风力发电系统的电能质量分析及抑制

2015-10-19中国电器工业协会朱珊珊

电气技术与经济 2015年2期

中国电器工业协会　朱珊珊

风力发电系统的电能质量分析及抑制

中国电器工业协会朱珊珊

为了提高风力发电系统的电能质量治理效果，提出了一种将电能质量各项指标综合治理的方法。该方法通过研究电能质量中谐波、电压波动及闪变和三相不平衡度的治理方法，寻找出其治理方法的共同点以及分享治理的共通点，利用这些共同点将其综合到一起形成一套从跟踪监测到综合治理全新的治理方法，使电能质量的各项指标都能达到国标要求的标准。经理论验证，该方案能够有效地将电能质量中谐波、电压波动及闪变和三相不平衡度均制约在国标要求的范围内，并利用Matlab将各项数据仿真出来，使读者能够更直观的看到其效果。

风力发电电能质量谐波电压波动闪变三相不平衡度

0　引言

在各种可再生能源的利用中，风力发电作为一种绿色能源有着改善能源结构、经济环保等方面的优势，是未来能源电力发展的一个趋势。但是，风资源的不确定性和风力发电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，可能影响电网的电能质量，如谐波、电压的波动和闪变、三相不平衡度以及频率偏差等，严重时会对弱电网的安全稳定性造成危害，因此，风力发电场对接入电网的影响不容忽视。对风电接入端的电能质量进行长期、连续地监测，从而全面掌握风电场电能质量的状况，为进一步研究和改善风电电能质量提供依据有着十分重要的意义。

而针对以上这些影响因素，目前已经有了很多专门针对单一因素的解决方法，但是将各种因素综合治理的方法目前还很不成熟，没有一种成熟的系统可以将影响电能质量的因素全部解决。

经过对单一方法的研究和努力的寻找各种方法的共同点，发现目前比较好的解决谐波的办法就是利用PWM整流技术；而电压的波动和闪变与三相不平衡度的解决办法中都存在一个共同点，即无功补偿。完全可以用PWM整流技术和无功补偿共同来达到综合治理电能质量的问题。

1　谐波分析

公用电网中的谐波主要是由各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等产生的。在电力电子装置大量应用之前，主要的谐波源电力变压器的励磁电流，其次是发电机。在电力电子装置应用之后发电机成为主要的谐波源。

PWM整流器是将交流变成直流的变流装置，通过适当的控制，可以使输出直流电压稳定在一定范围内，同时使电网侧电流正弦化且与电压同相位。由于非线性和感性/容性负载的大量使用，电网中谐波对电能质量造成了严重不良影响，不仅干扰了相邻的其他用电设备，而且还影响电网的稳定运行。如果让数量众多的整流装置除了实现原先的整流功能外，也能够起到补偿无功和抑制谐波的作用，这对提高电网的电能质量是非常有意义的。事实上，只要通过适当的控制，PWM整流器完全能够起到这些作用：从电网吸入有功电流，变为直流传送给负载，同时还可以向电网送出反向的无功和谐波电流，以补偿电网连接点邻近用电设备产生的无功和抑制谐波，使该接点从电网吸入的总电流不再含有无功谐波电流（或者得到抑制）。

1.1工作原理

三相电压型PWM整流器的主电路如图1所示。图中ea、eb、ec为电网电压，isa、isb、isc为电网输入电流，ura、urb和urc为整流桥交流侧电压，udc为整流桥直流侧电压，R为交流测电阻，Ls为交流侧电感，C为直流侧滤波电容，iL为负载电流。

PWM整流器可以实现能量的双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其处于整流状态；当PWM整流器向电网输出电能时，其处于逆变状态。PWM整流器实际上是一个交、直流测可控的四象限变流装置。

参照PWM逆变电路的工作原理，按照正弦信号调制波和三角载波相比较的方法对桥臂上下开关管进行PWM调制，就可以在桥臂的交流侧产生正弦调制的电压波形，波形中除了含有与正弦信号波同频率切幅值成比例的基波分量外，还含有与三角载波有关的频率很高的谐波。由于电感的滤波作用，这些高次谐波只会是交流电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号的频率和电源频率相同时，交流电流为频率与电网频率相同的正弦波。

图1　三相电压型PWM整流器主电路原理图

若只考虑基波分量，忽略PWM谐波分量，则下面的矢量方程式成立。

由此可知，当把电网电动势作为参考时，通过控制交流电压矢量即可实现PWM整流器的四象限运行。图2中的向量图说明了PWM整流器的4种典型的运行状态。

图2 PWM整流器四象限运行矢量图

这四种情况只是PWM整流器运行的四个特殊的工作状态。通过控制交流电压矢量V，可以调节电网电动势和电流之间的相位差以及电网电流幅值的大小，同时，既可以控制交直流侧有功功率的传递，又可以控制整流器从电网吸收或发出的无功功率，即实现四象限运行。

假定如图3所示系统电压三相对称，即如下所示：

式中：Em与ω分别为相电压幅值与频率。则由图3可得如下方程，

通常忽略交流测电阻损耗以及开关损耗，因此有如下的交、直流功率平衡式

代入式（3）可得

对于dq轴电流，有功功率只与isd有关，称为有功电流；无功功率只与isq有关称为无功电流。直流电压可由有功电流控制，而功率因数可由无功电流控制。因此，PWM整流器通常采用同步旋转坐标系下的电压电流双闭环控制，如图3所示。

1.2Simulink仿真

图3　PWM整流器控制框图

根据上述理论，对一个采用三电平电压型变流器的PWM整流器进行Matlab/Simulink仿真。图4为仿真模型。

该模型上面部分为主电路部分，由左至右依次为交流电源、交流负载、电压电流测量模块、变压器、电阻电感、三电平变流器、直流电容和负载电阻。交流电源的线电压为600V，60Hz，短路容量为30MVA，外接500kVar和1MW的负载，变压器变比为600/240V，在0.05s之前，直流负载为200kW的电阻（直流电压500V），0.05s之后通过断路器并联一个相同大小的电阻，因此功率变为400kW。“B1”模块为“Three—Phase V—I Measurements”模块，可以测量三相电路的电压和电流。

图4下面有两个主要模块，左边的为测量模块；右边的为控制模块，采用的即为前述的同步坐标系下的双环控制。

运行程序后可得如下仿真结果。图5为直流电压波形，在0.1s前，PWM整流器能够实现直流电压稳定在500V的控制目标，即使0.05s时突加一倍负载，直流电压也能迅速恢复。在0.1s之后，转为二极管整流桥运行，直流电压下降，这反映了PWM整流器升压整流的特性。

图4　PWM整流器仿真模型

图5 直流电压波形

图6为交流电压电流波形，在PWM整流器运行时，电流波形近似正弦波，较二极管整流时有明显改善。且交流电流与电网电压同相位，实现了功率因数为1的控制目标。图7所示为PWM整流器交流侧的电压波形。

图6　交流电压和电流波形

图7 PWM整流器交流侧电压波形

图8和图9分别为PWM整流器运行时和二极管整流器运行时的交流电流谐波频谱图。THD（总谐波失真）是指用信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全显性造成的，它通常用百分数来表示。

所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。一般来说，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。但总谐波失真与频率有关，必须在20～20000Hz的全音频范围内测出。THD的数值越小，说明品质越高。

其中图11PWM整流器运行时THD值为10.45%；而图11二极管整流器运行时THD值为36.67%。可见，PWM整流器的谐波性能有了明显提高。

图8　PWM整流器运行时交流电流谐波分析

2　电压波动及闪变分析

图9　二极管整流器运行时交流电流谐波分析

风电机组在变动的风速作用下，其功率输出具有变动的特性，可能引起所接入系统的某些节点（如并网点）的电压波动。研究表明，0.1～35Hz频率范围内的电压波动将引起人眼可觉察到的闪变问题，而相对较快的风速变动，其变化频率一般也约在0.1Hz数量级，这种频率范围的电压波动引起可觉察的闪变的可能性很小。由于自身结构的影响，风电机组在连续运行过程中将引起1Hz数量级的电压波动，这种连续的电压波动可能会引起相对较严重的闪变问题。风电机组并网运行引起的电压波动源于其波动的功率输出，而输出功率的波动主要是由风速的快速变动以及塔影效应、风剪切、偏航误差等因素引起的。

2.1SVC的基本结构与工作原理

SVC的构成形式有多种，但基本原件是晶闸管控制的电抗器和晶闸管投切额电容器。如图10所示为常用的SVC原理图，图中的降压变压器是为了降低SVC造价，而引入的滤波器则用来吸收SVC所产生的谐波电流。

图10　SVC原理图

TCR支路有电抗器与两个反向并联的晶闸管相串联构成，TSC支路有点容器和两个反向并联的晶闸管串联构成，其控制元件均为晶闸管。TCR支路的等指基波电抗使晶闸管导通角β或触发角α的函数，调整β或α可以平滑的调整并联在系统的等值电抗。其从系统中吸收的无功功率为

式中，L为电抗器的电感值。

TSC支路受电力电子器件控制使电容器只有两种运行状态，即将电容器直接并联在系统中或将电容器退出运行。由于TSC投切电容器是由电力电子器件控制完成的，因此它比机械可投切电容器要快得多，动态特性可以满足系统控制的需要。当TSC支路投入到系统中后，其向系统注入的无功功率成为

式中，C为电容器的电容值。由式（8）和式（9）可得SVC向系统注入的无功功率为

可见当时，SVC向系统注入的无功功率可以连续平滑的调节。一般为了扩大SVC的调节范围，SVC装置中可采用多个TSC支路，而且为了保证调整的连续性，通常TCR的容量略大于一组TSC的容量。若投入的TSC的总电容为C，则SVC的等值电抗为

SVC的等值伏安特性由TCR和TSC组合而成，其伏安特性曲线如图11所示，Vref为SVC的参考电压。SVC的可调范围在直线AB范围内，当系统电压的变化超出SVC控制范围时，SVC就成为一个固定点抗，及XSVCmin=-1/ ωC或XSVCmax=（ωL）/（1-ω2LC）。

图11　SVC的伏安特性曲线

2.2SVC系统的仿真模拟

为了分析SVC装置对所安装处的电压控制效果，设一个具有并联补偿设备的简单系统如图12所示，假设计算电压降落时可略取其横向分量，则无功补偿前母线i的电压Ui为

式中，Uj为设置补偿设备前母线j的电压。

图12　具有并联补偿设备的简单系统

当装设无功补偿后，母线j的电压变为Ujc，则母线i的电压为

设这两种情况下Ui保持不变，则由式（12）和式（13）可得

由此可解得

式中方括号内第二项的数值一般不大，可略去。从而可简化为

根据式（14）就可以按照调压的要求计算出补偿设备的容量Qc。

根据图1 3的输电系统，建立了一个1 1 0 k V的matlabSVC仿真模型。

电源电压为600V，频率60Hz。为了分析母线电压波动时SVC装置的动作情况，采用了Simulink中的可编程电压源。

线路长度为50km，r0=0.21Ω/km；系统负荷为10MW。

在整个仿真过程中，可编程电压源的电压变化设置如下：

（1）0～0.2s时电压源赋值为1.0pu。

（2）0.2～0.5s时电压源赋值为0.94pu。

（3）0.5～0.8s时电压源幅值为1.06pu。

（4）0.5～1.0s时电压源幅值为1.0pu。

图13　SVC仿真系统图

当电源电压为0.94pu时，为使母线j的电压达到1.0pu，根据式（14）计算出补偿设备的容量Qc为

同理，当电源电压为1.06pu时，为使母线j的电压达到1.0pu，根据式（14）计算出补偿设备的容量Qc为

Qc=-36.3Mvar

因此设置图中SVC在额定电压下能够产生的无功功率极限为［40Mvar，-40Mvar］，控制模式为“电压调整”方式。

图14　仿真结果图

运行仿真，结果如图14所示。从图中可见，在电压源发生变化时，SVC装置输出的无功功率也随之变化，限制了母线电压的升高或降低。当母线电压降低时，SVC装置可以发出无功功率防止母线电压降低过多。从图中可以看出SVC装置发出的无功功率大约是40Mvar，实际上是TCR支路退出控制，TSC支路完全投入。当母线电压升高时，SVC装置从系统中吸收无功功率，可以限制电压的升高。从图中可以看出吸收的无功功率越40Mvar，实际上相当于TCR支路的电抗完全投入。

上面的分析虽然表明了SVC装置动作的正确性，但并不能说明SVC装置为母线电压的控制效果。图15给出了未加SVC装置和加装SVC装置后的母线电压Uj随电源电压变化的情况。从图中可以看出，当电源电压变化相同时，加装SVC后的母线电压比未加装SVC的电压波动要小得多。当电源电压升高6%时，SVC的作用使母线电压仅升高约1%，而没有SVC时母线电压升高的程度几乎和电源电压一样。同样，电源电压降低时，SVC也能减弱母线电压降低的程度。显然可以看出，为了更好地体现SVC对母线电压的控制效果，还可以采用更多的TCR和TSC，但这样必然会加大投资。因此在实际工程中应该根据需要来选择TCR和TSC的容量。