高比例新能源并網(wǎng)接入存在的電能質(zhì)量問題及解決方案

呂琳

1引言

全球能源發(fā)展經(jīng)歷了從薪柴時代到煤炭時代，再到油氣時代、電氣時代的演變過程。目前，世界能源供應(yīng)以化石能源為主，有力支撐了經(jīng)濟社會的快速發(fā)展。適應(yīng)未來能源發(fā)展的需求，水能、風(fēng)能、太陽能等清潔能源正在加快開發(fā)和利用。

新能源的快速發(fā)展并網(wǎng)，同時也帶來了嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題。和傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)相比，光伏，風(fēng)電的間歇特性，對電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的沖擊。尤其是在我國西北地區(qū)，近幾年大面積發(fā)展新能源電站，尤其是大面積風(fēng)電和光伏基地的集中接入，不斷的出現(xiàn)多種電能質(zhì)量問題。

本文筆者將從設(shè)備多年運行經(jīng)驗，實際出現(xiàn)的電能質(zhì)量問題出發(fā)。深層次的提出解決方案實施與現(xiàn)場應(yīng)用角度來闡明新能源電站并網(wǎng)電能質(zhì)量問題及解決方案。

2新能源電站并網(wǎng)面臨的電能質(zhì)量問題

2.1電站諧振問題

電力系統(tǒng)中許多元件是屬于感性或者容性，如變壓器，互感器，線纜等屬于感性元件，補償用電容器，SVG，線纜寄生電容為容性元件。這些元器件組成復(fù)雜的LC震蕩回路，再一定的能源作用下，特定參數(shù)配合的會就會出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。

該問題更多的是出現(xiàn)在光伏電站，這和光伏電站的高壓線纜采用地埋電纜方式，耦合電容參數(shù)較大。SVG也等效為一個電容或者電感器件，若SVG的控制性能不佳，不僅不能解決諧振問題，還會將諧振問題擴大化。某光伏電站50Hz電網(wǎng)電壓基礎(chǔ)上疊加了高次諧波，對諧振電壓進行傅里葉分析，諧振點在28次。而且諧振電壓在幾百mS內(nèi)就達到了額定電壓的1.4倍以上，最終導(dǎo)致電站過壓保護跳閘，保護跳閘后，電網(wǎng)電壓回復(fù)到正常水平。

2.2諧波問題

新能源電站并網(wǎng)逆變器都采用電力電子變換整流逆變來實現(xiàn)，大量逆變器，變流器并聯(lián)接入到并網(wǎng)點。設(shè)備之間的并聯(lián)也容易產(chǎn)生諧波，諧波長期危害電力設(shè)備的可靠性，使變壓器，電抗器等發(fā)熱，開關(guān)損壞。

2.3風(fēng)電場次同步震蕩

風(fēng)電發(fā)電機組接在經(jīng)串聯(lián)補償?shù)妮旊娋€路時，如果電氣系統(tǒng)的串聯(lián)諧振頻率 fn ?和發(fā)電機軸系的某一扭振頻率fm 對運行頻率f 而言接近互補的話，即fn+ fm= f ，則電氣系統(tǒng)將與發(fā)電機組軸系機械系統(tǒng)間相互交換振蕩能量，使振蕩逐漸加大，直到機軸損壞。風(fēng)電等新能源屬于間歇性能源，功率波動比較大，風(fēng)機數(shù)量多，易對電網(wǎng)造成擾動;在控制參數(shù)不合適時，電氣振蕩頻率容易與發(fā)電機軸系的自然扭振頻率之間成互補關(guān)系，此時處于平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)受到擾動后，引發(fā)次同步振蕩，嚴(yán)重時影響電網(wǎng)及電站正常運行。發(fā)生磁同步震蕩之后，電網(wǎng)電壓畸變嚴(yán)重。2016年12月，在新疆哈密三塘湖地區(qū)，出現(xiàn)多次磁同步震蕩。

3電能質(zhì)量問題解決方案

鏈?zhǔn)絊VG目前在電網(wǎng)電壓穩(wěn)定控制和電能治理中得到了廣泛的應(yīng)用，其鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，更高的等效開關(guān)頻率，更快的響應(yīng)速度將是解決電能質(zhì)量問題的最佳設(shè)備。但正是由于其鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的特點，系統(tǒng)控制框架復(fù)雜，控制性能差異較大。設(shè)備接入點電壓一般為10kV或者35kV，接入電壓等級高，產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性又存在一定的問題。

3.1諧振問題解決

從諧振發(fā)生的基本原理出發(fā)，其根本原因是系統(tǒng)等效參數(shù)出現(xiàn)諧振點，那么基于這個思路，可以采用諧振抑制來解決。分為諧振抑制環(huán)節(jié)：首先檢測三相并網(wǎng)點電壓，經(jīng)過DQ坐標(biāo)變換，濾出基波分量，再經(jīng)過反變換得到電壓的諧波分量，提取出經(jīng)過PI得到SVG諧振抑制的電流給定。同時在采樣環(huán)節(jié)增加基波帶通濾波器的抑制諧波放大的方法，可以避免SVG與系統(tǒng)電壓之間出現(xiàn)正反饋，該方法能使SVG等效接入近似理想系統(tǒng)，可以消除或降低系統(tǒng)諧波電壓放大。

采用該方法之后，電站諧振問題得到徹底解決，正如上述甘孜某光伏電站諧振，SVG投運前，系統(tǒng)明顯諧振，28次諧振電壓占比10.82%。

3.2治理諧波

基波無功補償環(huán)節(jié)：為SVG的基本功能。直流側(cè)穩(wěn)壓環(huán)節(jié)得到有功電流的給定;恒無功、恒電壓、恒功率因數(shù)等無功電流指令外環(huán)得到無功電流給定;內(nèi)環(huán)進行無功電流控制;

特定次諧波控制器：和基波電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)一致，但是在做變換時需要根據(jù)選定的諧波次數(shù)進行。實際應(yīng)用時根據(jù)需要決定諧波控制器的數(shù)量。

3.3次同步震蕩治理

當(dāng)SVG被用于次同步振蕩抑制時，可以通過控制，在基波控制信號中疊加次同步頻率電壓分量，使得SVG輸出的電壓中含有相應(yīng)頻率的次同步電壓，改變其注入系統(tǒng)的次同步電流，從而抑制次同步振蕩。 同時，SVG具有調(diào)節(jié)速度快，屬于有源裝置，不受電壓影響等優(yōu)點，非常適合次同步振蕩的抑制。

SVG抑制次同步振蕩的 設(shè)在某一穩(wěn)態(tài)狀況下，機組軸系受到一微小擾動，使發(fā)電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生角位移增量：

從式中可看出：當(dāng)軸系機械運動出現(xiàn)頻率為ωm的振蕩分量時，在發(fā)電機定子將引起次同步頻率（1-ωm）和超同步頻率（1+ωm）。 當(dāng)線路電氣諧振頻率正好是（1-ωm），則定子回路中頻率為（1-ωm）的電流分量與電壓分量相位相同，該電流分量形成的轉(zhuǎn)矩為

可知ΔTe與擾動Δω同相位，即對軸系中頻率為ωm的振蕩分量產(chǎn)生負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，使振蕩趨于增大。 SVG抑制次同步振蕩的機理就是通過注入足夠大的和機端電壓相位相反的次同步電流，使得最終在定子回路中的次同步電流與電壓分量方向相反，形成的轉(zhuǎn)矩與擾動相反，對軸系中的振蕩分量產(chǎn)生負(fù)阻尼轉(zhuǎn)矩，使振蕩減小。

4結(jié)語

本文綜合多年新能源電站并網(wǎng)遇到的問題，以及工程現(xiàn)場應(yīng)用中存在的問題。依托SVG產(chǎn)品的技術(shù)特點，利用得天獨厚的控制快速性能，可以良好的解決新能源并網(wǎng)所遇到的電能質(zhì)量問題。并網(wǎng)電能質(zhì)量治理的核心要素就是系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度。SVG解決電能質(zhì)量問題的前提就是設(shè)備的響應(yīng)速度，只有速度足夠快，才能從容應(yīng)對各種電能質(zhì)量問題。基于此思路，SVG在控制器架構(gòu)設(shè)計時就需要提出一些明確的速度指標(biāo)，例如控制頻率大于64KHz，閉環(huán)控制帶寬16us等指標(biāo)。

只有基于快速控制性能的前提條件下，產(chǎn)品的性能達到一定的指標(biāo)要求，同時產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性也至關(guān)重要。SVG作為掛網(wǎng)設(shè)備，保證實時在線運行。SVG才能作為新能源電站電能質(zhì)量治理的有利武器，良好的保障新能源電站穩(wěn)定運行。

參考文獻：

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