0 引言

远距离大容量海上风电场是未来风电发展的主要趋势[1]，而远距离大容量海上风电送出技术是目前海上风电领域亟待研究的关键技术[2]。目前，绝大多数的远海风电并网工程采用基于模块化多电平换流器（modular multilevel converter，MMC）的柔性直流输电系统送出[3-5]。但是该柔性直流输电系统需要建设大型的海上换流平台，受较高的建设难度和投资成本的制约[6-7]。

为了提高远海风电并网系统的经济性，二极管整流器日益受到学术界和工业界的关注[8]。相比MMC，二极管整流器具有更高的可靠性、更小的投资费用和更小的功率损耗[9]，在远海风电并网场景下的应用前景广阔[10]。由于二极管整流器不具备主动控制交流电压的能力，因此需要风电机组运行与电网构造模式来控制海上交流系统电压的幅值和频率[11-12]。

虽然二极管整流器本身具有显著的经济性优势，但二极管整流器还需要较大的无功功率补偿，并且会在交流侧产生谐波电流[13]。不安装交流滤波装置，海上风电场需要向二极管整流器传输较大无功功率，挤占交流集电海缆的传输容量，并且二极管整流器产生的交流谐波电流会全部注入海上风电场，导致海上交流系统电压波形严重畸变。因此，需要在二极管整流站的交流母线处安装交流滤波装置，为二极管整流器提供无功功率补偿和交流滤波。

交流滤波装置可以分为2类。第1类为有源滤波装置，该类装置实时监测二极管整流器的谐波电流，并产生一个相反的谐波电流与之抵消，从而动态补偿二极管整流器的谐波电流[14]。然而有源滤波装置的投资成本和运行成本较高，会削弱二极管整流器带来的经济性优势。第2类为无源滤波装置，例如单调谐滤波器或双调谐滤波器，但每个滤波器只能滤除某1次或某2次谐波，能够滤除的谐波次数非常有限，需要针对二极管整流器产生的多次特征谐波设计多个滤波器，设计复杂且占地面积大，会导致海上换流平台体积和造价的提升。

现有关于海上风电经二极管整流器送出系统的文献主要集中于构网型风电机组的控制策略[15-20]，对二极管整流器拓扑结构及其交流滤波器设计方案的研究很少。现有相关文献一般采用12脉动二极管整流器并联单调谐、双调谐滤波器的方案[21-23]，12脉动二极管整流器会在交流侧产生（12k±1）次谐波电流，k为正整数。为了降低交流侧谐波次数，可以提高二极管整流器的脉动数，例如24脉动二极管整流器的交流侧谐波电流为（24k±1）次，谐波电流次数减少，谐波电流频率提高。电容器具备滤除高频谐波电流的能力，对于24脉动二极管整流器，可以考虑用电容器作为交流滤波器，简化交流滤波器设计，降低交流滤波器成本，进一步减小海上换流平台的体积、重量和投资。

本文研究了海上风电送出系统中24脉动二极管整流器的交流滤波器优化配置，主要工作和创新点包括：①研究了海上风电经24脉动二极管整流器送出方案，分析了24脉动二极管整流器的无功功率需求；②综合考虑无功容量和滤波效果，提出了海上24脉动二极管整流器的交流滤波器选型及无功容量的优化方法。

文章首先明确基于24脉动二极管整流器的海上风电送出系统拓扑结构，以及24脉动二极管整流器的基本原理；然后，计算24脉动二极管整流器的无功功率需求，提出综合考虑滤波效果和滤波器容量的交流滤波器选型及无功容量优化方法；最后，在PSCAD/EMTDC中对基于24脉动二极管整流器的海上风电送出测试系统进行谐波分析和交流滤波器优化设计。

1 基于24 脉动二极管整流器的海上风电送出系统基本原理

1.1 系统结构

基于24脉动二极管整流器的海上风电送出系统的拓扑结构如图1所示。由于二极管整流器不具备主动控制能力，风电机组需要采用构网型控制模式，由风电机组建立海上交流系统的电压幅值和频率。构网型风电机组经过交流集电海缆连接到海上整流站交流母线，海上整流站交流母线为公共连接点（point of common coupling，PCC）。海上整流站包含24脉动二极管整流器、换流变压器、交流滤波器。海上风电经过海上换流站整流后，由长距离高压直流海缆传输到陆上逆变站。陆上逆变站主要由模块化多电平矩阵换流器和换流变压器组成，将直流电能转变为工频交流电后，输送到陆上工频交流电网。

图1 基于24脉动二极管整流器的海上风电送出系统结构
Fig.1 Structure of offshore wind farm integration system based on 24-pulse diode rectifier unit

构网型风电机组采用基于无功功率-频率的构网控制策略，能够在不依赖高速通信或锁相环的情况下实现风电机组自同步和无功功率平均分配。风电机组网侧换流器的控制器包含有功功率-电压幅值控制器和无功功率-频率控制器。有功功率-电压幅值控制器采用比例积分控制，使风电机组输出有功功率精确跟踪其指令值，产生风电机组交流电压幅值指令值；无功功率-频率控制器采用比例控制或比例微分控制，产生风电机组交流电压频率。

1.2 24脉动二极管整流器基本原理

在直流输电工程中，可以将2个或2个以上单桥二极管整流器的直流端串联起来，组成1个多桥的二极管整流器，以得到高压直流输电所需要的直流电压。24脉动二极管整流器由2个12脉动二极管整流器在交流侧并联、直流侧串联组成，而单个12脉动二极管整流器又是由2个6脉动二极管整流器在交流侧并联、直流侧串联组成。

由2个6脉动二极管整流器组成1个12脉动二极管整流器时，2个6脉动二极管整流器的交流侧需要分别由2组相位相差30的三相交流电压供电。这2组三相交流电压可以从接线方式分别为Y/Y和Y/Δ的2台两绕组换流变压器得到，或者从接线方式为Y/Y/Δ的1台三绕组换流变压器的2个次级绕组得到。各换流变压器的网侧绕组并联，阀侧绕组的额定电压相等。

进一步地，组成24脉动二极管整流器时，需要将2个12脉动二极管整流器的换流变压器的网侧绕组分别移相+7.5和-7.5，从而使得2个12脉动二极管整流器的交流侧电压相位相差15。为了实现+7.5和-7.5的移相，换流变压器的原边可以采用延边三角形接法，具体实现方法有如下2种。

1） 采用自耦变压器接线实现移相，自耦变压器串联绕组匝数Ns和公共绕组匝数Nc的比值为

2） 采用三绕组变压器接线实现移相，三绕组变压器的三次绕组匝数N3和二次绕组匝数N2的比值为

2 24 脉动二极管整流器的交流滤波器优化配置

2.1 24脉动二极管整流器的无功需求

24脉动二极管整流器的交流滤波器的作用主要有2点，一是为24脉动二极管整流器提供无功功率补偿；二是滤除24脉动二极管整流器的交流侧谐波电流。下面，首先确定交流滤波器的无功容量大小。

在数学模型角度，二极管整流器相当于触发角等于0°的电网换相换流器 （line commutated converter，LCC）[9]。参考LCC，6脉动二极管整流器的直流电压可以表示为

式中：Udc为二极管整流器的直流侧电压，该直流电压受逆变站的定直流电压控制，所以Udc在稳态下为其额定值Udc0；Idc为二极管整流器的直流电流；Xt为换流变压器的漏抗；Uv为二极管整流器的换流变压器的阀侧电压。

由式 （1） 可以推导6脉动二极管整流器的直流电流为

根据式（1）和式（2），24脉动二极管整流器吸收的有功功率Pdru表示为

式中：Kb为整流器中6脉动单桥串联个数，对于24脉动二极管整流器，Kb取4。

24脉动二极管整流器的功率因数可以表示为直流电压与空载直流电压的比值：

进一步地，tanφ计算为

因此，24脉动二极管整流器吸收的无功功率Qdru为

根据式 （8），可以得到24脉动二极管整流器传输的有功功率Pdru和吸收的无功功率Qdru的关系。当24脉动二极管整流器传输的有功功率Pdru为1.0 pu时，吸收的无功功率Qdru约为0.4 pu；随着Pdru的减小，Qdru和Qdru/Pdru的值减小。

2.2 交流滤波器的选型

二极管整流器的外特性相当于触发角等于0°的LCC。LCC的谐波特性已经分析得相当清楚[9]，类推可以得到，二极管整流器注入交流系统的谐波电流次数为（kp±1）次，其中k=1, 2, 3,…，p为二极管整流器的脉波数。对于24脉动二极管整流器，其注入交流侧的谐波电流为（24k±1）次，需要安装交流滤波器滤除。

一种方案是安装（24k±1）次单调谐交流滤波器，或者安装24k次双调谐交流滤波器，通过设计合适的品质因数使双调谐滤波器同时滤除（24k±1）次谐波。但无论是单调谐滤波器还是双调谐滤波器，每个滤波器只能滤除某1次或某2次谐波，能够滤除的谐波次数非常有限，需要针对k=1、k=2等设计多个滤波器，设计复杂且占地面积大，会导致海上换流平台体积和造价的提升。

为了提升海上风电送出系统的经济性，另一种方案是用电容器替代单调谐或双调谐交流滤波器，将电容器并联在PCC处，如图2所示。

图2 PCC处并联电容器的海上风电送出系统谐波等效电路
Fig.2 Harmonic equivalent circuit of offshore wind farm integration system with capacitor at PCC

图2中，idruh为24脉动二极管整流器输出的h次谐波电流；ifilterh和iseah分别为流入电容器和流入海上风电场的h次谐波电流；Zfilterh和Zseah分别为电容器和海上风电场的h次谐波阻抗。对于电容来说，谐波次数h越高，该次谐波下的电纳越大，即该次谐波下的阻抗Zfilterh越小。对于高次谐波，并联电容支路的阻抗Zfilterh很小，二极管整流器输出的谐波电流idruh更易于从并联电容支路流过，并且在电容支路上产生的谐波电压很小。

2.3 24脉动二极管整流器的交流滤波器容量设计

为了提升海上风电送出系统的经济性，在24脉动二极管整流站的交流母线处并联电容器，由电容器为二极管整流器提供无功功率补偿，并滤除二极管整流器的交流侧谐波。

国家标准针对110 kV及以下公用电网的谐波畸变率限制值如表1所示。为进一步减小海上换流平台的体积和重量，考虑对电容器的容量进行优化，研究满足表1所示谐波畸变率限制要求的电容器容量最小值。

表1 GB/T 14549—1993公用电网谐波的限制值
Table 1 Limit value of harmonics in public network of GB/T 14549—1993

电网标称电压/kV电压总谐波畸变率/%电压各次谐波畸变率/%奇数次偶数次0.385.04.02.0

续表

电网标称电压/kV电压总谐波畸变率/%电压各次谐波畸变率/%奇数次偶数次6 4.03.21.6 10 35 3.02.41.2 66 1102.01.60.8

综合考虑滤波效果和滤波器容量，如图3所示的并联电容器无功容量优化步骤如下。

图3 24脉动二极管整流器的交流滤波器容量设计流程图
Fig.3 Flow chart of capacity design of AC filter for 24-pulse diode rectifier unit

1） 令电容器无功容量Qc的初始值为0.4 pu，完全补偿额定工况下24脉动二极管整流器需要的无功功率。

2） 置迭代次数k=0。

3） 计算并联电容器后，24脉动二极管整流站交流母线 （即PCC） 的电压谐波畸变率。

4） 将PCC处的电压谐波畸变率与表1所示国家标准限制值进行比较。

5） 如果PCC处的电压谐波畸变率大于国家标准限制值，则输出电容器无功容量值，否则进行下一步。

6） 置k=k+1。

7） 令电容器无功容量Qc=0.4-0.02k，使电容器无功容量以0.02 pu的步长减小。

8） 返回第3） 步进行下一轮迭代。

3 算例研究

3.1 系统参数

在PSCAD/EMTDC中建立如图1所示的基于24脉动二极管整流器的海上风电送出系统，其中，海上风电场由一台构网型风电机组串联一段交流集电海缆等效。测试系统的主回路参数如表2所示。

表2 基于24脉动二极管整流器的海上风电送出测试系统主回路参数
Table 2 Main circuit parameters of offshore wind farm integration test system based on 24-pulse diode rectifier unit

设备参数数值等值风电机组额定功率/MW1000箱变变比0.69 kV/66 kV额定频率/Hz50长度/km5单位长度电阻/ （mΩ·（km） -1）31.7交流集电海缆单位长度电感/ （mH·（km） -1）0.42单位长度电容/ （μF·（km） -1）0.152单相自耦变压器容量/MVA183.33单相自耦变压器高压绕组额定电压/kV38.11 24脉动二极管整流器单相自耦变压器低压绕组额定电压/kV31.86单相自耦变压器漏抗/pu0.08换流变压器容量/MVA275换流变压器变比50.6 kV/123.37 kV换流变压器漏抗/pu0.12模块化多电平逆变器换流变容量/MVA1100换流变变比500 kV/320 kV额定直流电压/kV±320

3.2 交流滤波器容量优化

首先，作为对照，对不安装交流滤波器的海上风电送出系统做电磁暂态仿真，整流站交流母线电压波形以及海上风电场输出有功功率和无功功率波形分别如图4所示。

图4 不安装交流滤波器时海上风电送出系统仿真波形
Fig.4 Simulation result of offshore wind power integration system without capacitor

由图4可见，不安装交流滤波器时，由风电机组提供24脉动二极管整流器所需要的全部无功功率，当传输有功功率1000 MW时，二极管整流器需要的无功功率约为400 Mvar。24脉动二极管整流器产生的交流侧谐波电流全部注入海上风电场侧，PCC处电压波形出现明显畸变。

分析不安装交流滤波器时PCC处电压谐波畸变率。表3列出了PCC处电压的总谐波畸变率，以及24脉动二极管整流器产生的23次、25次、47次、49次这些特征次谐波畸变率。国家标准对66 kV公用电网的电压谐波总畸变率限制值为3%，而不安装交流滤波器时PCC处电压的总谐波畸变率达到10.8%，远大于国家标准，必须加装交流滤波器以降低电压谐波畸变率。

表3 不安装交流滤波器时PCC处电压谐波畸变率
Table 3 Harmonic distortion rate of voltage at PCC without capacitor

电压总谐波畸变率/%49次电压谐波畸变率/%10.81.521.430.6280.586 23次电压谐波畸变率/%25次电压谐波畸变率/%47次电压谐波畸变率/%

接下来，研究用电容器作为24脉动二极管整流器的交流滤波器的滤波能力。当电容器无功容量取为初始值0.4 pu时，对海上风电送出系统做电磁暂态仿真，仿真结果如图5所示。此时，电容器能够完全补偿额定工况下24脉动二极管整流器需要的无功功率，海上风电场输送给整流器的无功功率约为0。24脉动二极管整流器产生的高频交流侧谐波电流注入电容器，PCC处电压波形没有明显畸变，电容器滤波效果良好。

图5 安装0.4 pu电容器时海上风电送出系统仿真波形
Fig.5 Simulation result of offshore wind power integration system with capacitor of 0.4 pu

分析PCC处电压谐波畸变率如表4所示。当电容器无功容量为0.4 pu时，PCC处电压的总谐波畸变率，以及24脉动二极管整流器产生的23次、25次、47次、49次这些特征次谐波畸变率均低于国家标准规定的限制值。这表明，安装0.4 pu电容器能够有效滤除24脉动二极管整流器产生的交流谐波电流，并且能够滤除风电机组产生的高频谐波，使得PCC处电压总谐波畸变率显著降低。

表4 安装不同容量电容器时PCC处电压谐波畸变率
Table 4 Harmonic distortion rate of voltage at PCC with capacitors of different capacity

电容器无功容量/pu 49次电压谐波畸变率/%010.81.521.430.6280.586 0.41.860.0670.0590.0130.011 0.32.650.0990.1020.0240.014 0.283.080.1820.1150.0470.034电压总谐波畸变率/%23次电压谐波畸变率/%25次电压谐波畸变率/%47次电压谐波畸变率/%

进一步地，为降低海上换流平台的体积、重量和造价，考虑减小电容器的无功容量。根据图3所示的电容器无功容量优化配置方法，研究不同无功容量的电容器的滤波效果，具体如表4所示。

由表4可见，当电容器无功容量减小到0.3 pu时，PCC处电压总谐波畸变率以及24脉动二极管整流器产生的23次、25次、47次、49次这些特征次谐波畸变率仍然低于国家标准规定的限制值。然而，当电容器无功容量进一步减小到0.28 pu时，虽然电容器对24脉动二极管整流器产生的特征次谐波仍然有较好的滤波效果，但对风电机组产生的较低次谐波的滤波效果减弱，导致PCC处电压总谐波畸变率超过国家标准限制值3%。因此，对于算例系统，电容器无功容量取为0.3 pu，从而在满足滤波要求的情况下尽可能降低成本。

24脉动二极管整流器需要的剩余无功功率由交流集电海缆和构网型风电机组提供。1000 MW典型接线海上风电场的集电海缆总无功功率约为60 Mvar[24]。所有构网型风电机组共同承担海上交流系统的无功功率平衡任务，当风电机组输出有功功率为1.0 pu时，风电机组输出无功功率可以在-0.3 pu～0.3 pu之间变化且不发生过载。

3.3 系统仿真

对电容器无功容量取为0.3 pu的算例系统做电磁暂态仿真，研究安装电容器后的系统性能。在t=2.0 s之前，风电机组已经在额定风速下稳定运行。设在t=2.0 s时，风速阶跃降低，使风电机组输出有功功率由1.0 pu阶跃下降至0.8 pu。系统的响应波形如图6所示。

图6 安装0.3 pu电容器时海上风电送出系统风速阶跃响应
Fig.6 Response of offshore wind power integration system with capacitor of 0.3 pu to wind speed step change

由图6可见，当风电机组输出有功功率降低时，24脉动二极管整流站的交流电压降低，导致整流侧直流电压降低，使得直流电流降低，整流站吸收的有功功率降低到一个新的稳态值。24脉动二极管整流站吸收的无功功率随有功功率的降低而降低。为了维持无功功率平衡，构网型风电机组输出的无功功率也降低。在海上风电场功率阶跃前后，0.3 pu的电容器能够有效滤除24脉动二极管整流器的交流侧谐波，整流站交流母线处的电压波形没有明显畸变。

4 结论

本文提出了一种24脉动二极管整流器的交流滤波器优化配置方法，主要结论如下。

1） 对于24脉动二极管整流器，其吸收的无功功率补偿约为其传输有功功率的40%，其注入交流侧的谐波电流为（24k±1）次。

2） 高次谐波电流易于从并联电容器流过且产生的谐波电压很小，电容器能够滤除24脉动二极管整流器的交流侧谐波电流，简化交流滤波器设计，降低交流滤波器成本。

3） 在满足滤波效果的前提下，电容器的无功容量可以进一步优化。对于算例系统，电容器容量可以降低到0.3 pu，在满足滤波要求的情况下尽可能降低成本。