论述风力发电引起的电压波动和闪变

赵俊华 王健

(新疆龙源风力发电有限公司,新疆 乌鲁木齐 830099)

近些年,我国电力需求量不断增大,所以风电装机容量也越来越大,此时风力发电的并网运行导致电能质量的问题,成为人们关注的焦点,因为该问题会在一些时候直接影响到风电场装机的具体容量[1]。事实上,风力形式的发电受到很多因素影响,这些因素与风力相关,包含风向以及风速,它们的波动性和随机性以及间接性均会作用到发电上,使得风机所输出的功率出现了一些波动,此种波动化随机功率进入到电网,直接关系着电能的质量高低。总结这种现象,可以被称之为电压波动以及闪变。

1 电网电压波动和闪变的主要原因

风力发电的机组需要并入到电力运输线路时,其所输送出的功率不稳定,出现严重波动,则直接导致了该部分电网的电压波动以及闪变,为此需就此原因进行分析：从图1 中可以看出,这是风力发电的机组并入到电力运输线的等效电路图,用来表示风力发电的机组中出口电压的则是E˙；用来表示线路中电抗的则是X1,用来表示线路里面存在的无功电流的则是Ir；用来表示整个电网电压的则是；用来表示线路中有功电流的则是Ia,用来表示线路中电阻的则是R1。在正常条件下,电路之中运行的无功电流总是要比电路之中的有功电流要小很多。

图1 风电机组并网的等效电路图

由图1 的第二个图看,R1I˙a分量及V 分量同jX1I˙a分量的垂直,造成了电压的跌落,并不用计算其造成的电压跌落。从图1的第三个图去看,jX1I˙r分量是造成电压跌落主要原因,这里面的V 分量和R1I˙a分量出现垂直,进而不计算因为其造成的电压跌落。从这一点就能知道,分析电路之中出现电压跌落的具体原因,那就是线路里面存在两种电流,分别是有功和无功的电流,这两个值分别为jX1Ir、R1Ia。当风向以及风速发生了改变之后,风力发电的机组中所输出的功率也会有一些变化,出现一些波动,同时线路中的有功和无功电流同样出现改变,那么此电网之中的电压就会有波动以及闪变。

电路网络电压波动可能影响到一些用电设备运行,通常会利用照明设备运行情况,判定电压波动情况,也就出现闪变概念[2]。IEC(国际电工委员会)提倡,针对电压出现的波动,运用白炽灯亮度闪烁去表示,当白炽灯的亮度有一些变化,比如超过某种设定幅度,则可以将其称之闪变[3]。想要知道人们对于闪变所适应的程度,给出了载波为调幅波的建议,其同工频电压频率、波形、幅值并不相同,可以提供给230V、60W 的电灯电能,闪变的察觉率F 有规范计算公式,见公式(1)。

公式里面的A、B、C、D,分别代表着不同的人群,主要以对白炽灯的闪烁程度感觉为准,A 为没有感觉,B 为稍微有感觉,C为明显有感觉；D 为不能承受的感觉,分别有多少人。一瞬间闪变的视感度测量单位就是闪变的觉察率50%,也就是觉察单位设定成S=1。

2 电压波动和闪变的检测分析

2.1 电压波动和闪变为基础构建数字模型

为准确对其进行检测,常用方法则要在波动电压里面分离出来波动信号。一般情况下,可以将波动的电压设定成调幅波,此时的工频额定电压就可以被看成是电压的波动载波,假设调制出合适的相应频率的调幅波,才可让其幅值改变。一般会用公式(2)代表分频电压u(t)：

将电压波动分量设定成某特定的频率,也就是v(t)=Vmcos(Ωt),将其替换上式：

从当下能够查询到的资料中可知,电压波动和闪变方面的研究均以u(t)检测和v(t)分离为着手点,想要获取闪变数字,就需要进一步统计分析,由此看出,想要得到精准闪变数值,那么必须得到准确的电压波动的分量,此步骤非常的重要,对于闪变数值精准计算,其准确度受到电压波动分量的准确度影响,从而影响到电网中输出电能质量好坏的准确评价。

2.2 电压波动和闪变检测方法

针对检测的过程来说,整体实施方案则应以波动电压u(t)实施分离的时候得出电压波动的分量Vmcos(Ωt)(看成为调幅波)的计算为重点,从而形成检测方法之一。当下,常用检测方法是各国的闪变仪,分成三个种类：第一种则是平方检测法,IEC 给的意见,这是主导检测方法。第二种则是整流检测法。第三种则是有效值检测法。此次研究以平方检测法为重点,进行详细分析。这里所应用的平方检测法,还可以叫做同步检测法。为得到不一样类型的频率信号,需要将电压的信号做平方化的处理,之后运用带通滤波器,去处理无用信号,也就是过滤,可以得到了已经分离完成的波动的电压信号。此时的波动电压信号u(t)的平方公式：

接着需要对平方进行解调,电压表达式看包含以下频率风量,分别是0、Ω、2Ω、2ω、2(ω+Ω)、2ω+Ω、2ω-Ω。就的获取波动分量,应用频率范围是0.05Hz 到35Hz 带通滤波器,就能将超出50Hz 频率分量进行过滤,同时把直流分量也进行过滤。此时可以得到波动分量,还能得到倍频的波动分量,要知道后者的调制系数(m)不会比1 大,就可以得到这样的结论,后者要比前者小非常多,进而可以忽略不计后者。此时则能获取电压波动分量v(t),计算公式为：

倍频波动分量数值与波动分量比较,前者比较小,可忽略不计,可是前者却永远都有,也没有一些变化,进而不计这部分,则是此计算方法的局限。

图2 闪变仪器原理结构图

2.3 IEC 闪变仪原理

IEC 将闪变仪器原理结构图给出,见图2。从原理结构图中可以看出,此闪变仪分成三个部分：其一,框架1 构成,主要作用为,把波动电压信号输入其中,实施适合的调整和平方运算,调幅波电压则是自检信号的标准。其二,框架2 和框架3 以及框架4 构成第二部分,此部分主要功能为,搭建电压波动以及闪变视觉的模拟模型,分离得到电压波动的分量,确定频率的响应特性,也就是一瞬间闪变的视感度的曲线。这部分的框架3 的构成部分,包括加权滤波器、带通滤波器。框架4 中输出瞬时闪变视感度S(t)进行反应。其三,框架5 是主要组成部分,此比分功能为,统计、分析、计算电压波动和闪变,闪变值可通过计算瞬时闪变的视感度而得到。

3 IEC 闪变仪仿真研究

3.1 仿真模型

以Matlab/Simulink 为基础形成上述的原理结构图仿真模型,设定电压波动分量是波动幅度的0.25%,频率则是8.8Hz 正弦波。波动电压信号(也就是调幅波)为正弦波,同时受到个滤波器的滤波蒸流的调节之后,输出得到信号为mcos(Ωt),也就是v'(t)。通过平方处理的计算,表达式为：

3.2 仿真分析

利用Simulink 就能得到每环节仿真波形,从而仿真获得S(t)的波形,将S(t)波形局部的稳态进行放大,可以看到以下特点：8.8Hz 是输出时的电压频率,就可以说明进行了相应加权的滤波处理,可以得到此时波形,此时频率也就是对应调幅频率,滤波时则不用影响信号,信号会变弱,以让滤波器得到满足。

综上所述,针对风力发电的电能质量评价,非常关键的方面则是电压波动和闪变。利用平方法构建仿真模型,闪变仪的检测瞬时闪变视感度是1,在1 上下的3%进行浮动,达到IEC 检测精度要求,一般会于2.5s 的时候处于稳定。