风力发电电能质量问题及治理措施浅析

收稿日期:2016-04-22
作者简介:萨仁娜(1985-)
,女,内蒙古人,学士,助理工程师,从事电力企业新能源计划管理工作。

风力发电电能质量问题及治理措施浅析
萨仁娜
(内蒙古华电辉腾锡勒风力发电有限公司,内蒙古呼和浩特 010020
) 摘 要:
根据国家电能质量相关标准,针对风力发电出现的电能质量问题进行了分析。

详细介绍了目前治理电能质量常用的2种设备,即静止型动态无功补偿装置及静止无功发生器装置的概况、工作原理等,为今后的电能质量治理装置实际应用研究提供理论基础。

关键词:风力发电;电能质量;静止型动态无功补偿装置;静止无功发生器装置
中图分类号:T M 614 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2016)11—0097—02 风能作为清洁环保的可再生能源,
越来越得到人们的重视。

由于风能因具有不可调度性、随机性、间歇性等缺点,随着风电场建设规模及风电机组单机容量的增大,在风电运行过程中给电力系统带来电能质量问题。

笔者将对电能质量问题及治理设备进行分析研究,为进一步的电能质量治理数据分析提供理论基础。

1 风力发电电能质量问题分析1.1 电压闪变和波动及产生的原因
电压闪变和波动是电能质量的一个重要技术指标,是一系列电压随机变动或工颇电压包络线的周期性变化,以及由此引起的照明闪变。

随着风电注入电网功率的不断增加,风能所具有的随机性、间歇性特点将导致局部电网出现电压波动,引起电能质量下降。

风电机组在连续运行过程中,由于自身结构的影响,会出现1H z 数量级的电压波动,进而引起闪变问题。

风电机组在变化的风速作用下(如阵风、渐变风、
随即噪声风、塔影效应、风剪切、偏航误差等),其功率
输出也随之变化,将导致接入系统的某些节点(如并网点)产生电压波动。

风力发电机并网方式通常分为直接并网、准同期并网、降压并网以及软并网方式,其中,软并网方式能够降低并网时的冲击电流。

风速的快速变化导致风电机组经常启停。

发现阵风时,风速快速增大,风机转速快速升高,风电机组功率增加,电机从电网吸收的无功功率迅速增加,导致电网电压降低。

阵风过后,风速降低,电机功率降低,因此从电网吸收的无功功率也随之降低,导致电网电压上升,引起电压波动。

风电机组在启动、脱网以及机组切换时也会引起电网电压波动。

在风电机组启动过程中会产生较大的启动电流,导致电网电压出现较大跌落。

启动电流及电网电压跌落程度与风电机组的并网方式和启动过程时间等因素有关。

塔影效应对风力发电机组的电压波动及闪变具有一定的影响,塔影效应是指对于目前的3叶片机组,其功率波动频率在3倍的风力叶片旋转频率(1H z ~2H z
)下的风电机组输出功率幅值有时可达平均瞬时功率的20%,
因此引起电压波动和闪变。

对于大功率的风力发电机,风剪切作用也会引起电压波动。

风机叶片在旋转过程中处于不同高度,由于风速快速变化,导致风机的输出功率变化,
引起电压波动。

1.2 谐波及产生原因
谐波是指电流中所含有的频率为基波的倍数的辅波或分量。

风力发电产生谐波的途径主要有2种:①风力发电机自身配备的电力电子装置可能带来谐波问题。

对于直接和电网相连的恒速风力发电机,在软启动阶段,要通过这些电力电子装置并入电网,因此会产生一定的谐波;②通常双馈风力发电系
统的变频器的额定容量为发电机额定容量的1/3
,甚至有的变频器的额定容量为发电机额定容量的1/5,而且,大部分变频器采用I G B T 元器件和脉宽调制技术,变频器本身谐波含量很小,因此,相对于发电机来说,其谐波含量较小。

2 电能质量治理措施2.1 应用静止型动态无功补偿装置(S V C )2.1.1 S V C 设备概述
S V C 是由电容器、
各种电抗元件及晶闸管等构成的并联、可控、无功补偿装置,与系统并联并向系统供应或从系统吸收无功功率。

其输出或吸收的无功功率可以通过晶闸管快速改变以达到维持或控制电力系统某些参数的目的。

根据可调电抗器的工作原理及调节方式不同,S V C 装置可分为3种类型,
即T C T 型(晶闸管控制的变压器)、T C R 型(
晶闸管控制的电抗器)和M C R 型(
磁控电抗器)。

2.1.2 S V C 工作原理
S V C 装置根据控制策略,
检测相关设定量和电量,调节与电抗器串联的晶闸管的导通角,能连续、快速地改变装置的电感电流,从而获得平滑调节的无功功率。

晶闸管控制S V C 的结构型式,
如图1所示。

T S C 是分级投切的,不像T C R 由相角控制,
恰当的配合T S C 和T C R 可以连续控制无功功率输出。

S V C 通过T C R 支路完成对无功功率的连续调节,该类型的S V C 装置主要由T C R 支路和滤波(电容)支路并联组成。

其中,T C R 支路具备动态连续无功调节能力,只能输出感性无功功率。

基础容性无功功率由滤波支路提供,使T C R 型S V C 具备从容性无功功率到感性无功功率的调节能力,同时,滤波器组还可滤除系统其他负荷及T C R 自身产生的谐波。

T C R 电流为非正弦波,
理论分析其触发角范围为90°~180°,当触发角不是90°
时,电流波形并非正弦波,则含有主要为5、7、11和13次特征谐波,
谐波含量,如图2所示。

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79·2016年6月内蒙古科技与经济
J u n e 2016
第11期总第357期
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(a )T C R (b )T S C (c )T S R (d )T C R /T S C (e )T C T
图1 晶闸管控制S V C
的结构型式图2 T C R 谐波含量图
2.2 采用静止无功发生器装置(S V G )2.2.1 S V G 设备概述
S V G 是F A C T S 设备的主要成员,以D S P (
双数字信号处理器)为核心,将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上,采用动态跟踪和实时数据采集技术,随时监测系统和电网电流、电压。

利用监测数据进行相关运算,由变流单元输出,快速、连续地补偿无功功率到电网或系统。

同时,还可改善公共电网连接点处与负荷的电能质量,克服三相不平衡、提高功率因数、抑制谐波污染、消除电压波动和闪变。

2.2.2 S V G 工作原理
图3 S V G 等值电路
S V G 的基本原理是将自换相桥式变流电路通过电抗器并联(或直接并联)在电网上,根据输入系统的无功功率和有功功率的指令,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位,或直接控制其交流侧电流,就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功功率,实现动态无功补偿的目的。

等值电路原理,
如图3所示,其实质是1个可控电源(U I
),为系统(U s )提供无功电流。

2.2.2.1 感性运行模式。

U I <U s ,I L 为滞后的电流。

此时S
V G 可以连续控制吸收的无功。

2.2.2.2 容性运行模式。

2.2.2.3 空载运行模式。

U I =U s ,I L =
0,S V G 不吸发无功。

U I >U s ,I L 为超前的电流,
其幅值可以通过调节U I 来连续控制,
从而连续调节S V G 发出的无功功率。

3 结束语
笔者仅分析了风力发电机组并网后在运行过程中产生的电能质量问题,对目前常用的2种电能质量治理装置(无功补偿装置)进行了介绍,今后将进一步对电能质量治理装置的实际应用进行研究。

[参考文献]
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,电能质量电压波动和闪变[S ].
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[3] G B /T12325—2008
,电能质量供电电压偏差[S ].
[4] G B /T15543—2008
,电能质量三相电压不平衡[S ].
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