袁鈺琪 楊勁松

摘 要：隨著變速恒頻電機(jī)、雙饋電機(jī)等新型發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用推廣，風(fēng)電并網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動(dòng)及閃變等電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。文章主要研究了大型風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)后可能引起的電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變以及諧波問題。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；電能質(zhì)量；電壓偏差；閃變；諧波

引言

風(fēng)力發(fā)電是一種特殊的電力，風(fēng)力發(fā)電輸出功率的波動(dòng)將引起諧波、電壓波動(dòng)與閃變等電能質(zhì)量問題。隨機(jī)的、不穩(wěn)定的風(fēng)速所造成的電壓、頻率波動(dòng)和風(fēng)機(jī)運(yùn)行中所產(chǎn)生的諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)電壓的品質(zhì)造成直接的影響， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)危害電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

1 變頻恒速風(fēng)機(jī)的類型

1.1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要由風(fēng)輪機(jī)、齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、交直交變頻器組成[2]，如圖1所示。轉(zhuǎn)子繞組通過交-直-交變頻器接入工頻電網(wǎng)，這是雙饋風(fēng)機(jī)區(qū)別于其他類型風(fēng)機(jī)的地方。通過對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，使風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比，從而使整個(gè)運(yùn)行速度的范圍內(nèi)均有最佳風(fēng)能利用系數(shù)[3]。

圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

1.2 直驅(qū)式交流永磁同步發(fā)電機(jī)

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要風(fēng)輪機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)和全功率變頻器組成，基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。與雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，主要有三點(diǎn)不同：一是無齒輪箱，二是無勵(lì)磁電源，三是通過全功率變流器并網(wǎng)[5]。

圖2 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)電對(duì)電能質(zhì)量的影響

2.1 變頻恒速風(fēng)機(jī)并網(wǎng)引起諧波的機(jī)理分析

變頻恒速風(fēng)機(jī)包括雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)和直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。變頻恒速風(fēng)機(jī)并網(wǎng)引起電壓諧波，實(shí)質(zhì)就是SPWM控制變換器引起電壓諧波。

2.2 SPWM逆變電路的諧波分析

SPWM逆變電路可以使輸出電壓接近正弦波，但由于使用載波對(duì)正弦信號(hào)波調(diào)制，也產(chǎn)生了和載波有關(guān)的諧波分量。在異步調(diào)制方式的正弦調(diào)制信號(hào)各周期內(nèi)，所包含的SPWM波形沒有重復(fù)性，因而無法以正弦控制信號(hào)角頻率？棕r為基準(zhǔn)分解成傅氏級(jí)數(shù)。下面采取的方法是先以三角波載波角頻率？棕c為基準(zhǔn)進(jìn)行分析，然后再求出所得波形和？棕r的關(guān)系。為了簡(jiǎn)化分析，這里以單相橋式SPWM逆變電路為例。

圖3 載波、調(diào)制波和SPWM輸出波的關(guān)系

設(shè)三角波載波uc、正弦調(diào)制波ur和SPWM輸出波uo，取三角波兩個(gè)負(fù)峰值之間為一個(gè)載波周期2π，取該周期中點(diǎn)，即三角波正峰值時(shí)刻為軸的零點(diǎn)。SPWM輸出波uo可表示為

（1）

把uo/Ed展開成傅氏級(jí)數(shù)，推導(dǎo)可得：

（2）

式（2）中的第一項(xiàng)即為SPWM輸出波形中的基波分量。可以看出，這個(gè)基波分量正是調(diào)制時(shí)所需要的正弦波。

在三相橋式SPWM逆變電路的情況下，各相輸出端相對(duì)于直流電源中點(diǎn)的電壓波形的形狀和單相橋式SPWM逆變電路完全相同，只是輸出電壓幅值不是Ed，而是Ed/2。

2.3 變頻恒速風(fēng)機(jī)并網(wǎng)引起電壓波動(dòng)和閃變的機(jī)理分析

風(fēng)電引起電壓波動(dòng)和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，下面將分析并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)引起電壓波動(dòng)和閃變的機(jī)理[4]。

圖4為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意圖，其中■1為機(jī)組出口電壓相量，■2為電網(wǎng)電壓相量，Z為線路阻抗，■為線路上流動(dòng)的功率相量。

圖4 風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)等效電路

則有：

（3）

電壓變動(dòng)可近似表示為下式，即：

（4）電壓波動(dòng)值為： （5） 式中，UN為線路額定電壓，d為電壓波動(dòng)值。

由式（5）可知，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組輸出的有功和無功快速變動(dòng)時(shí)，會(huì)引起電網(wǎng)的電壓快速變動(dòng)，也就是電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)有可能引起可察覺的閃變現(xiàn)象。

3 對(duì)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的電能質(zhì)量問題的治理措施

3.1 提高風(fēng)力的可預(yù)測(cè)性。由于風(fēng)力的間歇性引起輸出功率的波動(dòng)容易造成并網(wǎng)后的電壓波動(dòng)問題。因此通過預(yù)測(cè)風(fēng)力， 可以對(duì)電壓質(zhì)量問題進(jìn)行有效的改善。

3.2 采用無功補(bǔ)償裝置。減小電壓波動(dòng)，能有效抑的制電壓閃變。主要措施裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償器，將固定電容器作成多回路濾波器，既可以補(bǔ)償無功功率，又可以實(shí)現(xiàn)諧波濾波。

3.3 采用多脈沖整流電路。由于其脈沖數(shù)越高，則諧波含有率越低，因此這也就意味著增加電力電子裝置成本[4]。

3.4 采用有源電力濾波器濾波。根據(jù)實(shí)際情況選擇有源濾電力波器。其作用原理是對(duì)電路中的諧波進(jìn)行采樣，根據(jù)采樣的結(jié)果，施加以大小相同，方面相反的諧波，來進(jìn)行抵消，從而達(dá)到抑制諧波的目的。

4 結(jié)束語

優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量是智能電網(wǎng)的基本功能特點(diǎn)之一，提高電能質(zhì)量技術(shù)水平也正是建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要內(nèi)容之一。所以電能質(zhì)量問題的研究在建設(shè)優(yōu)質(zhì)的智能電網(wǎng)的建設(shè)中愈顯重要。

參考文獻(xiàn)

[1]曹云，江曉林.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響及優(yōu)化[J].大眾用電，2008.

[2]Achermann T，Garner K，Gardiner A.Embedded wind generation inweak grids-economic optimization and power quality simulation[J].Renewable Energy，1999，18（2）：205-221.

[3]張勝男，潘波.雙饋、直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)特點(diǎn)分析[J].防爆電機(jī)，2012，3：1-6

[4]田妍，王潔，田松.淺談風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響[J].中國(guó)電力教育，2009：277-278.

作者簡(jiǎn)介：袁鈺琪（1988-），女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定與控制方面的研究工作，吉林省吉林市東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院。