高比例新能源并網接入存在的電能質量問題及解決方案

呂琳

1引言

全球能源發展經歷了從薪柴時代到煤炭時代，再到油氣時代、電氣時代的演變過程。目前，世界能源供應以化石能源為主，有力支撐了經濟社會的快速發展。適應未來能源發展的需求，水能、風能、太陽能等清潔能源正在加快開發和利用。

新能源的快速發展并網，同時也帶來了嚴重的電能質量問題。和傳統能源結構相比，光伏，風電的間歇特性，對電網造成了嚴重的沖擊。尤其是在我國西北地區，近幾年大面積發展新能源電站，尤其是大面積風電和光伏基地的集中接入，不斷的出現多種電能質量問題。

本文筆者將從設備多年運行經驗，實際出現的電能質量問題出發。深層次的提出解決方案實施與現場應用角度來闡明新能源電站并網電能質量問題及解決方案。

2新能源電站并網面臨的電能質量問題

2.1電站諧振問題

電力系統中許多元件是屬于感性或者容性，如變壓器，互感器，線纜等屬于感性元件，補償用電容器，SVG，線纜寄生電容為容性元件。這些元器件組成復雜的LC震蕩回路，再一定的能源作用下，特定參數配合的會就會出現諧振現象。

該問題更多的是出現在光伏電站，這和光伏電站的高壓線纜采用地埋電纜方式，耦合電容參數較大。SVG也等效為一個電容或者電感器件，若SVG的控制性能不佳，不僅不能解決諧振問題，還會將諧振問題擴大化。某光伏電站50Hz電網電壓基礎上疊加了高次諧波，對諧振電壓進行傅里葉分析，諧振點在28次。而且諧振電壓在幾百mS內就達到了額定電壓的1.4倍以上，最終導致電站過壓保護跳閘，保護跳閘后，電網電壓回復到正常水平。

2.2諧波問題

新能源電站并網逆變器都采用電力電子變換整流逆變來實現，大量逆變器，變流器并聯接入到并網點。設備之間的并聯也容易產生諧波，諧波長期危害電力設備的可靠性，使變壓器，電抗器等發熱，開關損壞。

2.3風電場次同步震蕩

風電發電機組接在經串聯補償的輸電線路時，如果電氣系統的串聯諧振頻率 fn ?和發電機軸系的某一扭振頻率fm 對運行頻率f 而言接近互補的話，即fn+ fm= f ，則電氣系統將與發電機組軸系機械系統間相互交換振蕩能量，使振蕩逐漸加大，直到機軸損壞。風電等新能源屬于間歇性能源，功率波動比較大，風機數量多，易對電網造成擾動;在控制參數不合適時，電氣振蕩頻率容易與發電機軸系的自然扭振頻率之間成互補關系，此時處于平衡狀態下的系統受到擾動后，引發次同步振蕩，嚴重時影響電網及電站正常運行。發生磁同步震蕩之后，電網電壓畸變嚴重。2016年12月，在新疆哈密三塘湖地區，出現多次磁同步震蕩。

3電能質量問題解決方案

鏈式SVG目前在電網電壓穩定控制和電能治理中得到了廣泛的應用，其鏈式結構，更高的等效開關頻率，更快的響應速度將是解決電能質量問題的最佳設備。但正是由于其鏈式結構的特點，系統控制框架復雜，控制性能差異較大。設備接入點電壓一般為10kV或者35kV，接入電壓等級高，產品的穩定性和可靠性又存在一定的問題。

3.1諧振問題解決

從諧振發生的基本原理出發，其根本原因是系統等效參數出現諧振點，那么基于這個思路，可以采用諧振抑制來解決。分為諧振抑制環節：首先檢測三相并網點電壓，經過DQ坐標變換，濾出基波分量，再經過反變換得到電壓的諧波分量，提取出經過PI得到SVG諧振抑制的電流給定。同時在采樣環節增加基波帶通濾波器的抑制諧波放大的方法，可以避免SVG與系統電壓之間出現正反饋，該方法能使SVG等效接入近似理想系統，可以消除或降低系統諧波電壓放大。

采用該方法之后，電站諧振問題得到徹底解決，正如上述甘孜某光伏電站諧振，SVG投運前，系統明顯諧振，28次諧振電壓占比10.82%。

3.2治理諧波

基波無功補償環節：為SVG的基本功能。直流側穩壓環節得到有功電流的給定;恒無功、恒電壓、恒功率因數等無功電流指令外環得到無功電流給定;內環進行無功電流控制;

特定次諧波控制器：和基波電流內環結構一致，但是在做變換時需要根據選定的諧波次數進行。實際應用時根據需要決定諧波控制器的數量。

3.3次同步震蕩治理

當SVG被用于次同步振蕩抑制時，可以通過控制，在基波控制信號中疊加次同步頻率電壓分量，使得SVG輸出的電壓中含有相應頻率的次同步電壓，改變其注入系統的次同步電流，從而抑制次同步振蕩。 同時，SVG具有調節速度快，屬于有源裝置，不受電壓影響等優點，非常適合次同步振蕩的抑制。

SVG抑制次同步振蕩的 設在某一穩態狀況下，機組軸系受到一微小擾動，使發電機轉子產生角位移增量：

從式中可看出：當軸系機械運動出現頻率為ωm的振蕩分量時，在發電機定子將引起次同步頻率（1-ωm）和超同步頻率（1+ωm）。 當線路電氣諧振頻率正好是（1-ωm），則定子回路中頻率為（1-ωm）的電流分量與電壓分量相位相同，該電流分量形成的轉矩為

可知ΔTe與擾動Δω同相位，即對軸系中頻率為ωm的振蕩分量產生負阻尼轉矩，使振蕩趨于增大。 SVG抑制次同步振蕩的機理就是通過注入足夠大的和機端電壓相位相反的次同步電流，使得最終在定子回路中的次同步電流與電壓分量方向相反，形成的轉矩與擾動相反，對軸系中的振蕩分量產生負阻尼轉矩，使振蕩減小。

4結語

本文綜合多年新能源電站并網遇到的問題，以及工程現場應用中存在的問題。依托SVG產品的技術特點，利用得天獨厚的控制快速性能，可以良好的解決新能源并網所遇到的電能質量問題。并網電能質量治理的核心要素就是系統的控制響應速度。SVG解決電能質量問題的前提就是設備的響應速度，只有速度足夠快，才能從容應對各種電能質量問題。基于此思路，SVG在控制器架構設計時就需要提出一些明確的速度指標，例如控制頻率大于64KHz，閉環控制帶寬16us等指標。

只有基于快速控制性能的前提條件下，產品的性能達到一定的指標要求，同時產品的穩定性和可靠性也至關重要。SVG作為掛網設備，保證實時在線運行。SVG才能作為新能源電站電能質量治理的有利武器，良好的保障新能源電站穩定運行。

參考文獻：

[1]劉振亞.全球能源互聯網.北京：中國電力出版社，2015.1.

[2]王兆安，劉進軍，王躍，楊君.諧波抑制和無功功率補償.北京：機械工業出版社，2015.7