論述風力發電引起的電壓波動和閃變

趙俊華 王健

(新疆龍源風力發電有限公司,新疆 烏魯木齊 830099)

近些年,我國電力需求量不斷增大,所以風電裝機容量也越來越大,此時風力發電的并網運行導致電能質量的問題,成為人們關注的焦點,因為該問題會在一些時候直接影響到風電場裝機的具體容量[1]。事實上,風力形式的發電受到很多因素影響,這些因素與風力相關,包含風向以及風速,它們的波動性和隨機性以及間接性均會作用到發電上,使得風機所輸出的功率出現了一些波動,此種波動化隨機功率進入到電網,直接關系著電能的質量高低。總結這種現象,可以被稱之為電壓波動以及閃變。

1 電網電壓波動和閃變的主要原因

風力發電的機組需要并入到電力運輸線路時,其所輸送出的功率不穩定,出現嚴重波動,則直接導致了該部分電網的電壓波動以及閃變,為此需就此原因進行分析：從圖1 中可以看出,這是風力發電的機組并入到電力運輸線的等效電路圖,用來表示風力發電的機組中出口電壓的則是E˙；用來表示線路中電抗的則是X1,用來表示線路里面存在的無功電流的則是Ir；用來表示整個電網電壓的則是；用來表示線路中有功電流的則是Ia,用來表示線路中電阻的則是R1。在正常條件下,電路之中運行的無功電流總是要比電路之中的有功電流要小很多。

圖1 風電機組并網的等效電路圖

由圖1 的第二個圖看,R1I˙a分量及V 分量同jX1I˙a分量的垂直,造成了電壓的跌落,并不用計算其造成的電壓跌落。從圖1的第三個圖去看,jX1I˙r分量是造成電壓跌落主要原因,這里面的V 分量和R1I˙a分量出現垂直,進而不計算因為其造成的電壓跌落。從這一點就能知道,分析電路之中出現電壓跌落的具體原因,那就是線路里面存在兩種電流,分別是有功和無功的電流,這兩個值分別為jX1Ir、R1Ia。當風向以及風速發生了改變之后,風力發電的機組中所輸出的功率也會有一些變化,出現一些波動,同時線路中的有功和無功電流同樣出現改變,那么此電網之中的電壓就會有波動以及閃變。

電路網絡電壓波動可能影響到一些用電設備運行,通常會利用照明設備運行情況,判定電壓波動情況,也就出現閃變概念[2]。IEC(國際電工委員會)提倡,針對電壓出現的波動,運用白熾燈亮度閃爍去表示,當白熾燈的亮度有一些變化,比如超過某種設定幅度,則可以將其稱之閃變[3]。想要知道人們對于閃變所適應的程度,給出了載波為調幅波的建議,其同工頻電壓頻率、波形、幅值并不相同,可以提供給230V、60W 的電燈電能,閃變的察覺率F 有規范計算公式,見公式(1)。

公式里面的A、B、C、D,分別代表著不同的人群,主要以對白熾燈的閃爍程度感覺為準,A 為沒有感覺,B 為稍微有感覺,C為明顯有感覺；D 為不能承受的感覺,分別有多少人。一瞬間閃變的視感度測量單位就是閃變的覺察率50%,也就是覺察單位設定成S=1。

2 電壓波動和閃變的檢測分析

2.1 電壓波動和閃變為基礎構建數字模型

為準確對其進行檢測,常用方法則要在波動電壓里面分離出來波動信號。一般情況下,可以將波動的電壓設定成調幅波,此時的工頻額定電壓就可以被看成是電壓的波動載波,假設調制出合適的相應頻率的調幅波,才可讓其幅值改變。一般會用公式(2)代表分頻電壓u(t)：

將電壓波動分量設定成某特定的頻率,也就是v(t)=Vmcos(Ωt),將其替換上式：

從當下能夠查詢到的資料中可知,電壓波動和閃變方面的研究均以u(t)檢測和v(t)分離為著手點,想要獲取閃變數字,就需要進一步統計分析,由此看出,想要得到精準閃變數值,那么必須得到準確的電壓波動的分量,此步驟非常的重要,對于閃變數值精準計算,其準確度受到電壓波動分量的準確度影響,從而影響到電網中輸出電能質量好壞的準確評價。

2.2 電壓波動和閃變檢測方法

針對檢測的過程來說,整體實施方案則應以波動電壓u(t)實施分離的時候得出電壓波動的分量Vmcos(Ωt)(看成為調幅波)的計算為重點,從而形成檢測方法之一。當下,常用檢測方法是各國的閃變儀,分成三個種類：第一種則是平方檢測法,IEC 給的意見,這是主導檢測方法。第二種則是整流檢測法。第三種則是有效值檢測法。此次研究以平方檢測法為重點,進行詳細分析。這里所應用的平方檢測法,還可以叫做同步檢測法。為得到不一樣類型的頻率信號,需要將電壓的信號做平方化的處理,之后運用帶通濾波器,去處理無用信號,也就是過濾,可以得到了已經分離完成的波動的電壓信號。此時的波動電壓信號u(t)的平方公式：

接著需要對平方進行解調,電壓表達式看包含以下頻率風量,分別是0、Ω、2Ω、2ω、2(ω+Ω)、2ω+Ω、2ω-Ω。就的獲取波動分量,應用頻率范圍是0.05Hz 到35Hz 帶通濾波器,就能將超出50Hz 頻率分量進行過濾,同時把直流分量也進行過濾。此時可以得到波動分量,還能得到倍頻的波動分量,要知道后者的調制系數(m)不會比1 大,就可以得到這樣的結論,后者要比前者小非常多,進而可以忽略不計后者。此時則能獲取電壓波動分量v(t),計算公式為：

倍頻波動分量數值與波動分量比較,前者比較小,可忽略不計,可是前者卻永遠都有,也沒有一些變化,進而不計這部分,則是此計算方法的局限。

圖2 閃變儀器原理結構圖

2.3 IEC 閃變儀原理

IEC 將閃變儀器原理結構圖給出,見圖2。從原理結構圖中可以看出,此閃變儀分成三個部分：其一,框架1 構成,主要作用為,把波動電壓信號輸入其中,實施適合的調整和平方運算,調幅波電壓則是自檢信號的標準。其二,框架2 和框架3 以及框架4 構成第二部分,此部分主要功能為,搭建電壓波動以及閃變視覺的模擬模型,分離得到電壓波動的分量,確定頻率的響應特性,也就是一瞬間閃變的視感度的曲線。這部分的框架3 的構成部分,包括加權濾波器、帶通濾波器。框架4 中輸出瞬時閃變視感度S(t)進行反應。其三,框架5 是主要組成部分,此比分功能為,統計、分析、計算電壓波動和閃變,閃變值可通過計算瞬時閃變的視感度而得到。

3 IEC 閃變儀仿真研究

3.1 仿真模型

以Matlab/Simulink 為基礎形成上述的原理結構圖仿真模型,設定電壓波動分量是波動幅度的0.25%,頻率則是8.8Hz 正弦波。波動電壓信號(也就是調幅波)為正弦波,同時受到個濾波器的濾波蒸流的調節之后,輸出得到信號為mcos(Ωt),也就是v'(t)。通過平方處理的計算,表達式為：

3.2 仿真分析

利用Simulink 就能得到每環節仿真波形,從而仿真獲得S(t)的波形,將S(t)波形局部的穩態進行放大,可以看到以下特點：8.8Hz 是輸出時的電壓頻率,就可以說明進行了相應加權的濾波處理,可以得到此時波形,此時頻率也就是對應調幅頻率,濾波時則不用影響信號,信號會變弱,以讓濾波器得到滿足。

綜上所述,針對風力發電的電能質量評價,非常關鍵的方面則是電壓波動和閃變。利用平方法構建仿真模型,閃變儀的檢測瞬時閃變視感度是1,在1 上下的3%進行浮動,達到IEC 檢測精度要求,一般會于2.5s 的時候處于穩定。