風(fēng)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的簡單分析

王帥 謝冬梅

摘要

風(fēng)能的開發(fā)受到國家與社會(huì)的一致關(guān)注，與風(fēng)電相關(guān)的技術(shù)在迅速發(fā)展。伴隨著風(fēng)電與配電網(wǎng)之間關(guān)系越加密切，風(fēng)電并網(wǎng)所引起電壓穩(wěn)定的相關(guān)問題也越來越受到人們的密切關(guān)注。本文主要對風(fēng)力發(fā)電的基本原理進(jìn)行了簡單概述，從風(fēng)電并網(wǎng)的諧波電流入手，通過PSCAD軟件對電能質(zhì)量的影響進(jìn)行簡單仿真分析。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電并網(wǎng) 電壓穩(wěn)定 電能質(zhì)量 諧波電流

1 引言

按照風(fēng)力發(fā)電不同形式可以將風(fēng)力發(fā)電分為并網(wǎng)型和離網(wǎng)型。如何將風(fēng)電接入配電網(wǎng)之中，并降低風(fēng)電網(wǎng)對原有配電網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性的影響，是風(fēng)電發(fā)電技術(shù)三大研究課題之一。針對此項(xiàng)難題科研人員予以很多的專項(xiàng)研發(fā)，已經(jīng)初步具有相應(yīng)的技術(shù)突破，主要有兩個(gè)方面：一方面，基于風(fēng)電場創(chuàng)立模型，模擬實(shí)際情況，做出了很多的研發(fā)。另一方面，針對風(fēng)電場并網(wǎng)的適應(yīng)性的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)非常具體。

本文的研究正是在此背景之下展開，概括的對風(fēng)電技術(shù)等基本原理進(jìn)行總結(jié)，分析風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)絡(luò)之間的相互影響，并分析風(fēng)電并網(wǎng)諧波電流對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定等方面帶來的一系列影響，并進(jìn)一步進(jìn)行仿真模擬驗(yàn)證。最終根據(jù)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)論得出風(fēng)電并網(wǎng)諧波電流對電力系統(tǒng)穩(wěn)定產(chǎn)生怎樣的影響并提出解決方案。

2 風(fēng)力發(fā)電基本原理與并網(wǎng)影響

2.1 基本原理

風(fēng)力發(fā)電就是利用風(fēng)的推動(dòng)力使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)而輸出電能，其運(yùn)行的工作原理是空氣流動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)能會(huì)推動(dòng)風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)，風(fēng)輪的軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)使其運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)際上就是把風(fēng)力產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流御荷環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)以及傳輸環(huán)節(jié)等共同組成。該系統(tǒng)由智能開關(guān)控制系統(tǒng)控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的工作狀態(tài);由逆變器控制電能的轉(zhuǎn)換;由電纜負(fù)責(zé)電能的傳輸;再加之一些輔助配件共同組成風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

2.2 風(fēng)電并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定的影響

我國風(fēng)電場的分布表現(xiàn)為多分布在比較僻遠(yuǎn)的西部山區(qū)，這些地區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般比較單一，系統(tǒng)應(yīng)變功能薄弱。如果電網(wǎng)電壓會(huì)持續(xù)增加，原有配電系統(tǒng)電網(wǎng)的電壓過高。使得該地區(qū)電網(wǎng)無法負(fù)荷如此高的電壓和功率，將對電網(wǎng)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞。

考慮到安裝、運(yùn)行維護(hù)成本，一般采用并聯(lián)電容器進(jìn)行無功補(bǔ)償。當(dāng)電壓有所下降時(shí)，并聯(lián)電容的容量會(huì)快速隨電壓的下降而下降，使得電網(wǎng)產(chǎn)生的無功功率持續(xù)增加，造成配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的無功功率朝著更加糟糕的方向發(fā)展，最終導(dǎo)致整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)崩潰，而風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)同樣無法正常工作。此外，風(fēng)電機(jī)組通常采用異步發(fā)電機(jī)，為了確保設(shè)備使用率，需要額外的無功電源，需要在風(fēng)電場內(nèi)加裝無功補(bǔ)償裝置來進(jìn)行解決。

3 風(fēng)電并網(wǎng)諧波電流分析

3.1 電力系統(tǒng)的諧波

電力系統(tǒng)正常號行狀態(tài)下，電壓一般為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，其表達(dá)式為：

一般來說，將正弦電壓通過線性電路不會(huì)產(chǎn)生變化，輸入輸出電壓和電流的波形不會(huì)發(fā)生改變。如果將輸出的非正弦波T=2ω/π的非正弦電壓u（ωt）通過傅里葉號換可得到，如下表達(dá)式：

同理，按照傅里葉號換得到的表達(dá)式可將電流的諧波電流同樣采用傅里葉變換表示出來。

n次諧波電流含有率HRI_n的計(jì)算公式為：電流諧波總畸變率THD_i的計(jì)算公式為：

3.2 雙饋電機(jī)的諧波電流特性分析

首先要知道的就是雙饋電機(jī)定子電流諧波來源，一般來講，雙反饋機(jī)組的諧波成分比較，這與它的構(gòu)造是密不可分的，定子側(cè)由于定子開槽使得磁導(dǎo)率分布不均衡而產(chǎn)生諧波，轉(zhuǎn)子側(cè)電流由于通過電力電子器件逆變后產(chǎn)生諧波。

在標(biāo)準(zhǔn)雙反饋機(jī)組中，我們將定子等效為發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子為電動(dòng)機(jī)進(jìn)行分析，我們假設(shè)雙反饋機(jī)組在電機(jī)在計(jì)算時(shí)刻前后處于穩(wěn)定運(yùn)行、不考慮電阻隨著溫度號化而號化的幅值、電機(jī)的飽和效應(yīng)忽略不計(jì)、集膚效應(yīng)忽略不計(jì)、電機(jī)不產(chǎn)生齒諧波的條件下運(yùn)行以便進(jìn)行分析。為此，轉(zhuǎn)子輸出電壓可以等效為各個(gè)序分量單獨(dú)作用的電氣回路來分析?？紤]到所有的參數(shù)需要折算到定子側(cè)去計(jì)算，所以雙反饋機(jī)組的等效電路可以表示為諧波正、負(fù)序。

通過等效電路可以等效純感性電路，只考慮電機(jī)漏抗和電網(wǎng)的電抗。因此，雙饋發(fā)電機(jī)定子側(cè)諧波不影響系統(tǒng)電能質(zhì)量。

4 仿真研究

通過上節(jié)的研究，具體對以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)中諧波的具體來源同時(shí)依照它的等效電路在理論上對雙饋風(fēng)電機(jī)組諧波的特性進(jìn)行了分析。本節(jié)內(nèi)容主要采用PSCAD仿真軟件進(jìn)行探究并且建立雙饋風(fēng)電機(jī)組的仿真模型以研究工作。

圖1～3為在進(jìn)行仿真過工中，F(xiàn)FT分析選取的電流來自于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出口，由數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在風(fēng)電機(jī)組不同風(fēng)速條件下分析得到的諧波電流頻譜圖。

圖1～3中分別對10.00m/s、11.00m/s、12.00m/s風(fēng)速條件下進(jìn)行的風(fēng)電機(jī)組的電流頻譜統(tǒng)計(jì)圖，由圖中可以得到，風(fēng)速不同并不能對諧波電流的分布情況產(chǎn)生較大的影響，通過比較可以得出，只有為數(shù)不多的個(gè)別次數(shù)諧波電流含量在一定工度上會(huì)進(jìn)行波動(dòng)變化，諧波處于穩(wěn)定狀態(tài)的仍然占據(jù)較大比例。

從表1可知：在不同風(fēng)速條件下，總諧波電流的有效值差異性并不明顯，而由于風(fēng)速的慢慢加強(qiáng)，其中總諧波電流的畸形變化率也隨之不斷減少，具體原因是由于風(fēng)速的變化對基波電流造成了一定的影響。

接下來在風(fēng)速通過調(diào)整，施以外在干擾不能保持穩(wěn)定時(shí)，對風(fēng)電機(jī)組能夠輸出的諧波電流研究。基本風(fēng)速假設(shè)為11.00m/s，并且此時(shí)會(huì)受到峰值1.00m/s的陣風(fēng)擾動(dòng)，擾動(dòng)周期為0.2s。通過對仿真得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到以下頻譜圖4。

由圖4可以得知，次數(shù)較低的諧波電流在風(fēng)電機(jī)組輸出的電流頻譜圖中所占的比重增加最為明顯。此時(shí)的總諧波畸形變化率達(dá)到了8.73%，此種變化的存在大大超出了恒定風(fēng)速下的總諧波畸變率。

由此，我們可以總結(jié)出，風(fēng)速存在波動(dòng)的條件下。對次數(shù)較低的諧波含量和總體的諧波畸形變化率而言，都顯著增大。

5 解決措施

一般說來，風(fēng)電場都是處在線路的最后位置，輸送線路較長，而且其自帶的無用功補(bǔ)償系統(tǒng)在最大負(fù)荷運(yùn)行下不能達(dá)到需要的無功，通過上述研究并能發(fā)現(xiàn)其受到風(fēng)速的影響，在風(fēng)速不穩(wěn)定的時(shí)候，單純的依靠外界電容器組不能達(dá)到我們上邊所說的要求，因此對于風(fēng)電我們需要在連接口加上動(dòng)態(tài)的補(bǔ)償裝置，由此來確定風(fēng)電的穩(wěn)定，進(jìn)一步產(chǎn)生高質(zhì)量的電能。

因此風(fēng)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量造成影響的治理措施，主要通過加裝無功補(bǔ)償裝置來對風(fēng)電場進(jìn)行電能質(zhì)量治理。

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