淺談風電并網對電網電能質量的影響

袁鈺琪 楊勁松

摘 要：隨著變速恒頻電機、雙饋電機等新型發電機組的應用推廣，風電并網給配電網帶來諧波污染、電壓波動及閃變等電能質量問題日益嚴重。文章主要研究了大型風電場接入電力系統后可能引起的電壓偏差、電壓波動和閃變以及諧波問題。

關鍵詞：風力發電；電能質量；電壓偏差；閃變；諧波

引言

風力發電是一種特殊的電力，風力發電輸出功率的波動將引起諧波、電壓波動與閃變等電能質量問題。隨機的、不穩定的風速所造成的電壓、頻率波動和風機運行中所產生的諧波會對電網電壓的品質造成直接的影響， 嚴重時會危害電網的安全穩定運行[1]。

1 變頻恒速風機的類型

1.1 雙饋異步風力發電機

雙饋異步風力發電機主要由風輪機、齒輪箱、雙饋異步發電機、交直交變頻器組成[2]，如圖1所示。轉子繞組通過交-直-交變頻器接入工頻電網，這是雙饋風機區別于其他類型風機的地方。通過對發電機的控制，使風力機運行在最佳葉尖速比，從而使整個運行速度的范圍內均有最佳風能利用系數[3]。

圖1 雙饋異步風力發電機基本結構圖

1.2 直驅式交流永磁同步發電機

直驅永磁同步風力發電機主要風輪機、永磁同步發電機和全功率變頻器組成，基本結構如圖2所示。與雙饋異步風力發電機相比，主要有三點不同：一是無齒輪箱，二是無勵磁電源，三是通過全功率變流器并網[5]。

圖2 直驅永磁同步風力發電機基本結構圖

2 風電對電能質量的影響

2.1 變頻恒速風機并網引起諧波的機理分析

變頻恒速風機包括雙饋異步風力發電機和直驅永磁同步風力發電機。變頻恒速風機并網引起電壓諧波，實質就是SPWM控制變換器引起電壓諧波。

2.2 SPWM逆變電路的諧波分析

SPWM逆變電路可以使輸出電壓接近正弦波，但由于使用載波對正弦信號波調制，也產生了和載波有關的諧波分量。在異步調制方式的正弦調制信號各周期內，所包含的SPWM波形沒有重復性，因而無法以正弦控制信號角頻率？棕r為基準分解成傅氏級數。下面采取的方法是先以三角波載波角頻率？棕c為基準進行分析，然后再求出所得波形和？棕r的關系。為了簡化分析，這里以單相橋式SPWM逆變電路為例。

圖3 載波、調制波和SPWM輸出波的關系

設三角波載波uc、正弦調制波ur和SPWM輸出波uo，取三角波兩個負峰值之間為一個載波周期2π，取該周期中點，即三角波正峰值時刻為軸的零點。SPWM輸出波uo可表示為

（1）

把uo/Ed展開成傅氏級數，推導可得：

（2）

式（2）中的第一項即為SPWM輸出波形中的基波分量。可以看出，這個基波分量正是調制時所需要的正弦波。

在三相橋式SPWM逆變電路的情況下，各相輸出端相對于直流電源中點的電壓波形的形狀和單相橋式SPWM逆變電路完全相同，只是輸出電壓幅值不是Ed，而是Ed/2。

2.3 變頻恒速風機并網引起電壓波動和閃變的機理分析

風電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網風電機組輸出功率的波動，下面將分析并網風電機組輸出功率波動引起電壓波動和閃變的機理[4]。

圖4為風電機組并網示意圖，其中■1為機組出口電壓相量，■2為電網電壓相量，Z為線路阻抗，■為線路上流動的功率相量。

圖4 風電機組并網等效電路

則有：

（3）

電壓變動可近似表示為下式，即：

（4）電壓波動值為： （5） 式中，UN為線路額定電壓，d為電壓波動值。

由式（5）可知，當風電機組輸出的有功和無功快速變動時，會引起電網的電壓快速變動，也就是電壓波動。電壓波動有可能引起可察覺的閃變現象。

3 對風電場并網運行的電能質量問題的治理措施

3.1 提高風力的可預測性。由于風力的間歇性引起輸出功率的波動容易造成并網后的電壓波動問題。因此通過預測風力， 可以對電壓質量問題進行有效的改善。

3.2 采用無功補償裝置。減小電壓波動，能有效抑的制電壓閃變。主要措施裝設靜止無功補償器，將固定電容器作成多回路濾波器，既可以補償無功功率，又可以實現諧波濾波。

3.3 采用多脈沖整流電路。由于其脈沖數越高，則諧波含有率越低，因此這也就意味著增加電力電子裝置成本[4]。

3.4 采用有源電力濾波器濾波。根據實際情況選擇有源濾電力波器。其作用原理是對電路中的諧波進行采樣，根據采樣的結果，施加以大小相同，方面相反的諧波，來進行抵消，從而達到抑制諧波的目的。

4 結束語

優質的電能質量是智能電網的基本功能特點之一，提高電能質量技術水平也正是建設堅強智能電網的重要內容之一。所以電能質量問題的研究在建設優質的智能電網的建設中愈顯重要。

參考文獻

[1]曹云，江曉林.風電場并網對電能質量的影響及優化[J].大眾用電，2008.

[2]Achermann T，Garner K，Gardiner A.Embedded wind generation inweak grids-economic optimization and power quality simulation[J].Renewable Energy，1999，18（2）：205-221.

[3]張勝男，潘波.雙饋、直驅風力發電機特點分析[J].防爆電機，2012，3：1-6

[4]田妍，王潔，田松.淺談風電并網對電力系統電能質量的影響[J].中國電力教育，2009：277-278.

作者簡介：袁鈺琪（1988-），女，碩士研究生，從事電力系統穩定與控制方面的研究工作，吉林省吉林市東北電力大學電氣工程學院。