经济性等因素，最终选取了“降压变压器+级联H桥”拓扑。如何合理设计降压变压器及高压有源滤波器元器件关键参数是攻关团队面临的难题。

高压有源滤波器正常运行时，所在的支路会流经较大的谐波电流，并网点电压也存在较大的谐波电压分量。为检验降压变压器在谐波大电流、大电压环境下的耐受特性，攻关团队开展真型变压器试验研究，搭建变压器谐波动态模拟试验平台。经测算，在基波电压叠加谐波电压的条件下，降压变压器运行电压高达39.8千伏，接近变压器等一次设备的绝缘电压上限，极端情况下有可能造成设备绝缘击穿。为此，攻关团队提出将变压器低压侧额定电压从35千伏降至28千伏的方案，通过降低运行电压实现变压器的安全可靠接入。以该方案为基础，攻关团队多次实测真型变压器在高含量谐波环境下的温升、噪声和振动特性，为变压器参数设计积累了第一手数据。根据这些数据，攻关团队明确了变压器容量、绕组线径、铁芯磁通量密度等重要参数，保障了高压有源滤波器可靠接入电网。

建立半实物仿真平台 研究高压有源滤波器控制策略

海上风电场谐波超标机理复杂，加上风电场及其接入电网的运行工况实时变化，若高压有源滤波器的控制策略不当，不仅起不到“雪中送炭”的功效，反而会“雪上加霜”，放大谐波的危害。因此，需要从破坏产生谐波的条件、考虑电网自身特性等角度设计高压有源滤波器的控制策略。攻关团队提出了适用于海上风电场的电压电流综合控制策略：既抑制风电场并网线路的谐波电流，也抑制并网点的谐波电压。

为设计出可靠有效的控制策略，攻关团队基于电网设备基波和谐波的立体模型，在实时数字仿真系统中搭建区域电网全电磁暂态模型，将输入、输出信号接入高压有源滤波器实体，建立半实物仿真平台，采用“区域电网高精度建模+外部大电网阻抗扫描”技术，测试高压有源滤波器的稳态治理性能、暂态过程适应性。由于长距离交流海缆模型对仿真结果的准确性有较大影响，攻关团队开展大量仿真测试，优化模型参数，最终得到能够反映真实谐波传递特性的交流海缆物理几何模型。攻关团队还针对区域电网开展运行方式分析，得到电网运行的边界条件，验证高压有源滤波器在70余种极端情况下的适应能力。

在评估高压有源滤波器的治理效果方面，攻关团队依托半实物仿真平台开展测试，发现前期设计的高压有源滤波器存在谐波电流治理效果不稳定、响应速度偏慢等问题。经改进，该装置治理效果稳定性大幅提高，响应速度提升至毫秒级。

应用高压有源滤波器 电能质量明显提高

6月6日，高压有源滤波器在华能嘉兴2号海上风电场并网，并于6月15日通过168小时可靠性运行考核，正式移交运行。

应用高压有源滤波器后，华能嘉兴2号海上风电场并网线路5次谐波电流降低90%以上，并网点5次谐波电压含有率由1.97%降至1.31%。该装置不仅提高了电能的质量，还使电力系统运行更加稳定，达到了预期效果。

“一般情况下，无源滤波器占地面积较大。而这套高压有源滤波器采用集约化设计，能在十分狭小的计量站内灵活摆放，适于在布局紧凑的风电场里使用。”徐群伟说。

依托高压有源滤波技术研究课题，攻关团队牵头完成了97项仿真试验、20项现场系统试验，发表SCI论文2篇、EI论文6篇，获得国家发明专利授权2项。

目前，攻关团队正在开展华能嘉兴2号海上风电场周边电网的谐波监测，验证高压有源滤波器投运后长周期下的谐波治理效果。针对温州、台州、舟山等地海上风电并网带来的电能质量问题，攻关团队将因地制宜推广应用高压有源滤波技术，形成系统的治理方案。此外，攻关团队还将总结完善大电网电能质量电磁仿真技术、适用于海上风电的高压有源滤波器控制策略等成果，形成一系列标准规范，在更多的海上风电工程中推广应用，助力“十四五”时期我国海上风电高质量发展。