風電并網對電能質量影響的簡單分析

王帥 謝冬梅

摘要

風能的開發受到國家與社會的一致關注，與風電相關的技術在迅速發展。伴隨著風電與配電網之間關系越加密切，風電并網所引起電壓穩定的相關問題也越來越受到人們的密切關注。本文主要對風力發電的基本原理進行了簡單概述，從風電并網的諧波電流入手，通過PSCAD軟件對電能質量的影響進行簡單仿真分析。

【關鍵詞】風電并網 電壓穩定 電能質量 諧波電流

1 引言

按照風力發電不同形式可以將風力發電分為并網型和離網型。如何將風電接入配電網之中，并降低風電網對原有配電網絡的穩定性的影響，是風電發電技術三大研究課題之一。針對此項難題科研人員予以很多的專項研發，已經初步具有相應的技術突破，主要有兩個方面：一方面，基于風電場創立模型，模擬實際情況，做出了很多的研發。另一方面，針對風電場并網的適應性的實驗已經非常具體。

本文的研究正是在此背景之下展開，概括的對風電技術等基本原理進行總結，分析風電發電系統與配電網絡之間的相互影響，并分析風電并網諧波電流對系統電壓穩定等方面帶來的一系列影響，并進一步進行仿真模擬驗證。最終根據所得的實驗數據結論得出風電并網諧波電流對電力系統穩定產生怎樣的影響并提出解決方案。

2 風力發電基本原理與并網影響

2.1 基本原理

風力發電就是利用風的推動力使發電機轉動而輸出電能，其運行的工作原理是空氣流動產生的風能會推動風葉轉動，風輪的軸帶動發電機使其運轉，實際上就是把風力產生的機械能轉換為電能。

風力發電系統主要由風力發電機、整流御荷環節、逆變環節以及傳輸環節等共同組成。該系統由智能開關控制系統控制風力發電機組的工作狀態;由逆變器控制電能的轉換;由電纜負責電能的傳輸;再加之一些輔助配件共同組成風力發電系統。

2.2 風電并網對電壓穩定的影響

我國風電場的分布表現為多分布在比較僻遠的西部山區，這些地區的電網結構一般比較單一，系統應變功能薄弱。如果電網電壓會持續增加，原有配電系統電網的電壓過高。使得該地區電網無法負荷如此高的電壓和功率，將對電網系統造成嚴重的破壞。

考慮到安裝、運行維護成本，一般采用并聯電容器進行無功補償。當電壓有所下降時，并聯電容的容量會快速隨電壓的下降而下降，使得電網產生的無功功率持續增加，造成配電網絡系統中的無功功率朝著更加糟糕的方向發展，最終導致整個配電網絡系統崩潰，而風力發電系統同樣無法正常工作。此外，風電機組通常采用異步發電機，為了確保設備使用率，需要額外的無功電源，需要在風電場內加裝無功補償裝置來進行解決。

3 風電并網諧波電流分析

3.1 電力系統的諧波

電力系統正常號行狀態下，電壓一般為標準正弦波，其表達式為：

一般來說，將正弦電壓通過線性電路不會產生變化，輸入輸出電壓和電流的波形不會發生改變。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，如下表達式：

同理，按照傅里葉號換得到的表達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的計算公式為：電流諧波總畸變率THD_i的計算公式為：

3.2 雙饋電機的諧波電流特性分析

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

在標準雙反饋機組中，我們將定子等效為發電機，轉子為電動機進行分析，我們假設雙反饋機組在電機在計算時刻前后處于穩定運行、不考慮電阻隨著溫度號化而號化的幅值、電機的飽和效應忽略不計、集膚效應忽略不計、電機不產生齒諧波的條件下運行以便進行分析。為此，轉子輸出電壓可以等效為各個序分量單獨作用的電氣回路來分析。考慮到所有的參數需要折算到定子側去計算，所以雙反饋機組的等效電路可以表示為諧波正、負序。

通過等效電路可以等效純感性電路，只考慮電機漏抗和電網的電抗。因此，雙饋發電機定子側諧波不影響系統電能質量。

4 仿真研究

通過上節的研究，具體對以下幾個方面進行分析：雙饋風力發電機中諧波的具體來源同時依照它的等效電路在理論上對雙饋風電機組諧波的特性進行了分析。本節內容主要采用PSCAD仿真軟件進行探究并且建立雙饋風電機組的仿真模型以研究工作。

圖1～3為在進行仿真過工中，FFT分析選取的電流來自于風力發電機組的出口，由數據統計在風電機組不同風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風速條件下進行的風電機組的電流頻譜統計圖，由圖中可以得到，風速不同并不能對諧波電流的分布情況產生較大的影響，通過比較可以得出，只有為數不多的個別次數諧波電流含量在一定工度上會進行波動變化，諧波處于穩定狀態的仍然占據較大比例。

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

接下來在風速通過調整，施以外在干擾不能保持穩定時，對風電機組能夠輸出的諧波電流研究。基本風速假設為11.00m/s，并且此時會受到峰值1.00m/s的陣風擾動，擾動周期為0.2s。通過對仿真得到的數據進行整理分析，得到以下頻譜圖4。

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

由此，我們可以總結出，風速存在波動的條件下。對次數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償系統在最大負荷運行下不能達到需要的無功，通過上述研究并能發現其受到風速的影響，在風速不穩定的時候，單純的依靠外界電容器組不能達到我們上邊所說的要求，因此對于風電我們需要在連接口加上動態的補償裝置，由此來確定風電的穩定，進一步產生高質量的電能。

因此風電并網對電能質量造成影響的治理措施，主要通過加裝無功補償裝置來對風電場進行電能質量治理。

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