風力發電場電能質量控制與試驗裝置研究

摘要：隨著國家能源政策的轉變，以風力發電為代表的新能源發電已得到了長足的發展。但是，風力發電機組的大規模并網運行帶來了種種電能質量問題，本文介紹幾種用于改善或研究風力發電場電能質量控制與試驗的裝置。首先綜述了風力發電的發展情況，然后對目前電能質量問題研究進行了闡述，最后介紹了幾種以電能質量控制為目的的控制與試驗裝置。本文論述的幾種裝置可以為風力發電場電能質量問題研究擴展思路。

關鍵詞：風力發電電能質量控制試驗

1 風力發電場電能質量問題

隨著我國能源戰略的調整，清潔能源已成為社會廣泛討論的話題。作為典型的清潔型發電模式，風力發電已經得到了長足的發展，占發電容量的比重越來越大。但是，大規模風電機組的并網勢必帶來一些新問題，如電能質量問題，由于風電機組內設置有非線性電氣設備，且控制技術較為復雜，將會帶來諸如電壓波動、諧波等問題，影響著電網的正常運行。風力發電場電能質量的控制與研究工作已經成為一項重要的課題。

本文以電能質量問題為切入點，介紹幾種能夠應用風力發電場的電能質量控制與試驗裝置，通過論述，可以為風力發電場電能質量問題研究擴展思路。

2 電能質量控制

近年來，電力系統中的電能質量問題得到了越來越廣泛的關注。大量非線性裝置的應用是產生電能質量問題的重要原因之一[1]。其中包括調速驅動裝置、開關型電源、電弧爐、電子鎮流器等等。此外，系統的正常投切操作與故障切除產生的擾動也會影響供電質量。電能質量問題可以定義為：導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差。其內容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態過電壓、波形畸變以及電壓暫降與短時間中斷等。

電能質量的監測、分析與治理已成為電能供應與利用領域的重要課題。電能質量問題之所以日益引起國內外專家學者的研究興趣，主要歸結于以下幾點原因：

①計量問題：劣質的電能質量可能會影響電力計量的精度。

②繼電保護：劣質的電能質量可能會引起繼電保護裝置保護功能的失靈。

③設備的停運：劣質的電能質量可能會引起設備（特別是異步電動機）停機或損壞，導致生產率下降，損害電力用戶的經濟利益。

④電磁兼容性：劣質的電能質量可能引起電磁兼容性問題和噪聲問題。

目前，已有不少高校或科研機構建立了電能質量實驗室。電能質量實驗室的建立具體服務于三個目的：

①測試設備在電力擾動下的運行狀況。

②測試電能質量校正設備對擾動的補償能力。

③通過與電網連接的裝置來判定電力擾動的類型和幅度。總之，電能質量實驗室主要側重于電能質量事件檢測與補償裝置的研發。電能質量問題研究依托于電力電子技術的高速發展，隨著電力電子變流器控制技術的日益成熟，可以為電能質量問題研究提供寬廣的平臺。

3 電能質量控制與試驗裝置

3.1 VSC型電力擾動發生裝置（VSC-IG）

為了改善電力系統電能質量，大量電能質量補償控制裝置已接入電網。電壓源型變流器（VSC）型電力擾動發生裝置是針對于對電能質量補償控制裝置的測試而提出的，該裝置簡稱VSC-IG。通俗地講，VSC-IG就是一個高精度可控大功率電壓擾動發生裝置。它能夠模擬各種電力擾動波形，便于對電能質量補償控制裝置的測試。在風電場中，VSC-IG還可以應用于風電機組低電壓穿越能力的測試。

文獻2詳細介紹了VSC-IG裝置的研制方法，對于該裝置，通常需要研究以下幾點內容：

①裝置的建模。

②裝置主電路參數的選擇方法。

③裝置控制器設計。

④基于仿真軟件平臺的裝置仿真。

⑤裝置物理樣機的研發與實驗。

目前，VSC-IG裝置主要應用于電能質量實驗，研究電能質量檢測與分析方法。

3.2 三相電壓型整流器（VSR）

三相電壓型整流器是將交流電壓轉換為直流電壓的重要裝置，在永磁直驅型風力發電機組中得到了廣泛的應用。裝置結構如圖1所示。

■

目前工業中使用三相電壓型整流器通常是以半控型功率器件晶閘管作為開關器件的，采用的是相位控制方式。這種類型的整流裝置雖然功率因數較高（工業上甚至可達0.99），但是網側諧波是不可避免。解決該問題的辦法通常是在網側安置電容進行濾波，這樣做簡單易行，工程上廣泛應用，但是同時會帶來LC諧振問題。

采用全控型器件IGBT可以有效地解決上述問題。全控器件采用PWM控制技術，PWM的最大優點是其諧波分布在開關頻率附近，一般為幾千赫到幾十千赫，較為容易濾除。通過整流器的閉環控制算法，可以實現網側電流的正弦化，消除對電網的諧波污染，減少諧波帶來的能量損耗。整流器的閉環控制算法涉及較多的自動控制理論與電力電子技術的內容，目前較為流行的是前饋解耦控制算法和反饋線性化控制算法。文獻3對相關控制算法作了較深入的研究與分析。

3.3 有源電力濾波器（APFC）

在風電產生和傳輸過程中，諧波是產生能耗的主要原因之一。供電電壓波形的畸變而產生的諧波分量不能被電力用戶所用，但是卻消耗在線路中，造成了能源的浪費，同時也損害了電力用戶的經濟利益。

目前使用有源電力濾波器用于諧波治理，通常并聯至待治理點，以補償系統中的諧波電流。諧波的產生工作原理圖如下：

■

有源電力濾波器檢測負載電流的諧波分量，通過控制變流器輸入一個與之相反的電流分量來達到補償的目的。實際上，有源電力濾波器就是一個高功率可控電流源，可以靈活地發出指定的電流值。

3.4 靜止無功功率補償器（STATCOM）

大量無功電流在電網中會導致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落。無功補償是利用技術措施降低線損、實現節能的重要措施之一，電網規劃，在有功功率合理分配的同時，也必須做到無功功率的合理分布。

無功優化的目的是通過調整無功潮流的分布降低網絡的有功功率損耗，并保持最好的電壓水平。無功優化補償一般有變電所無功負荷的最優補償、配電線路最優補償以及配電變壓器低壓側最優補償。由電能損耗公式可知，當線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時，線損與功率因數的平方成反比。功率因數越低電網所需無功就越多，線損就越大。因此，在受電端安裝無功補償裝置，可減少負荷的無功功率損耗，提高功率因數，提高電氣設備的有功出力。

無功功率補償裝置（STATCOM）的投入一方面改善了投入點的功率因數，同時也可提高接入點的電壓水平，是改善風電場電能質量的重要手段之一，工作原理如圖3所示。其結構與三相電壓型整流器基本一致。理論核心是八十年代日本學者赤木泰文提出的瞬時功率控制理論，通過該理論可以達到靈活控制網側無功功率的目的。

3.5 統一潮流控制器（UPFC）

統一潮流控制器(UPFC)是柔性交流輸電系統(FACTS)中的一種新興的、功能最完善控制裝置，作為FACTS中最具代表性的一種，UPFC具有非常靈活的控制功能，集調節線路潮流、節電電壓、阻抗、相角和無功補償等眾多功能于一體，通過統一控制系統可對電力系統進行實時、有效、快速地控制，其強大的綜合控制功能是其它FACTS及傳統的補償裝置所無法比擬的。此外，UPFC還能抑制電力系統的低頻振蕩，改善系統的暫態穩定性，提高線路的傳輸極限等。UPFC應用于輸電網，裝置容量較高。這個研究方向具備廣泛的前景，目前風電場發電應用于直流輸電這一方向正在興起。

4 結語

本文介紹了幾種以電能質量控制為目的的裝置，綜述了風力發電發展情況，對目前電能質量問題研究進行了闡述。結合國家的相關政策，可以預見，本文所論述的電力擾動發生裝置、三相電壓型整流器、有源電力濾波器、靜止無功功率補償器和統一潮流控制器在今后風力發電電能質量問題研究中會有很大的應用空間。

參考文獻：

[1]韓立.電力節能中的科學方法和政策[C].2007年中國科學技術協會年會論文集.

[2]嚴干貴，齊磊，李軍徽等.可控VSC-IG的研究與實現[J].電工電能新技術，2010，29（4）.

[3]陳濤，嚴干貴，齊磊等.基于三相電壓型變流器的無功功率補償控制[J].東北電力大學學報，2009，29（4）.

[4]嚴干貴，齊磊，李軍徽等.三相電壓型整流器反饋線性化解耦系統的PI控制器參數整定[J].南方電網技術，2009，3（5）.

[5]Alexander Kusko,Marc T.Thompson著.電力系統電能質量[M].科學出版社，2009.

作者簡介：

齊磊（1984-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，助理工程師，主要從事電力系統風險評估研究工作。