风力发电场电能质量控制与试验装置研究

摘要：随着国家能源政策的转变，以风力发电为代表的新能源发电已得到了长足的发展。但是，风力发电机组的大规模并网运行带来了种种电能质量问题，本文介绍几种用于改善或研究风力发电场电能质量控制与试验的装置。首先综述了风力发电的发展情况，然后对目前电能质量问题研究进行了阐述，最后介绍了几种以电能质量控制为目的的控制与试验装置。本文论述的几种装置可以为风力发电场电能质量问题研究扩展思路。

关键词：风力发电电能质量控制试验

1 风力发电场电能质量问题

随着我国能源战略的调整，清洁能源已成为社会广泛讨论的话题。作为典型的清洁型发电模式，风力发电已经得到了长足的发展，占发电容量的比重越来越大。但是，大规模风电机组的并网势必带来一些新问题，如电能质量问题，由于风电机组内设置有非线性电气设备，且控制技术较为复杂，将会带来诸如电压波动、谐波等问题，影响着电网的正常运行。风力发电场电能质量的控制与研究工作已经成为一项重要的课题。

本文以电能质量问题为切入点，介绍几种能够应用风力发电场的电能质量控制与试验装置，通过论述，可以为风力发电场电能质量问题研究扩展思路。

2 电能质量控制

近年来，电力系统中的电能质量问题得到了越来越广泛的关注。大量非线性装置的应用是产生电能质量问题的重要原因之一[1]。其中包括调速驱动装置、开关型电源、电弧炉、电子镇流器等等。此外，系统的正常投切操作与故障切除产生的扰动也会影响供电质量。电能质量问题可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差。其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变以及电压暂降与短时间中断等。

电能质量的监测、分析与治理已成为电能供应与利用领域的重要课题。电能质量问题之所以日益引起国内外专家学者的研究兴趣，主要归结于以下几点原因：

①计量问题：劣质的电能质量可能会影响电力计量的精度。

②继电保护：劣质的电能质量可能会引起继电保护装置保护功能的失灵。

③设备的停运：劣质的电能质量可能会引起设备（特别是异步电动机）停机或损坏，导致生产率下降，损害电力用户的经济利益。

④电磁兼容性：劣质的电能质量可能引起电磁兼容性问题和噪声问题。

目前，已有不少高校或科研机构建立了电能质量实验室。电能质量实验室的建立具体服务于三个目的：

①测试设备在电力扰动下的运行状况。

②测试电能质量校正设备对扰动的补偿能力。

③通过与电网连接的装置来判定电力扰动的类型和幅度。总之，电能质量实验室主要侧重于电能质量事件检测与补偿装置的研发。电能质量问题研究依托于电力电子技术的高速发展，随着电力电子变流器控制技术的日益成熟，可以为电能质量问题研究提供宽广的平台。

3 电能质量控制与试验装置

3.1 VSC型电力扰动发生装置（VSC-IG）

为了改善电力系统电能质量，大量电能质量补偿控制装置已接入电网。电压源型变流器（VSC）型电力扰动发生装置是针对于对电能质量补偿控制装置的测试而提出的，该装置简称VSC-IG。通俗地讲，VSC-IG就是一个高精度可控大功率电压扰动发生装置。它能够模拟各种电力扰动波形，便于对电能质量补偿控制装置的测试。在风电场中，VSC-IG还可以应用于风电机组低电压穿越能力的测试。

文献2详细介绍了VSC-IG装置的研制方法，对于该装置，通常需要研究以下几点内容：

①装置的建模。

②装置主电路参数的选择方法。

③装置控制器设计。

④基于仿真软件平台的装置仿真。

⑤装置物理样机的研发与实验。

目前，VSC-IG装置主要应用于电能质量实验，研究电能质量检测与分析方法。

3.2 三相电压型整流器（VSR）

三相电压型整流器是将交流电压转换为直流电压的重要装置，在永磁直驱型风力发电机组中得到了广泛的应用。装置结构如图1所示。

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目前工业中使用三相电压型整流器通常是以半控型功率器件晶闸管作为开关器件的，采用的是相位控制方式。这种类型的整流装置虽然功率因数较高（工业上甚至可达0.99），但是网侧谐波是不可避免。解决该问题的办法通常是在网侧安置电容进行滤波，这样做简单易行，工程上广泛应用，但是同时会带来LC谐振问题。

采用全控型器件IGBT可以有效地解决上述问题。全控器件采用PWM控制技术，PWM的最大优点是其谐波分布在开关频率附近，一般为几千赫到几十千赫，较为容易滤除。通过整流器的闭环控制算法，可以实现网侧电流的正弦化，消除对电网的谐波污染，减少谐波带来的能量损耗。整流器的闭环控制算法涉及较多的自动控制理论与电力电子技术的内容，目前较为流行的是前馈解耦控制算法和反馈线性化控制算法。文献3对相关控制算法作了较深入的研究与分析。

3.3 有源电力滤波器（APFC）

在风电产生和传输过程中，谐波是产生能耗的主要原因之一。供电电压波形的畸变而产生的谐波分量不能被电力用户所用，但是却消耗在线路中，造成了能源的浪费，同时也损害了电力用户的经济利益。

目前使用有源电力滤波器用于谐波治理，通常并联至待治理点，以补偿系统中的谐波电流。谐波的产生工作原理图如下：

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有源电力滤波器检测负载电流的谐波分量，通过控制变流器输入一个与之相反的电流分量来达到补偿的目的。实际上，有源电力滤波器就是一个高功率可控电流源，可以灵活地发出指定的电流值。

3.4 静止无功功率补偿器（STATCOM）

大量无功电流在电网中会导致线路损耗增大，变压器利用率降低，用户电压跌落。无功补偿是利用技术措施降低线损、实现节能的重要措施之一，电网规划，在有功功率合理分配的同时，也必须做到无功功率的合理分布。

无功优化的目的是通过调整无功潮流的分布降低网络的有功功率损耗，并保持最好的电压水平。无功优化补偿一般有变电所无功负荷的最优补偿、配电线路最优补偿以及配电变压器低压侧最优补偿。由电能损耗公式可知，当线路或变压器输送的有功功率和电压不变时，线损与功率因数的平方成反比。功率因数越低电网所需无功就越多，线损就越大。因此，在受电端安装无功补偿装置，可减少负荷的无功功率损耗，提高功率因数，提高电气设备的有功出力。

无功功率补偿装置（STATCOM）的投入一方面改善了投入点的功率因数，同时也可提高接入点的电压水平，是改善风电场电能质量的重要手段之一，工作原理如图3所示。其结构与三相电压型整流器基本一致。理论核心是八十年代日本学者赤木泰文提出的瞬时功率控制理论，通过该理论可以达到灵活控制网侧无功功率的目的。

3.5 统一潮流控制器（UPFC）

统一潮流控制器(UPFC)是柔性交流输电系统(FACTS)中的一种新兴的、功能最完善控制装置，作为FACTS中最具代表性的一种，UPFC具有非常灵活的控制功能，集调节线路潮流、节电电压、阻抗、相角和无功补偿等众多功能于一体，通过统一控制系统可对电力系统进行实时、有效、快速地控制，其强大的综合控制功能是其它FACTS及传统的补偿装置所无法比拟的。此外，UPFC还能抑制电力系统的低频振荡，改善系统的暂态稳定性，提高线路的传输极限等。UPFC应用于输电网，装置容量较高。这个研究方向具备广泛的前景，目前风电场发电应用于直流输电这一方向正在兴起。

4 结语

本文介绍了几种以电能质量控制为目的的装置，综述了风力发电发展情况，对目前电能质量问题研究进行了阐述。结合国家的相关政策，可以预见，本文所论述的电力扰动发生装置、三相电压型整流器、有源电力滤波器、静止无功功率补偿器和统一潮流控制器在今后风力发电电能质量问题研究中会有很大的应用空间。

参考文献：

[1]韩立.电力节能中的科学方法和政策[C].2007年中国科学技术协会年会论文集.

[2]严干贵，齐磊，李军徽等.可控VSC-IG的研究与实现[J].电工电能新技术，2010，29（4）.

[3]陈涛，严干贵，齐磊等.基于三相电压型变流器的无功功率补偿控制[J].东北电力大学学报，2009，29（4）.

[4]严干贵，齐磊，李军徽等.三相电压型整流器反馈线性化解耦系统的PI控制器参数整定[J].南方电网技术，2009，3（5）.

[5]Alexander Kusko,Marc T.Thompson著.电力系统电能质量[M].科学出版社，2009.

作者简介：

齐磊（1984-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，助理工程师，主要从事电力系统风险评估研究工作。