风机并网对电能质量影响因子研究

魏然，周科，程逸帆，金立军

（1.山东电力集团公司济宁供电公司，山东济宁 272001；2.同济大学电子与信息工程学院，上海 201804）

近年来早期的风力发电机单机容量较小，多采用与配电网直接相连的异步电动机，且处于供电网络的末端，抗冲击的能力较弱。之后，双馈感应电机、永磁直驱电机等新型变速恒频发电机组开始得到推广，有效地提高了风力发电的效率，但大规模风电引入电网，对系统稳定性、电能质量等产生的一些负面影响仍然不容忽视[1-3]。

1）由于风能具有随机性、间歇性，风电机组输出的电能也是波动、随机变化的，具有不可控的特点，因而稳定性较差，不能保证不间断供电。

2）目前风力发电机组大多采用软启动器并网方式：风机以电动机形式启动直至达到并超过同步转速，过渡到稳定的发电状态后，与晶闸管电路平行的旁路接触器合上，机组完成并网过程。但在启动过程中由于存在晶闸管，会引入一定程度的谐波电流。

3）当风速处于有效风力之外时，风电机组会从额定状态自动退出运行，风电机组的投切产生的电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。

4）风电机组退出运行后，由于其内部含有整流设备，不可避免会从电源的角色转变为非线性负载，这是也是风机对电网产生大量谐波的重要原因之一。

5）在风机制造过程中，若出现的磁路或电路不平衡等制造缺陷，在并网后的三相不平衡问题将会不可避免。

6）风电机组并网采用了大量的电力电子设备，对于需要通过整流和逆变接入电网的变速风力发电机（如双馈感应电机及永磁直驱电机）而言，会产生严重的谐波问题。

在本文中，对风机给电网带来的多种稳态电能质量问题进行了研究，如供电电压偏差，三相电压允许不平衡度，电压变动和闪变值，以及谐波值。建立了配电网与风机的并网模型，并进行详细地模拟和分析，定量得到各项电能质量指标，与国标进行对比，得出风机对电网最重要的影响因子，并综合考虑各类因子对解决方案进行研究。

1 电能质量影响因素

1.1 供电电压偏差

电压偏差的定义[4]：供电系统在正常运行条件下，某一节点的实测电压与系统标称电压之差对系统表征电压的百分数称为该节点的电压偏差。其数学表达式为

电压的这种变化是缓慢的，因此电压偏差电能质量标准属于静态电能质量问题的范畴，是针对电力系统正常运行方式下，机组或负荷的投切所引起的系统电压的偏差，通常，这一偏差的绝对值不大于标称电压的10%。

风电机组的出力随时发生变化，将导致并网点的无功功率发生变化。不合理的无功功率潮流是引起系统电压偏离标称值的重要原因[5-7]。

1.2 三相电压不平衡度

根据对称分量法，三相系统总的任何电量都可以分解为正序分量，负序分量和零序分量三个对称风量。因此可以定义[8]：电力系统在正常运行方式下，电量的负序分量方均根值与正序分量的方均根值之比称为该电量的不对称度或不平衡度，用符号ε表示，即：

电压不平衡度：

电流不平衡度：

式（3）中，U2，I2分别为电压电流的负序分量方均根值；U1，I1分别为正序分量方均根值。标准规定，电力系统公共连接点正常情况下电压不平衡度允许值为2%，短时不得超过4%。

在风机并网系统中，三相不平衡状态常常由发电机供电环节，及线路的不平衡引起的。对比多种计算不平衡度的公式[9-10]，采用线电压测量值，通过公式：

式（5）中，a，b，c为三相线电压基波有效值。

1.3 电力谐波

非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变，因此统称为谐波源。谐波对各种电气设备，对继电保护、自动装置、计算机、测量和计量仪器以及通信系统均有不利的影响。

从谐波建模和仿真的角度，一台风机可以看作一种向配电馈线注入谐波的非线性负荷。经过功率变换器接入电网的风电机会贡献谐波电流，是电力系统最常见的谐波源。以及考虑到电力系统基波阻抗呈感性，在某几次谐波下可能发生的谐振将会加重谐波畸变。

根据表1国标[11]对奇偶次谐波电压的规定和谐波频谱分析，仿真主要针对易于测量的奇次谐波电压进行分析。

表1 我国公共电网谐波电压（相电压）限值Tab.1 The harmonic voltage（phase voltage）limit of the public power grid in China

1.4 电压波动

对于风速快速变化引起输出功率变化导致的电压波动，先进的变桨控制系统和风机组类型能够减小风电机组输出功率的波动。

在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动频度为3 p（p为叶轮旋转频率）时，最大波动幅度约为转矩平均值的20%[12]，对于接于电网薄弱节点的风电场而言，电压波动和闪变尤为明显。

1.5STATCOM原理及应用

STATCOM——静 止 同 步 补 偿 器（Static Synchronous Compensator，简称STATCOM，又称SVG）是当今无功补偿领域最新技术的代表，属于灵活柔性交流输电系统（FACTS）的重要组成部分。在配电网中，STATCOM能有效解决电压波动、电压暂降、电压不平衡等多种电能质量问题，但它本身并没有消除谐波的功能，需要加装谐波抑制模块或改变其自身并网变压器的接线方式，消除指定次谐波[13-14]。

STATCOM的基本构成图如图1。STATCOM的逆变器通过中间变压器与电力系统连接，逆变器的输出电压与电力系统电压始终保持频率相同。通过大小的调节可控制加在中间变压器上的电压的大小与方向，进而可以实现无功的吸收与补偿控制。这样STATCOM提供的电流I觶为

图1 STATCOM电路图Fig.1 The diagram of the STATCOM

2 电能质量仿真分析

2.1 电压偏差仿真

在图2所示的Matlab/Simulink仿真模型中，通过参考实际风速变化范围在8~25 m/s间，改变风机输入风速，对比得到的无功功率变化，以及输出电压。

仿真结果如图3所示。

图2 仿真模型系统Fig.2 System simulation model

图3 不同风速下接入点无功变化Fig.3 The variation of the reactive power with different wind speeds

在8 m/s和25 m/s风速下变速恒频电机接入点无功基本保持不变，说明变速恒频电机在抗风速变化扰动上具有很好的优势，再根据电压波形图4，不考虑启动期间电压的剧烈变动，在稳态情况下，不同风速下的风机输出电压波形几乎重叠，并且没有超过国标10%的限值。

图4 风机接入点电压Fig.4 The voltage of the wind farm connection position

2.2 三相不平衡仿真分析

由于风机无法设定为三相不平衡状态，所以在仿真过程中以10 kV电压源加上谐波源代替风电场的主要输出特性，在此基础上便可以改变三相平衡度，做到一定程度的仿真（THD为总谐波畸变率）。

表2 三相不平衡叠加电压以及不平衡度Tab.2 Unbalanced three-phase voltage and the unbalance factor

从表2中可以看出：

1）三相不平衡输电线中，电压较低的一相，谐波含量会变高。

2）附加电压越高，极易发生三相不平衡，总谐波含量会较高。

3）附加电压很高时，即使三相附加电压相等也会产生很大的三相不平衡度。

4）三相电压太高（波动）是影响三相不平衡度的重要因素，也会造成较高谐波含量。抑制电压波动对消除三相不平衡度有益。

2.3 电力谐波分析

在图2中检测电压偏差同时，对其进行傅里叶分析，得出总谐波畸变量，结果如图5所示，表明总谐波畸变量（THD）随着风速增长会有所增加。

图5 谐波含量随风速变化Fig.5 The harmonic content change with wind speed

应用较常见的无源滤波装置对输入谐波进行滤除，出于其设备结构简单、运行可靠、维护方便等优点，但由一组或数组单调谐波滤波器组成的无源滤波装置只能对某几次谐波进行补偿，调压要求不够理想，滤波效果不够理想，并且在滤波装置中电力电容器、电抗器的存在，在某些情况下可能和系统发生谐振，引发事故。

而检测电网谐波后主动出入补偿电流的有源滤波器，凭借其具有电力电子设备的高可控性和快速响应性，和优秀的补偿能力是电力系统无功补偿、谐波治理的重要发展方向。

2.4 STATCOM工作模式与电压波动消除

在模型中设计电源与负载都具有波动性，选择STATCOM工作在电压调节状态和功率因数补偿状态，如图5所示，对STATCOM接入点母线电压、无功功率以及系统功率因数进行对比。

由图6可见，当静止同步补偿器工作在电压调节模式下，能够抑制电源和负载的波动，把母线电压稳定住，同时在无功检测环节可以观察到其工作过程：检测到电压升高时，吸收无功功率，降低电压；电压跌落时，输出无功功率起支撑作用。但功率因数没有得到很好的控制，变化比较剧烈，而最后的稳定是由于设定的电源及负载波动已经消失。

图6 STATCOM工作模式改变参数对比Fig.6 The comparison of parameters with the change of the STATCOM working model

当静止同步补偿器工作在功率因数补偿模式下，对功率因数起到了很好的平滑作用，但此时的电压波动，完整地体现出来，没有任何补偿动作。

对系统某一相电压进行傅里叶分析时发现，当STATCOM工作在功率因数补偿模式下，功率因数虽然提高，但是会带来一定量的谐波，且与补偿器的容量有关。

3 结论

本文对风机并网后各稳态电能质量问题进行了详尽的仿真研究，结果表明风能的随机性决定了谐波与电压波动为最重要的影响因子，而三相不平衡则是一种存在的隐患，这取决于发电机本身的性能，供电电压不平衡则是在如今变速恒频风机大力推广的时代，可以由风机自身解决，不用特别考虑治理方法。

静止无功补偿器（STATCOM）对电能质量有较大提升，能够有效解决电压波动，提高功率因数，但是它的两种工作模式如何控制得当，以及谐波抑制功能如何实现，使得电压波动，功率因数，谐波这三项重要指标都满足国标要求还需要更进一步的研究。

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