风电并网对电能质量影响的简单分析

王帅 谢冬梅

摘要

风能的开发受到国家与社会的一致关注，与风电相关的技术在迅速发展。伴随着风电与配电网之间关系越加密切，风电并网所引起电压稳定的相关问题也越来越受到人们的密切关注。本文主要对风力发电的基本原理进行了简单概述，从风电并网的谐波电流入手，通过PSCAD软件对电能质量的影响进行简单仿真分析。

【关键词】风电并网 电压稳定 电能质量 谐波电流

1 引言

按照风力发电不同形式可以将风力发电分为并网型和离网型。如何将风电接入配电网之中，并降低风电网对原有配电网络的稳定性的影响，是风电发电技术三大研究课题之一。针对此项难题科研人员予以很多的专项研发，已经初步具有相应的技术突破，主要有两个方面：一方面，基于风电场创立模型，模拟实际情况，做出了很多的研发。另一方面，针对风电场并网的适应性的实验已经非常具体。

本文的研究正是在此背景之下展开，概括的对风电技术等基本原理进行总结，分析风电发电系统与配电网络之间的相互影响，并分析风电并网谐波电流对系统电压稳定等方面带来的一系列影响，并进一步进行仿真模拟验证。最终根据所得的实验数据结论得出风电并网谐波电流对电力系统稳定产生怎样的影响并提出解决方案。

2 风力发电基本原理与并网影响

2.1 基本原理

风力发电就是利用风的推动力使发电机转动而输出电能，其运行的工作原理是空气流动产生的风能会推动风叶转动，风轮的轴带动发电机使其运转，实际上就是把风力产生的机械能转换为电能。

风力发电系统主要由风力发电机、整流御荷环节、逆变环节以及传输环节等共同组成。该系统由智能开关控制系统控制风力发电机组的工作状态;由逆变器控制电能的转换;由电缆负责电能的传输;再加之一些辅助配件共同组成风力发电系统。

2.2 风电并网对电压稳定的影响

我国风电场的分布表现为多分布在比较僻远的西部山区，这些地区的电网结构一般比较单一，系统应变功能薄弱。如果电网电压会持续增加，原有配电系统电网的电压过高。使得该地区电网无法负荷如此高的电压和功率，将对电网系统造成严重的破坏。

考虑到安装、运行维护成本，一般采用并联电容器进行无功补偿。当电压有所下降时，并联电容的容量会快速随电压的下降而下降，使得电网产生的无功功率持续增加，造成配电网络系统中的无功功率朝着更加糟糕的方向发展，最终导致整个配电网络系统崩溃，而风力发电系统同样无法正常工作。此外，風电机组通常采用异步发电机，为了确保设备使用率，需要额外的无功电源，需要在风电场内加装无功补偿装置来进行解决。

3 风电并网谐波电流分析

3.1 电力系统的谐波

电力系统正常号行状态下，电压一般为标准正弦波，其表达式为：

一般来说，将正弦电压通过线性电路不会产生变化，输入输出电压和电流的波形不会发生改变。如果将输出的非正弦波T=2ω/π的非正弦电压u（ωt）通过傅里叶号换可得到，如下表达式：

同理，按照傅里叶号换得到的表达式可将电流的谐波电流同样采用傅里叶变换表示出来。

n次谐波电流含有率HRI_n的计算公式为：电流谐波总畸变率THD_i的计算公式为：

3.2 双馈电机的谐波电流特性分析

首先要知道的就是双馈电机定子电流谐波来源，一般来讲，双反馈机组的谐波成分比较，这与它的构造是密不可分的，定子侧由于定子开槽使得磁导率分布不均衡而产生谐波，转子侧电流由于通过电力电子器件逆变后产生谐波。

在标准双反馈机组中，我们将定子等效为发电机，转子为电动机进行分析，我们假设双反馈机组在电机在计算时刻前后处于稳定运行、不考虑电阻随着温度号化而号化的幅值、电机的饱和效应忽略不计、集肤效应忽略不计、电机不产生齿谐波的条件下运行以便进行分析。为此，转子输出电压可以等效为各个序分量单独作用的电气回路来分析。考虑到所有的参数需要折算到定子侧去计算，所以双反馈机组的等效电路可以表示为谐波正、负序。

通过等效电路可以等效纯感性电路，只考虑电机漏抗和电网的电抗。因此，双馈发电机定子侧谐波不影响系统电能质量。

4 仿真研究

通过上节的研究，具体对以下几个方面进行分析：双馈风力发电机中谐波的具体来源同时依照它的等效电路在理论上对双馈风电机组谐波的特性进行了分析。本节内容主要采用PSCAD仿真软件进行探究并且建立双馈风电机组的仿真模型以研究工作。

图1～3为在进行仿真过工中，FFT分析选取的电流来自于风力发电机组的出口，由数据统计在风电机组不同风速条件下分析得到的谐波电流频谱图。

图1～3中分别对10.00m/s、11.00m/s、12.00m/s风速条件下进行的风电机组的电流频谱统计图，由图中可以得到，风速不同并不能对谐波电流的分布情况产生较大的影响，通过比较可以得出，只有为数不多的个别次数谐波电流含量在一定工度上会进行波动变化，谐波处于稳定状态的仍然占据较大比例。

从表1可知：在不同风速条件下，总谐波电流的有效值差异性并不明显，而由于风速的慢慢加强，其中总谐波电流的畸形变化率也随之不断减少，具体原因是由于风速的变化对基波电流造成了一定的影响。

接下来在风速通过调整，施以外在干扰不能保持稳定时，对风电机组能够输出的谐波电流研究。基本风速假设为11.00m/s，并且此时会受到峰值1.00m/s的阵风扰动，扰动周期为0.2s。通过对仿真得到的数据进行整理分析，得到以下频谱图4。

由图4可以得知，次数较低的谐波电流在风电机组输出的电流频谱图中所占的比重增加最为明显。此时的总谐波畸形变化率达到了8.73%，此种变化的存在大大超出了恒定风速下的总谐波畸变率。

由此，我们可以总结出，风速存在波动的条件下。对次数较低的谐波含量和总体的谐波畸形变化率而言，都显著增大。

5 解决措施

一般说来，风电场都是处在线路的最后位置，输送线路较长，而且其自带的无用功补偿系统在最大负荷运行下不能达到需要的无功，通过上述研究并能发现其受到风速的影响，在风速不稳定的时候，单纯的依靠外界电容器组不能达到我们上边所说的要求，因此对于风电我们需要在连接口加上动态的补偿装置，由此来确定风电的稳定，进一步产生高质量的电能。

因此风电并网对电能质量造成影响的治理措施，主要通过加装无功补偿装置来对风电场进行电能质量治理。

参考文献

[1]薛禹黑，雷兴，薛峰等.关于风电不确定性对电力系统影响的评述[J].中国电机工工学报，2014，34（29）：5029-5040.

[2]张新燕，王维庆风力发电机并网后的电压和功率分析[J].电网技术，2009，30（17）：130

[3]刘巨，姚伟，文劲宇等.大规模风电参与系统频率调整的技术展望[J].电网技术，2014，38（03）：638-646.

[4]孙万鹏，付蓉.STATCOM在风电并网系统电压稳定性中的应用研究[D].南京：南京邮电大学，2013：4-10.

[5]何世恩，郑伟，智勇等.大规模集群风电接入电网电能质量问题探讨[C].2012中国智能电网学术研讨会论文集，2012：39-44.

[6]高一丹.双馈风力发电机组建模及并网动态特性研究[D].武汉：华中科技大学，2011.