風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析及抑制

中國電器工業(yè)協(xié)會　朱珊珊

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量分析及抑制

中國電器工業(yè)協(xié)會朱珊珊

為了提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量治理效果，提出了一種將電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)綜合治理的方法。該方法通過研究電能質(zhì)量中諧波、電壓波動及閃變和三相不平衡度的治理方法，尋找出其治理方法的共同點(diǎn)以及分享治理的共通點(diǎn)，利用這些共同點(diǎn)將其綜合到一起形成一套從跟蹤監(jiān)測到綜合治理全新的治理方法，使電能質(zhì)量的各項(xiàng)指標(biāo)都能達(dá)到國標(biāo)要求的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)理論驗(yàn)證，該方案能夠有效地將電能質(zhì)量中諧波、電壓波動及閃變和三相不平衡度均制約在國標(biāo)要求的范圍內(nèi)，并利用Matlab將各項(xiàng)數(shù)據(jù)仿真出來，使讀者能夠更直觀的看到其效果。

風(fēng)力發(fā)電 電能質(zhì)量 諧波 電壓波動 閃變 三相不平衡度

0　引言

在各種可再生能源的利用中，風(fēng)力發(fā)電作為一種綠色能源有著改善能源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面的優(yōu)勢，是未來能源電力發(fā)展的一個趨勢。但是，風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率是波動的，可能影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如諧波、電壓的波動和閃變、三相不平衡度以及頻率偏差等，嚴(yán)重時會對弱電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性造成危害，因此，風(fēng)力發(fā)電場對接入電網(wǎng)的影響不容忽視。對風(fēng)電接入端的電能質(zhì)量進(jìn)行長期、連續(xù)地監(jiān)測，從而全面掌握風(fēng)電場電能質(zhì)量的狀況，為進(jìn)一步研究和改善風(fēng)電電能質(zhì)量提供依據(jù)有著十分重要的意義。

而針對以上這些影響因素，目前已經(jīng)有了很多專門針對單一因素的解決方法，但是將各種因素綜合治理的方法目前還很不成熟，沒有一種成熟的系統(tǒng)可以將影響電能質(zhì)量的因素全部解決。

經(jīng)過對單一方法的研究和努力的尋找各種方法的共同點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)目前比較好的解決諧波的辦法就是利用PWM整流技術(shù)；而電壓的波動和閃變與三相不平衡度的解決辦法中都存在一個共同點(diǎn)，即無功補(bǔ)償。完全可以用PWM整流技術(shù)和無功補(bǔ)償共同來達(dá)到綜合治理電能質(zhì)量的問題。

1　諧波分析

公用電網(wǎng)中的諧波主要是由各種電力電子裝置、變壓器、發(fā)電機(jī)、電弧爐、熒光燈等產(chǎn)生的。在電力電子裝置大量應(yīng)用之前，主要的諧波源電力變壓器的勵磁電流，其次是發(fā)電機(jī)。在電力電子裝置應(yīng)用之后發(fā)電機(jī)成為主要的諧波源。

PWM整流器是將交流變成直流的變流裝置，通過適當(dāng)?shù)目刂?，可以使輸出直流電壓穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，同時使電網(wǎng)側(cè)電流正弦化且與電壓同相位。由于非線性和感性/容性負(fù)載的大量使用，電網(wǎng)中諧波對電能質(zhì)量造成了嚴(yán)重不良影響，不僅干擾了相鄰的其他用電設(shè)備，而且還影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。如果讓數(shù)量眾多的整流裝置除了實(shí)現(xiàn)原先的整流功能外，也能夠起到補(bǔ)償無功和抑制諧波的作用，這對提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量是非常有意義的。事實(shí)上，只要通過適當(dāng)?shù)目刂疲琍WM整流器完全能夠起到這些作用：從電網(wǎng)吸入有功電流，變?yōu)橹绷鱾魉徒o負(fù)載，同時還可以向電網(wǎng)送出反向的無功和諧波電流，以補(bǔ)償電網(wǎng)連接點(diǎn)鄰近用電設(shè)備產(chǎn)生的無功和抑制諧波，使該接點(diǎn)從電網(wǎng)吸入的總電流不再含有無功諧波電流（或者得到抑制）。

1.1工作原理

三相電壓型PWM整流器的主電路如圖1所示。圖中ea、eb、ec為電網(wǎng)電壓，isa、isb、isc為電網(wǎng)輸入電流，ura、urb和urc為整流橋交流側(cè)電壓，udc為整流橋直流側(cè)電壓，R為交流測電阻，Ls為交流側(cè)電感，C為直流側(cè)濾波電容，iL為負(fù)載電流。

PWM整流器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳輸，當(dāng)PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其處于整流狀態(tài)；當(dāng)PWM整流器向電網(wǎng)輸出電能時，其處于逆變狀態(tài)。PWM整流器實(shí)際上是一個交、直流測可控的四象限變流裝置。

參照PWM逆變電路的工作原理，按照正弦信號調(diào)制波和三角載波相比較的方法對橋臂上下開關(guān)管進(jìn)行PWM調(diào)制，就可以在橋臂的交流側(cè)產(chǎn)生正弦調(diào)制的電壓波形，波形中除了含有與正弦信號波同頻率切幅值成比例的基波分量外，還含有與三角載波有關(guān)的頻率很高的諧波。由于電感的濾波作用，這些高次諧波只會是交流電流產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，當(dāng)正弦信號的頻率和電源頻率相同時，交流電流為頻率與電網(wǎng)頻率相同的正弦波。

圖1　三相電壓型PWM整流器主電路原理圖

若只考慮基波分量，忽略PWM諧波分量，則下面的矢量方程式成立。

由此可知，當(dāng)把電網(wǎng)電動勢作為參考時，通過控制交流電壓矢量即可實(shí)現(xiàn)PWM整流器的四象限運(yùn)行。圖2中的向量圖說明了PWM整流器的4種典型的運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 PWM整流器四象限運(yùn)行矢量圖

這四種情況只是PWM整流器運(yùn)行的四個特殊的工作狀態(tài)。通過控制交流電壓矢量V，可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)電動勢和電流之間的相位差以及電網(wǎng)電流幅值的大小，同時，既可以控制交直流側(cè)有功功率的傳遞，又可以控制整流器從電網(wǎng)吸收或發(fā)出的無功功率，即實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。

假定如圖3所示系統(tǒng)電壓三相對稱，即如下所示：

式中：Em與ω分別為相電壓幅值與頻率。則由圖3可得如下方程，

通常忽略交流測電阻損耗以及開關(guān)損耗，因此有如下的交、直流功率平衡式

代入式（3）可得

對于dq軸電流，有功功率只與isd有關(guān)，稱為有功電流；無功功率只與isq有關(guān)稱為無功電流。直流電壓可由有功電流控制，而功率因數(shù)可由無功電流控制。因此，PWM整流器通常采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓電流雙閉環(huán)控制，如圖3所示。

1.2Simulink仿真

圖3　PWM整流器控制框圖

根據(jù)上述理論，對一個采用三電平電壓型變流器的PWM整流器進(jìn)行Matlab/Simulink仿真。圖4為仿真模型。

該模型上面部分為主電路部分，由左至右依次為交流電源、交流負(fù)載、電壓電流測量模塊、變壓器、電阻電感、三電平變流器、直流電容和負(fù)載電阻。交流電源的線電壓為600V，60Hz，短路容量為30MVA，外接500kVar和1MW的負(fù)載，變壓器變比為600/240V，在0.05s之前，直流負(fù)載為200kW的電阻（直流電壓500V），0.05s之后通過斷路器并聯(lián)一個相同大小的電阻，因此功率變?yōu)?00kW?！癇1”模塊為“Three—Phase V—I Measurements”模塊，可以測量三相電路的電壓和電流。

圖4下面有兩個主要模塊，左邊的為測量模塊；右邊的為控制模塊，采用的即為前述的同步坐標(biāo)系下的雙環(huán)控制。

運(yùn)行程序后可得如下仿真結(jié)果。圖5為直流電壓波形，在0.1s前，PWM整流器能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓穩(wěn)定在500V的控制目標(biāo)，即使0.05s時突加一倍負(fù)載，直流電壓也能迅速恢復(fù)。在0.1s之后，轉(zhuǎn)為二極管整流橋運(yùn)行，直流電壓下降，這反映了PWM整流器升壓整流的特性。

圖4　PWM整流器仿真模型

圖5 直流電壓波形

圖6為交流電壓電流波形，在PWM整流器運(yùn)行時，電流波形近似正弦波，較二極管整流時有明顯改善。且交流電流與電網(wǎng)電壓同相位，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)為1的控制目標(biāo)。圖7所示為PWM整流器交流側(cè)的電壓波形。

圖6　交流電壓和電流波形

圖7 PWM整流器交流側(cè)電壓波形

圖8和圖9分別為PWM整流器運(yùn)行時和二極管整流器運(yùn)行時的交流電流諧波頻譜圖。THD（總諧波失真）是指用信號源輸入時，輸出信號比輸入信號多出的額外諧波成分。諧波失真是由于系統(tǒng)不是完全顯性造成的，它通常用百分?jǐn)?shù)來表示。

所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。一般來說，1000Hz頻率處的總諧波失真最小，因此不少產(chǎn)品均以該頻率的失真作為它的指標(biāo)。但總諧波失真與頻率有關(guān)，必須在20～20000Hz的全音頻范圍內(nèi)測出。THD的數(shù)值越小，說明品質(zhì)越高。

其中圖11PWM整流器運(yùn)行時THD值為10.45%；而圖11二極管整流器運(yùn)行時THD值為36.67%?？梢?，PWM整流器的諧波性能有了明顯提高。

圖8　PWM整流器運(yùn)行時交流電流諧波分析

2　電壓波動及閃變分析

圖9　二極管整流器運(yùn)行時交流電流諧波分析

風(fēng)電機(jī)組在變動的風(fēng)速作用下，其功率輸出具有變動的特性，可能引起所接入系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)（如并網(wǎng)點(diǎn)）的電壓波動。研究表明，0.1～35Hz頻率范圍內(nèi)的電壓波動將引起人眼可覺察到的閃變問題，而相對較快的風(fēng)速變動，其變化頻率一般也約在0.1Hz數(shù)量級，這種頻率范圍的電壓波動引起可覺察的閃變的可能性很小。由于自身結(jié)構(gòu)的影響，風(fēng)電機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行過程中將引起1Hz數(shù)量級的電壓波動，這種連續(xù)的電壓波動可能會引起相對較嚴(yán)重的閃變問題。風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行引起的電壓波動源于其波動的功率輸出，而輸出功率的波動主要是由風(fēng)速的快速變動以及塔影效應(yīng)、風(fēng)剪切、偏航誤差等因素引起的。

2.1SVC的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

SVC的構(gòu)成形式有多種，但基本原件是晶閘管控制的電抗器和晶閘管投切額電容器。如圖10所示為常用的SVC原理圖，圖中的降壓變壓器是為了降低SVC造價，而引入的濾波器則用來吸收SVC所產(chǎn)生的諧波電流。

圖10　SVC原理圖

TCR支路有電抗器與兩個反向并聯(lián)的晶閘管相串聯(lián)構(gòu)成，TSC支路有點(diǎn)容器和兩個反向并聯(lián)的晶閘管串聯(lián)構(gòu)成，其控制元件均為晶閘管。TCR支路的等指基波電抗使晶閘管導(dǎo)通角β或觸發(fā)角α的函數(shù)，調(diào)整β或α可以平滑的調(diào)整并聯(lián)在系統(tǒng)的等值電抗。其從系統(tǒng)中吸收的無功功率為

式中，L為電抗器的電感值。

TSC支路受電力電子器件控制使電容器只有兩種運(yùn)行狀態(tài)，即將電容器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中或?qū)㈦娙萜魍顺鲞\(yùn)行。由于TSC投切電容器是由電力電子器件控制完成的，因此它比機(jī)械可投切電容器要快得多，動態(tài)特性可以滿足系統(tǒng)控制的需要。當(dāng)TSC支路投入到系統(tǒng)中后，其向系統(tǒng)注入的無功功率成為

式中，C為電容器的電容值。由式（8）和式（9）可得SVC向系統(tǒng)注入的無功功率為

可見當(dāng)時，SVC向系統(tǒng)注入的無功功率可以連續(xù)平滑的調(diào)節(jié)。一般為了擴(kuò)大SVC的調(diào)節(jié)范圍，SVC裝置中可采用多個TSC支路，而且為了保證調(diào)整的連續(xù)性，通常TCR的容量略大于一組TSC的容量。若投入的TSC的總電容為C，則SVC的等值電抗為

SVC的等值伏安特性由TCR和TSC組合而成，其伏安特性曲線如圖11所示，Vref為SVC的參考電壓。SVC的可調(diào)范圍在直線AB范圍內(nèi)，當(dāng)系統(tǒng)電壓的變化超出SVC控制范圍時，SVC就成為一個固定點(diǎn)抗，及XSVCmin=-1/ ωC或XSVCmax=（ωL）/（1-ω2LC）。

圖11　SVC的伏安特性曲線

2.2SVC系統(tǒng)的仿真模擬

為了分析SVC裝置對所安裝處的電壓控制效果，設(shè)一個具有并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的簡單系統(tǒng)如圖12所示，假設(shè)計(jì)算電壓降落時可略取其橫向分量，則無功補(bǔ)償前母線i的電壓Ui為

式中，Uj為設(shè)置補(bǔ)償設(shè)備前母線j的電壓。

圖12　具有并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備的簡單系統(tǒng)

當(dāng)裝設(shè)無功補(bǔ)償后，母線j的電壓變?yōu)閁jc，則母線i的電壓為

設(shè)這兩種情況下Ui保持不變，則由式（12）和式（13）可得

由此可解得

式中方括號內(nèi)第二項(xiàng)的數(shù)值一般不大，可略去。從而可簡化為

根據(jù)式（14）就可以按照調(diào)壓的要求計(jì)算出補(bǔ)償設(shè)備的容量Qc。

根據(jù)圖1 3的輸電系統(tǒng)，建立了一個1 1 0 k V的matlabSVC仿真模型。

電源電壓為600V，頻率60Hz。為了分析母線電壓波動時SVC裝置的動作情況，采用了Simulink中的可編程電壓源。

線路長度為50km，r0=0.21Ω/km；系統(tǒng)負(fù)荷為10MW。

在整個仿真過程中，可編程電壓源的電壓變化設(shè)置如下：

（1）0～0.2s時電壓源賦值為1.0pu。

（2）0.2～0.5s時電壓源賦值為0.94pu。

（3）0.5～0.8s時電壓源幅值為1.06pu。

（4）0.5～1.0s時電壓源幅值為1.0pu。

圖13　SVC仿真系統(tǒng)圖

當(dāng)電源電壓為0.94pu時，為使母線j的電壓達(dá)到1.0pu，根據(jù)式（14）計(jì)算出補(bǔ)償設(shè)備的容量Qc為

同理，當(dāng)電源電壓為1.06pu時，為使母線j的電壓達(dá)到1.0pu，根據(jù)式（14）計(jì)算出補(bǔ)償設(shè)備的容量Qc為

Qc=-36.3Mvar

因此設(shè)置圖中SVC在額定電壓下能夠產(chǎn)生的無功功率極限為［40Mvar，-40Mvar］，控制模式為“電壓調(diào)整”方式。

圖14　仿真結(jié)果圖

運(yùn)行仿真，結(jié)果如圖14所示。從圖中可見，在電壓源發(fā)生變化時，SVC裝置輸出的無功功率也隨之變化，限制了母線電壓的升高或降低。當(dāng)母線電壓降低時，SVC裝置可以發(fā)出無功功率防止母線電壓降低過多。從圖中可以看出SVC裝置發(fā)出的無功功率大約是40Mvar，實(shí)際上是TCR支路退出控制，TSC支路完全投入。當(dāng)母線電壓升高時，SVC裝置從系統(tǒng)中吸收無功功率，可以限制電壓的升高。從圖中可以看出吸收的無功功率越40Mvar，實(shí)際上相當(dāng)于TCR支路的電抗完全投入。

上面的分析雖然表明了SVC裝置動作的正確性，但并不能說明SVC裝置為母線電壓的控制效果。圖15給出了未加SVC裝置和加裝SVC裝置后的母線電壓Uj隨電源電壓變化的情況。從圖中可以看出，當(dāng)電源電壓變化相同時，加裝SVC后的母線電壓比未加裝SVC的電壓波動要小得多。當(dāng)電源電壓升高6%時，SVC的作用使母線電壓僅升高約1%，而沒有SVC時母線電壓升高的程度幾乎和電源電壓一樣。同樣，電源電壓降低時，SVC也能減弱母線電壓降低的程度。顯然可以看出，為了更好地體現(xiàn)SVC對母線電壓的控制效果，還可以采用更多的TCR和TSC，但這樣必然會加大投資。因此在實(shí)際工程中應(yīng)該根據(jù)需要來選擇TCR和TSC的容量。

圖15　未加SVC裝置和加裝SVC裝置后的Uj隨源電壓變化

3　結(jié)束語

風(fēng)電場電能質(zhì)量問題是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中待解決的兩大問題之一，為了提高電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)的安全，對電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時、準(zhǔn)確的監(jiān)測、分析及治理是非常必要的。因此，采用適宜的分析方法是解決電能質(zhì)量問題的必要條件。一套實(shí)用性強(qiáng)的電能質(zhì)量監(jiān)測及治理裝置，可以是風(fēng)電并網(wǎng)后相對穩(wěn)定的運(yùn)行先決條件。

本系統(tǒng)根據(jù)電能質(zhì)量各項(xiàng)指標(biāo)的特點(diǎn)和相對的解決方法，設(shè)計(jì)出一套綜合的治理系統(tǒng)，并加入在線監(jiān)測裝置將其完善。相信可以對解決風(fēng)電并網(wǎng)引起的電力系統(tǒng)穩(wěn)定的問題起到一定的作用。