風電諧波分析

風力發電機組并網對電網電能質量的影響,引起波動和閃變.風力發電是21世紀發展Z快的一種可再生能源, 隨著風電場的容量越來越大, 對系統的影響也越來越明顯.早期風電的單機容量較小, 大多采用結構簡單、并網方便的異步發電機, 直接和配電網相連. 而風電場所在地區往往人口稀少, 處于供電網絡的末端, 承受沖擊的能力很弱, 因此, 風電很有可能給配電網帶來諧波污染、電壓波動及閃變問題, 風電的隨機性給發電和運行計劃的制定帶來很多困難.

風力發電機組的并網技術

　　交流發電機并網條件是發電機輸出的電壓與電網電壓在幅值、頻率以及相位上完全相同. 隨著風力發電機組單機容量的增大, 在并網時對電網的沖擊也越大. 這種沖擊嚴重時不僅會引起電力系統電壓的大幅度下降, 還可能對發電機和機械部件(塔架、槳葉、增速器等)造成損壞. 如果并網沖擊時間持續過長,還可能使系統瓦解或威脅其他掛網機組的正常運行. 因此, 采用合理的并網技術是一個不容忽視的問題

同步風力發電機組并網技術

　　同步發電機在運行中, 既能輸出有功功率, 又能提供無功功率, 且周波穩定, 電能質量高, 已被電力系統廣泛采用. 然而, 將其移植到風力發電機組上使用時卻不很理想. 這是因為風速時大時小,隨機變化, 作用在轉子上的轉矩極不穩定, 并網時其調速性能很難達到同步發電機所要求的精度.并網后若不進行有效的控制, 常會發生無功振蕩與失步問題, 在重載下尤為嚴重. 因而在相當長的時間內, 國內外風力發電機組很少采用同步發電機. 但近年來隨著電力電子技術的發展, 在同步發電機與電網之間采用變頻裝置, 可從技術上解決這些問題, 因此, 采用同步發電機的方案又引起了人們的重視.

異步風力發電機組并網技術

　　異步風力發電機投入運行時, 由于靠轉差率來調整負荷, 因此對機組的調速精度要求不高, 不需要同步設備和整步操作, 只要轉速接近同步轉速時, 就可并網. 顯然, 風力發電機組配用異步發電機不僅控制裝置簡單, 而且并網后也不會產生振蕩和失步, 運行非常穩定.

　　然而, 異步風力發電機并網也存在一些特殊問題, 如直接并網時產生的過大沖擊電流會造成電壓大幅度下降, 對系統安全運行構成威脅; 本身不發無功功率, 需要無功補償; 過高的系統電壓會使其磁路飽和, 無功激磁電流大量增加, 定子電流過載,功率因數大大下降; 不穩定系統的頻率過于上升, 會因同步轉速上升而引起異步發電機從發電狀態變成電動狀態, 不穩定系統的頻率過大下降, 又會使異步發電機電流劇增而過載等. 因此,必須嚴格監視并采取相應的有效措施才能保障風力發電機組的安全運行. 目前, 國內外采用的異步發電機的風力發電機組并網方式主要有直接并網法、準同期并網方式、降壓并網方法、捕捉式準同步快速并網和軟并網等.

風電并網對電能質量的影響

　　隨著越來越多的風電機組并網運行, 風力發電對電網電能質量的影響引起了廣泛關注. 風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率呈波動性, 可能會影響電網的電能質量, 如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等. 風力發電機組大多采用軟并網方式, 但是在啟動時仍然會產生較大的沖擊電流. 當風速超過切出風速時, 風機會從額定出力狀態下自動退出運行. 如果整個風電場所有風機幾乎同時動作, 這種沖擊對配電網的影響十分明顯. 不但如此, 風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動, 而其波動正好處在能夠產生電壓閃變的頻率范圍之內(低于25H z), 因此, 風機在正常運行時也會給電網帶來閃變問題. 電壓波動和閃變是風力發電對電網電能質量的主要負面影響之一.

電壓波動與閃變的機理分析

風力發電引起電壓波動和閃變的根本原因在于并網風電機組輸出功率的波動,.

目前，國際上有三種代表性原理的閃變測量儀器，分別是日本的閃變儀、英國的ERA電弧爐閃變儀和由IEC和UIE推薦的閃變儀。而我國照明電壓為220V，與IEC/UIE推薦的采用230V照明電壓、60W白熾燈的閃變試驗接近，且在IEC標準中應用短時間閃變和長時間閃變來評估閃變嚴重程度也更加科學和準確。

波動和閃變的數學分析方法：

1、相對電壓波動

相對電壓波動值電壓均方根值的兩個極值Umax和Umin之差ΔU,常以額定電壓U_N的百分數表示其相對百分值,即

電壓波動值為以電壓均方根值或峰值的包絡線作為時間函數的波形。分析時抽象地將工頻電壓U看作載波,將波動電壓ΔU看作調幅波。

2、閃變覺察率F（%）

根據IEC推薦的實驗條件，采用不同波形、頻度、幅值的調幅波工頻電壓為載波向工頻230V、60W白熾燈供電照明，并對觀察者的閃變視感實驗進行統計可得到有明顯覺察和難以忍受者的數量占觀察者總數量的比，即

式中，A：沒有覺察的人數，B：略有覺察的人數，C：有明顯覺察的人數，D：難以忍受的人數。

　　如果該比值超過50%，說明半數以上的實驗觀察者有明顯的或難以忍受的視覺反映，若把F（%）大于50%定為閃變限值，則對應的電壓變動值為該實驗條件下電壓波動允許值。

電壓波動與閃變的抑制

　　目前, 大部分用于改善和提高電能質量的補償裝置都具有抑制電壓波動與閃變的功能, 如靜止無功補償器( SVG )、有源濾波器( APF).

靜止無功補償器( SVG)

　　電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映, 閃變的嚴重程度與負荷變化引起的電壓變動相關, 在高電壓或中壓配電網中, 電壓波動主要與無功負荷的變化量及電網的短路容量有關. 在電網短路容量一定的情況下, 電壓閃變主要是由于無功負荷的劇烈變動所致. 因此, 對于電壓閃變的抑制,Z常用的方法是安裝靜止無功補償裝置, 目前這方面的技術已相當成熟. 但是,由于某些類型的SVC本身還產生低次諧波電流, 須與無源濾波器并聯使用, 實際運行時可能由于系統諧波諧振使某些諧波嚴重放大. 因此, 在進行補償時, 要求采用具有響應時間短、且能夠直接補償負荷的無功沖擊電流和諧波電流的補償器.

有源電力濾波器(APF)

　　要抑制電壓閃變, 必須在負荷電流急劇波動的情況下, 跟隨負荷變化實時補償無功電流. 近年來, 采用電力晶體管( GTR) 和可關斷晶閘管( GTO ) 及脈寬調制( PWM ) 技術等構成的有源濾波器, 可對負荷電流作實時補償. 有源電力濾波器的工作原理與傳統的SVC 完全不同, 它采用可關斷的電力電子器件, 基于坐標變換原理的瞬時無功理論進行控制, 其作用原理是利用電力電子控制器代替系統電源向負荷提供所需的畸變電流, 從而保證系統只須向負荷提供正弦的基波電流.

　　有源電力濾波器與普通SVC 相比, 有以下優點: 響應時間快, 對電壓波動、閃變補償率高,可減少補償容量; 沒有諧波放大作用和諧振問題, 運行穩定; 控制強, 能實現控制電壓波動、閃變和穩定電壓的作用, 同時也能有效地濾除高次諧波, 補償功率因數.