風機并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響因子研究

魏然，周科，程逸帆，金立軍

（1.山東電力集團公司濟寧供電公司，山東濟寧 272001；2.同濟大學電子與信息工程學院，上海 201804）

近年來早期的風力發(fā)電機單機容量較小，多采用與配電網(wǎng)直接相連的異步電動機，且處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端，抗沖擊的能力較弱。之后，雙饋感應(yīng)電機、永磁直驅(qū)電機等新型變速恒頻發(fā)電機組開始得到推廣，有效地提高了風力發(fā)電的效率，但大規(guī)模風電引入電網(wǎng)，對系統(tǒng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量等產(chǎn)生的一些負面影響仍然不容忽視[1-3]。

1）由于風能具有隨機性、間歇性，風電機組輸出的電能也是波動、隨機變化的，具有不可控的特點，因而穩(wěn)定性較差，不能保證不間斷供電。

2）目前風力發(fā)電機組大多采用軟啟動器并網(wǎng)方式：風機以電動機形式啟動直至達到并超過同步轉(zhuǎn)速，過渡到穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)后，與晶閘管電路平行的旁路接觸器合上，機組完成并網(wǎng)過程。但在啟動過程中由于存在晶閘管，會引入一定程度的諧波電流。

3）當風速處于有效風力之外時，風電機組會從額定狀態(tài)自動退出運行，風電機組的投切產(chǎn)生的電壓波動和閃變是風力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負面影響之一。

4）風電機組退出運行后，由于其內(nèi)部含有整流設(shè)備，不可避免會從電源的角色轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性負載，這是也是風機對電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波的重要原因之一。

5）在風機制造過程中，若出現(xiàn)的磁路或電路不平衡等制造缺陷，在并網(wǎng)后的三相不平衡問題將會不可避免。

6）風電機組并網(wǎng)采用了大量的電力電子設(shè)備，對于需要通過整流和逆變接入電網(wǎng)的變速風力發(fā)電機（如雙饋感應(yīng)電機及永磁直驅(qū)電機）而言，會產(chǎn)生嚴重的諧波問題。

在本文中，對風機給電網(wǎng)帶來的多種穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題進行了研究，如供電電壓偏差，三相電壓允許不平衡度，電壓變動和閃變值，以及諧波值。建立了配電網(wǎng)與風機的并網(wǎng)模型，并進行詳細地模擬和分析，定量得到各項電能質(zhì)量指標，與國標進行對比，得出風機對電網(wǎng)最重要的影響因子，并綜合考慮各類因子對解決方案進行研究。

1 電能質(zhì)量影響因素

1.1 供電電壓偏差

電壓偏差的定義[4]：供電系統(tǒng)在正常運行條件下，某一節(jié)點的實測電壓與系統(tǒng)標稱電壓之差對系統(tǒng)表征電壓的百分數(shù)稱為該節(jié)點的電壓偏差。其數(shù)學表達式為

電壓的這種變化是緩慢的，因此電壓偏差電能質(zhì)量標準屬于靜態(tài)電能質(zhì)量問題的范疇，是針對電力系統(tǒng)正常運行方式下，機組或負荷的投切所引起的系統(tǒng)電壓的偏差，通常，這一偏差的絕對值不大于標稱電壓的10%。

風電機組的出力隨時發(fā)生變化，將導致并網(wǎng)點的無功功率發(fā)生變化。不合理的無功功率潮流是引起系統(tǒng)電壓偏離標稱值的重要原因[5-7]。

1.2 三相電壓不平衡度

根據(jù)對稱分量法，三相系統(tǒng)總的任何電量都可以分解為正序分量，負序分量和零序分量三個對稱風量。因此可以定義[8]：電力系統(tǒng)在正常運行方式下，電量的負序分量方均根值與正序分量的方均根值之比稱為該電量的不對稱度或不平衡度，用符號ε表示，即：

電壓不平衡度：

電流不平衡度：

式（3）中，U2，I2分別為電壓電流的負序分量方均根值；U1，I1分別為正序分量方均根值。標準規(guī)定，電力系統(tǒng)公共連接點正常情況下電壓不平衡度允許值為2%，短時不得超過4%。

在風機并網(wǎng)系統(tǒng)中，三相不平衡狀態(tài)常常由發(fā)電機供電環(huán)節(jié)，及線路的不平衡引起的。對比多種計算不平衡度的公式[9-10]，采用線電壓測量值，通過公式：

式（5）中，a，b，c為三相線電壓基波有效值。

1.3 電力諧波

非線性負荷從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，因此統(tǒng)稱為諧波源。諧波對各種電氣設(shè)備，對繼電保護、自動裝置、計算機、測量和計量儀器以及通信系統(tǒng)均有不利的影響。

從諧波建模和仿真的角度，一臺風機可以看作一種向配電饋線注入諧波的非線性負荷。經(jīng)過功率變換器接入電網(wǎng)的風電機會貢獻諧波電流，是電力系統(tǒng)最常見的諧波源。以及考慮到電力系統(tǒng)基波阻抗呈感性，在某幾次諧波下可能發(fā)生的諧振將會加重諧波畸變。

根據(jù)表1國標[11]對奇偶次諧波電壓的規(guī)定和諧波頻譜分析，仿真主要針對易于測量的奇次諧波電壓進行分析。

表1 我國公共電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值Tab.1 The harmonic voltage（phase voltage）limit of the public power grid in China

1.4 電壓波動

對于風速快速變化引起輸出功率變化導致的電壓波動，先進的變槳控制系統(tǒng)和風機組類型能夠減小風電機組輸出功率的波動。

在并網(wǎng)風電機組持續(xù)運行過程中，由于受塔影效應(yīng)、偏航誤差和風剪切等因素的影響，風電機組在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)矩波動也將造成風電機組輸出功率的波動，并且這些波動隨湍流強度的增加而增加。常見的轉(zhuǎn)矩和輸出功率的波動頻率與葉片經(jīng)過塔筒的頻率相同。對于三葉片風電機組而言，波動頻度為3 p（p為葉輪旋轉(zhuǎn)頻率）時，最大波動幅度約為轉(zhuǎn)矩平均值的20%[12]，對于接于電網(wǎng)薄弱節(jié)點的風電場而言，電壓波動和閃變尤為明顯。

1.5STATCOM原理及應(yīng)用

STATCOM——靜 止 同 步 補 償 器（Static Synchronous Compensator，簡稱STATCOM，又稱SVG）是當今無功補償領(lǐng)域最新技術(shù)的代表，屬于靈活柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）的重要組成部分。在配電網(wǎng)中，STATCOM能有效解決電壓波動、電壓暫降、電壓不平衡等多種電能質(zhì)量問題，但它本身并沒有消除諧波的功能，需要加裝諧波抑制模塊或改變其自身并網(wǎng)變壓器的接線方式，消除指定次諧波[13-14]。

STATCOM的基本構(gòu)成圖如圖1。STATCOM的逆變器通過中間變壓器與電力系統(tǒng)連接，逆變器的輸出電壓與電力系統(tǒng)電壓始終保持頻率相同。通過大小的調(diào)節(jié)可控制加在中間變壓器上的電壓的大小與方向，進而可以實現(xiàn)無功的吸收與補償控制。這樣STATCOM提供的電流I觶為

圖1 STATCOM電路圖Fig.1 The diagram of the STATCOM

2 電能質(zhì)量仿真分析

2.1 電壓偏差仿真

在圖2所示的Matlab/Simulink仿真模型中，通過參考實際風速變化范圍在8~25 m/s間，改變風機輸入風速，對比得到的無功功率變化，以及輸出電壓。

仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 仿真模型系統(tǒng)Fig.2 System simulation model

圖3 不同風速下接入點無功變化Fig.3 The variation of the reactive power with different wind speeds

在8 m/s和25 m/s風速下變速恒頻電機接入點無功基本保持不變，說明變速恒頻電機在抗風速變化擾動上具有很好的優(yōu)勢，再根據(jù)電壓波形圖4，不考慮啟動期間電壓的劇烈變動，在穩(wěn)態(tài)情況下，不同風速下的風機輸出電壓波形幾乎重疊，并且沒有超過國標10%的限值。

圖4 風機接入點電壓Fig.4 The voltage of the wind farm connection position

2.2 三相不平衡仿真分析

由于風機無法設(shè)定為三相不平衡狀態(tài)，所以在仿真過程中以10 kV電壓源加上諧波源代替風電場的主要輸出特性，在此基礎(chǔ)上便可以改變?nèi)嗥胶舛龋龅揭欢ǔ潭鹊姆抡妫═HD為總諧波畸變率）。

表2 三相不平衡疊加電壓以及不平衡度Tab.2 Unbalanced three-phase voltage and the unbalance factor

從表2中可以看出：

1）三相不平衡輸電線中，電壓較低的一相，諧波含量會變高。

2）附加電壓越高，極易發(fā)生三相不平衡，總諧波含量會較高。

3）附加電壓很高時，即使三相附加電壓相等也會產(chǎn)生很大的三相不平衡度。

4）三相電壓太高（波動）是影響三相不平衡度的重要因素，也會造成較高諧波含量。抑制電壓波動對消除三相不平衡度有益。

2.3 電力諧波分析

在圖2中檢測電壓偏差同時，對其進行傅里葉分析，得出總諧波畸變量，結(jié)果如圖5所示，表明總諧波畸變量（THD）隨著風速增長會有所增加。

圖5 諧波含量隨風速變化Fig.5 The harmonic content change with wind speed

應(yīng)用較常見的無源濾波裝置對輸入諧波進行濾除，出于其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，但由一組或數(shù)組單調(diào)諧波濾波器組成的無源濾波裝置只能對某幾次諧波進行補償，調(diào)壓要求不夠理想，濾波效果不夠理想，并且在濾波裝置中電力電容器、電抗器的存在，在某些情況下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故。

而檢測電網(wǎng)諧波后主動出入補償電流的有源濾波器，憑借其具有電力電子設(shè)備的高可控性和快速響應(yīng)性，和優(yōu)秀的補償能力是電力系統(tǒng)無功補償、諧波治理的重要發(fā)展方向。

2.4 STATCOM工作模式與電壓波動消除

在模型中設(shè)計電源與負載都具有波動性，選擇STATCOM工作在電壓調(diào)節(jié)狀態(tài)和功率因數(shù)補償狀態(tài)，如圖5所示，對STATCOM接入點母線電壓、無功功率以及系統(tǒng)功率因數(shù)進行對比。

由圖6可見，當靜止同步補償器工作在電壓調(diào)節(jié)模式下，能夠抑制電源和負載的波動，把母線電壓穩(wěn)定住，同時在無功檢測環(huán)節(jié)可以觀察到其工作過程：檢測到電壓升高時，吸收無功功率，降低電壓；電壓跌落時，輸出無功功率起支撐作用。但功率因數(shù)沒有得到很好的控制，變化比較劇烈，而最后的穩(wěn)定是由于設(shè)定的電源及負載波動已經(jīng)消失。

圖6 STATCOM工作模式改變參數(shù)對比Fig.6 The comparison of parameters with the change of the STATCOM working model

當靜止同步補償器工作在功率因數(shù)補償模式下，對功率因數(shù)起到了很好的平滑作用，但此時的電壓波動，完整地體現(xiàn)出來，沒有任何補償動作。

對系統(tǒng)某一相電壓進行傅里葉分析時發(fā)現(xiàn)，當STATCOM工作在功率因數(shù)補償模式下，功率因數(shù)雖然提高，但是會帶來一定量的諧波，且與補償器的容量有關(guān)。

3 結(jié)論

本文對風機并網(wǎng)后各穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問題進行了詳盡的仿真研究，結(jié)果表明風能的隨機性決定了諧波與電壓波動為最重要的影響因子，而三相不平衡則是一種存在的隱患，這取決于發(fā)電機本身的性能，供電電壓不平衡則是在如今變速恒頻風機大力推廣的時代，可以由風機自身解決，不用特別考慮治理方法。

靜止無功補償器（STATCOM）對電能質(zhì)量有較大提升，能夠有效解決電壓波動，提高功率因數(shù)，但是它的兩種工作模式如何控制得當，以及諧波抑制功能如何實現(xiàn)，使得電壓波動，功率因數(shù)，諧波這三項重要指標都滿足國標要求還需要更進一步的研究。

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