浅谈风电并网对电网电能质量的影响

袁钰琪 杨劲松

摘 要：随着变速恒频电机、双馈电机等新型发电机组的应用推广，风电并网给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变等电能质量问题日益严重。文章主要研究了大型风电场接入电力系统后可能引起的电压偏差、电压波动和闪变以及谐波问题。

关键词：风力发电；电能质量；电压偏差；闪变；谐波

引言

风力发电是一种特殊的电力，风力发电输出功率的波动将引起谐波、电压波动与闪变等电能质量问题。随机的、不稳定的风速所造成的电压、频率波动和风机运行中所产生的谐波会对电网电压的品质造成直接的影响， 严重时会危害电网的安全稳定运行[1]。

1 变频恒速风机的类型

1.1 双馈异步风力发电机

双馈异步风力发电机主要由风轮机、齿轮箱、双馈异步发电机、交直交变频器组成[2]，如图1所示。转子绕组通过交-直-交变频器接入工频电网，这是双馈风机区别于其他类型风机的地方。通过对发电机的控制，使风力机运行在最佳叶尖速比，从而使整个运行速度的范围内均有最佳风能利用系数[3]。

图1 双馈异步风力发电机基本结构图

1.2 直驱式交流永磁同步发电机

直驱永磁同步风力发电机主要风轮机、永磁同步发电机和全功率变频器组成，基本结构如图2所示。与双馈异步风力发电机相比，主要有三点不同：一是无齿轮箱，二是无励磁电源，三是通过全功率变流器并网[5]。

图2 直驱永磁同步风力发电机基本结构图

2 风电对电能质量的影响

2.1 变频恒速风机并网引起谐波的机理分析

变频恒速风机包括双馈异步风力发电机和直驱永磁同步风力发电机。变频恒速风机并网引起电压谐波，实质就是SPWM控制变换器引起电压谐波。

2.2 SPWM逆变电路的谐波分析

SPWM逆变电路可以使输出电压接近正弦波，但由于使用载波对正弦信号波调制，也产生了和载波有关的谐波分量。在异步调制方式的正弦调制信号各周期内，所包含的SPWM波形没有重复性，因而无法以正弦控制信号角频率？棕r为基准分解成傅氏级数。下面采取的方法是先以三角波载波角频率？棕c为基准进行分析，然后再求出所得波形和？棕r的关系。为了简化分析，这里以单相桥式SPWM逆变电路为例。

图3 载波、调制波和SPWM输出波的关系

设三角波载波uc、正弦调制波ur和SPWM输出波uo，取三角波两个负峰值之间为一个载波周期2π，取该周期中点，即三角波正峰值时刻为轴的零点。SPWM输出波uo可表示为

（1）

把uo/Ed展开成傅氏级数，推导可得：

（2）

式（2）中的第一项即为SPWM输出波形中的基波分量。可以看出，这个基波分量正是调制时所需要的正弦波。

在三相桥式SPWM逆变电路的情况下，各相输出端相对于直流电源中点的电压波形的形状和单相桥式SPWM逆变电路完全相同，只是输出电压幅值不是Ed，而是Ed/2。

2.3 变频恒速风机并网引起电压波动和闪变的机理分析

风电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理[4]。

图4为风电机组并网示意图，其中■1为机组出口电压相量，■2为电网电压相量，Z为线路阻抗，■为线路上流动的功率相量。

图4 风电机组并网等效电路

则有：

（3）

电压变动可近似表示為下式，即：

（4）电压波动值为： （5） 式中，UN为线路额定电压，d为电压波动值。

由式（5）可知，当风电机组输出的有功和无功快速变动时，会引起电网的电压快速变动，也就是电压波动。电压波动有可能引起可察觉的闪变现象。

3 对风电场并网运行的电能质量问题的治理措施

3.1 提高风力的可预测性。由于风力的间歇性引起输出功率的波动容易造成并网后的电压波动问题。因此通过预测风力， 可以对电压质量问题进行有效的改善。

3.2 采用无功补偿装置。减小电压波动，能有效抑的制电压闪变。主要措施装设静止无功补偿器，将固定电容器作成多回路滤波器，既可以补偿无功功率，又可以实现谐波滤波。

3.3 采用多脉冲整流电路。由于其脉冲数越高，则谐波含有率越低，因此这也就意味着增加电力电子装置成本[4]。

3.4 采用有源电力滤波器滤波。根据实际情况选择有源滤电力波器。其作用原理是对电路中的谐波进行采样，根据采样的结果，施加以大小相同，方面相反的谐波，来进行抵消，从而达到抑制谐波的目的。

4 结束语

优质的电能质量是智能电网的基本功能特点之一，提高电能质量技术水平也正是建设坚强智能电网的重要内容之一。所以电能质量问题的研究在建设优质的智能电网的建设中愈显重要。

参考文献

[1]曹云，江晓林.风电场并网对电能质量的影响及优化[J].大众用电，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]张胜男，潘波.双馈、直驱风力发电机特点分析[J].防爆电机，2012，3：1-6

[4]田妍，王洁，田松.浅谈风电并网对电力系统电能质量的影响[J].中国电力教育，2009：277-278.

作者简介：袁钰琪（1988-），女，硕士研究生，从事电力系统稳定与控制方面的研究工作，吉林省吉林市东北电力大学电气工程学院。