整流負(fù)荷接入系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響研究

趙 斌 王維慶 吐松江·卡日 王銀萍

(1.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；2.教育部可再生能源發(fā)電與并網(wǎng)控制工程技術(shù)研究中心，烏魯木齊 830047)

由于以上問(wèn)題的存在，使電網(wǎng)附件損耗增加、品質(zhì)變壞、波形失真、頻率改變，過(guò)度消耗電網(wǎng)中的無(wú)功功率和電流有效值，從而增加了電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，因此急需對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行治理。治理的首要問(wèn)題是對(duì)系統(tǒng)的諧波、無(wú)功和負(fù)序進(jìn)行精確的檢測(cè)。關(guān)于諧波和無(wú)功的檢測(cè)方法，大量文章已對(duì)其進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3]中采用了基于瞬時(shí)無(wú)功理論的ip-iq法和基于自適應(yīng)對(duì)消原理的自適應(yīng)閉環(huán)諧波檢測(cè)方法對(duì)諧波進(jìn)行了檢測(cè)，其中自適應(yīng)閉環(huán)諧波檢測(cè)方法檢測(cè)精度受參數(shù)的影響較大，而ip-iq法更簡(jiǎn)單可行。對(duì)于負(fù)序的檢測(cè)方法，文獻(xiàn)[4]提出了基于單相電氣化鐵路系統(tǒng)的諧波和負(fù)序電流的檢測(cè)方法，但該檢測(cè)方法只能用于單相系統(tǒng)負(fù)序和諧波的檢測(cè)。而文獻(xiàn)[5]基于改進(jìn)對(duì)稱分量法的正、負(fù)序電流檢測(cè)方法，能很好地檢測(cè)三相系統(tǒng)的基波正序和基波負(fù)序電流。只要可以檢測(cè)出系統(tǒng)的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流，便可以計(jì)算出需要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功容量進(jìn)行無(wú)源補(bǔ)償[6～8]，或者通過(guò)有源濾波器進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償[3，9～12]，最為直接有效。因此筆者針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)可能存在的諧波、無(wú)功及負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題，通過(guò)檢測(cè)流入風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處的諧波電流和無(wú)功電流，經(jīng)過(guò)研究分析，提出了相應(yīng)的治理措施。

1 基于瞬時(shí)無(wú)功理論的檢測(cè)方法①

基于瞬時(shí)無(wú)功理論的檢測(cè)方法有p-q法和ip-iq法，這兩種方法都可以檢測(cè)三相系統(tǒng)的諧波和無(wú)功電流。但是由于p-q方法在檢測(cè)過(guò)程中電壓信號(hào)參與了運(yùn)算，當(dāng)系統(tǒng)電壓發(fā)生畸變時(shí)，會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，而ip-iq不存在此類問(wèn)題。

1.1 ip-iq的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法

基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq檢測(cè)方法的原理如圖1所示[3]。

圖1 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq法

(1)

(2)

(3)

(4)

把系統(tǒng)側(cè)的三相電流看作由基波有功電流、基波無(wú)功電流和諧波電流組成，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq法，根據(jù)不同的檢測(cè)目的，可以通過(guò)調(diào)節(jié)圖1中的開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)以上3種電流的檢測(cè)。

1.2 負(fù)序電流的檢測(cè)方法

對(duì)于三相系統(tǒng)，如果三相電壓對(duì)稱且負(fù)荷也同時(shí)三相對(duì)稱，則該系統(tǒng)理論上不會(huì)存在負(fù)序電流。由于ip-iq檢測(cè)方法不能直接檢測(cè)系統(tǒng)的負(fù)序電流，因此需要對(duì)以上方法進(jìn)行改進(jìn)。

1.2.1存在單相負(fù)荷的系統(tǒng)

對(duì)于對(duì)稱的三相系統(tǒng)，若接入單相負(fù)荷，負(fù)荷三相不對(duì)稱，則該系統(tǒng)存在負(fù)序問(wèn)題。文獻(xiàn)[4]基于單相電氣化鐵路負(fù)荷，檢測(cè)兩個(gè)供電臂的瞬時(shí)電流iaL、ibL，兩供電臂電壓ua、ub。負(fù)序和諧波電流檢測(cè)電路如圖2所示。

圖2 負(fù)序和諧波電流檢測(cè)電路

1.2.2存在不對(duì)稱三相負(fù)荷的三相系統(tǒng)

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對(duì)于對(duì)稱的三相的系統(tǒng)，若含有不對(duì)稱的三相負(fù)荷，也存在負(fù)序問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]提出了基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的正、負(fù)序電流檢測(cè)方法，其控制原理如圖3所示。

圖3 基于瞬時(shí)對(duì)稱分量法的正、負(fù)序電流檢測(cè)原理

圖3中有關(guān)物理量的表達(dá)式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

由圖3可知，通過(guò)廣義d-q變換，可以分別得到三相電流的正、負(fù)序d-q分量。在三相三線制系統(tǒng)中，零序分量為0，因此正序和負(fù)序電流的基波分量直接相加即可得到三相電流的基波分量[5]。顯然要想檢測(cè)系統(tǒng)的負(fù)序電流和諧波電流，只需要用三相電流減去基波電流的正序分量。

2 實(shí)例仿真

仿真系統(tǒng)為三相工頻220kV系統(tǒng)，先后經(jīng)過(guò)兩次變壓：220kV/25kV、25kV/690V。風(fēng)電場(chǎng)出口電壓為690V，風(fēng)電場(chǎng)中含有6臺(tái)容量為1.5MW的雙饋風(fēng)機(jī)。仿真過(guò)程設(shè)定風(fēng)速為恒定風(fēng)速15m/s，槳距角設(shè)為0。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同情況下并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和電流波形進(jìn)行分析。

三相整流負(fù)荷由47μF的電容并聯(lián)33Ω的電阻構(gòu)成。由于三相系統(tǒng)對(duì)稱，三相非線性整流負(fù)載也為三相對(duì)稱負(fù)載，因此補(bǔ)償前、后系統(tǒng)三相電壓、電流波形仍然對(duì)稱，因此筆者只研究系統(tǒng)a相電壓、電流波形。系統(tǒng)a相電壓、電流波形經(jīng)FFT分析，見表1。

表1 系統(tǒng)a相電壓、電流波形經(jīng)FFT分析結(jié)果

由表1可以很容易看出穩(wěn)定前690V風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)側(cè)母線電壓畸變率均比25kV系統(tǒng)側(cè)母線電壓畸變率大，這是由于25kV系統(tǒng)電壓等級(jí)較高，抗干擾能力較強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，25kV側(cè)母線電壓和690V母線側(cè)電壓、電流畸變率各自維持在某一數(shù)值。

當(dāng)系統(tǒng)不存在三相整流負(fù)荷時(shí)，0.1s系統(tǒng)穩(wěn)定后的電壓、電流畸變率均小于2%，滿足系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求，說(shuō)明系統(tǒng)自帶的濾波器可以滿足要求。當(dāng)25kV側(cè)加三相整流負(fù)荷時(shí)，在25kV側(cè)和風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流均產(chǎn)生較大的畸變，需要額外加入濾波裝置，這是由于諧波的高壓滲透性造成的[13]。但當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處加入三相整流負(fù)荷時(shí)，穩(wěn)定后不論是25kV側(cè)還是風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處電壓、電流畸變率均小于2%，滿足系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求。這說(shuō)明三相整流負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波均被風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部的濾波裝置消除。

因此需要補(bǔ)償?shù)那闆r只有一種，就是當(dāng)25kV母線側(cè)存在三相整流負(fù)荷時(shí)，需要在風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)加裝補(bǔ)償裝置。圖4～6分別為此種情況下風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的三相電壓、電流波形，a相諧波電流波形和a相基波無(wú)功電流波形。由于三相系統(tǒng)對(duì)稱，三相非線性整流負(fù)載也為三相對(duì)稱負(fù)載，因此檢測(cè)結(jié)果基本不包含電流信號(hào)的負(fù)序分量，圖7也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。因此可以根據(jù)以上的檢測(cè)結(jié)果，把檢測(cè)出的諧波電流和無(wú)功電流作為指令電流，一方面通過(guò)有源濾波器對(duì)諧波電流、無(wú)功電流進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)中幾乎不存在諧波和無(wú)功；另一方面還可以通過(guò)計(jì)算無(wú)功補(bǔ)償容量，加裝無(wú)源濾波器和無(wú)功補(bǔ)償裝置，抑制諧波并補(bǔ)償無(wú)功，從而保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖4 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓、電流波形

圖5 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)a相諧波電流波形

圖6 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)a相基波無(wú)功電流波形

圖7 風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)基波正序、負(fù)序、零序電流幅值

3 結(jié)束語(yǔ)

基于并網(wǎng)風(fēng)電系統(tǒng)，在不同電壓等級(jí)處接入非線性整流負(fù)荷，對(duì)比分析風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處的電壓和電流波形，得出當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處加入三相整流負(fù)荷時(shí)，由于風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部濾波裝置的存在，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后不論是25kV側(cè)還是風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)處電壓、電流畸變率均小于2%，滿足系統(tǒng)電能質(zhì)量的要求。當(dāng)25kV母線側(cè)存在非線性整流負(fù)荷時(shí)，25kV側(cè)和風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓、電流波形均產(chǎn)生較大的畸變，即高壓整流負(fù)荷對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響較大，此時(shí)需要在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)處加裝額外的濾波裝置對(duì)諧波進(jìn)行治理。

由于筆者研究的是三相對(duì)稱系統(tǒng)，三相整流負(fù)荷也為三相對(duì)稱負(fù)荷，因此系統(tǒng)中基本不存在負(fù)序問(wèn)題。因此下一步可以從不對(duì)稱負(fù)荷的角度出發(fā)，補(bǔ)償系統(tǒng)的諧波、無(wú)功和負(fù)序，以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合治理，使電力系統(tǒng)更加安全、穩(wěn)定運(yùn)行。