風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時對電網(wǎng)電能質量的影響分析

張衛(wèi)軍，毛雨

(安陽供電公司，河南 安陽 445000)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人類生活水平的日益提高，能源的需求量越來越大。到目前為止，石油、天然氣和煤炭等化石能源仍然是世界經(jīng)濟的能源支柱，化石類資源的有限性和燃燒后對環(huán)境的危害性正日益威脅著人類社會的安全和發(fā)展。幸運的是，我們暫時尋求到了一種清潔環(huán)保且可再生的能源，它幾乎是取之不盡，用之不竭的，它就是風能［1－2］。風能的大規(guī)模開發(fā)利用，在一定程度上減少了化石能源的使用，減少溫室氣體排放，保護了環(huán)境，同時，它還具有調制電網(wǎng)中的能源結構、解決偏遠地區(qū)居民用電等問題的功能，這些功能促進了風力發(fā)電的不斷發(fā)展。同時，風電在發(fā)生低壓穿越時對接入電網(wǎng)的電能質量又會產(chǎn)生一定的影響，電能質量變差會給用戶帶來嚴重的損失。

自20世紀80年代以來，隨著新型電力負荷的迅速發(fā)展以及對電能質量的要求不斷提高，電能質量逐漸成為電力企業(yè)和用戶共同關心的問題［3－4］。改善電能質量對于電網(wǎng)和電氣設備的安全、經(jīng)濟運行、保障產(chǎn)品質量、科學試驗以及人民生活和生產(chǎn)具有重要意義。隨著大量精密儀器和電力、電子裝置的使用，電力用戶已提高了對電能質量的認識，越來越多的用戶向電力部門提出了高質量供電的要求。提高電能質量，滿足生產(chǎn)發(fā)展需求已經(jīng)成為供受電雙方的共同愿望［5－6］。因此，分析和研究風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時對電能質量的影響并提出相應的解決措施顯得很有必要。

本文結合實際情況，以應用較多的雙饋電機為核心的風力發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，分析風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時對電網(wǎng)電能質量的影響并提出改進措施。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越技術

風力發(fā)電在電力能源中所占比例不斷增加，因此，風力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響在不斷增強，通常在風電所占比例不高的情況下，電網(wǎng)電壓降低到一定值時，風電機組便會脫網(wǎng)運行［7－8］，反之，如果風電機組采取離網(wǎng)運行，便會造成電網(wǎng)的電壓和頻率的崩潰，給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的損失。為了解決這些問題，電網(wǎng)安全運行準則要求風力發(fā)電機組應該具有一定的電壓穿越能力。

低壓穿越是指在電網(wǎng)故障下發(fā)電機不間斷運行的能力，即電網(wǎng)故障時發(fā)電機組應能保持與電網(wǎng)連接并向系統(tǒng)不間斷供電［9］。如果風力發(fā)電機在電網(wǎng)故障時切出，將會引起暫態(tài)不穩(wěn)定而增加系統(tǒng)崩潰的可能性，為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，電力部門提出了關于低壓穿越下運行的條件和規(guī)定。

從電網(wǎng)穩(wěn)定性方面來說，低壓穿越能力是很重要的指標，要求在電壓降到0.15倍額定標幺值時能夠重新回到額定標幺值，并且風機仍和電網(wǎng)連接而不解列［10］。在故障發(fā)生時，由于比較低的電壓會產(chǎn)生很大的電流，電動機必須能夠承受短時的大電流，而機械轉矩與電轉矩不等會引起飛車現(xiàn)象，即使故障已切出，但由于機械慣性作用，轉速也不會很快降下來，此時電機的過速保護將會啟動，以便保護發(fā)電機而不致發(fā)生嚴重故障。對于雙饋感應電動機來說，定子的電流會反映到轉子側的變換器上，為了保護變換器，在通常情況下，感應電動機都要進行解列。較高的故障電流也會損壞定、轉子繞組，所以，保護電路的應用是有必要的。另外，對于風電為主要電力來源的地區(qū)而言，不能解列運行，因為一旦解列，有功功率就會隨著減少，這樣會導致電網(wǎng)電壓進一步的下降且使電能質量降低，甚至會造成嚴重后果［11］。

2 電能質量分析

2.1 電能質量的定義及分類

電力部門通常把電能質量定義為電壓與頻率的合格率，可用統(tǒng)計數(shù)字來加以說明。電力用戶則可能把電能質量簡單定義為是否向負荷正常供電。設備制造廠家則可能把電能質量定義為電源特性應當完全滿足電氣設備的正常工作需要。國際電工委員會則是從電磁兼容的角度來定義電能質量，即設備之間的相互作用和影響以及電源和設備之間的相互作用與影響?；谝陨喜煌亩x，不難看出，電能質量表現(xiàn)為電壓或頻率的偏差，造成用戶設備故障或用戶對電網(wǎng)的影響。本文在討論電能質量問題時以電力部門所實施的定義為準。

電力系統(tǒng)中主要的電能質量問題可分穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)2類。穩(wěn)態(tài)電能質量問題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、缺口、噪聲以及電壓不平衡等。暫態(tài)電能質量問題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時間為特征，主要包括各種電能質量擾動現(xiàn)象，主要包括間斷、凹陷、凸起、脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)等。

2.2 諧波對電能質量的影響

電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大以及系統(tǒng)中非線性負荷的不斷增加，加上電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的內、外故障，大大惡化了系統(tǒng)的電能質量。非線性負載、電力系統(tǒng)設備的非線性特性及電力系統(tǒng)故障是造成電力系統(tǒng)電能質量問題的主要原因。諧波是損壞系統(tǒng)設備、威脅系統(tǒng)安全運行、影響電能質量的重要因素，其危害主要表現(xiàn)在以下5個方面:

(1)諧波的存在將使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率，大量的諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。

(2)諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，甚至損壞。

(3)諧波會引起公網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴重事故。

(4)諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，導致電氣測量儀表計量不準確。

(5)諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低通信質量，甚至使通信系統(tǒng)無法正常工作。

3 風力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越模擬

風力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)生低壓穿越時，會對電網(wǎng)電能質量產(chǎn)生影響，由于不具備試驗條件，系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響不易直觀得到，所以，本文通過仿真的手段來研究和解決實際問題也不失為一種較好的方法，仿真模型如圖1所示。

3.1 仿真軟件

電力系統(tǒng)的計算機輔助設計PSCAD(Power System Computer Aided Design)是Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成的，是直流系統(tǒng)中的電磁瞬態(tài)分析EMTDC(Electro Magnetic Transient in DC System)的前處理程序，是世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件之一，用于電力系統(tǒng)分析和相關研究。該仿真軟件提供了一個完全模塊化、互動和形象化的通用電力仿真環(huán)境，它具有很強的動態(tài)控制能力、卓越的繪圖功能、豐富的數(shù)據(jù)輸入/輸出工具和自定義模型數(shù)據(jù)庫等優(yōu)點。特別是PSCAD在電磁暫態(tài)過程的描述和求解過程具有獨特的優(yōu)勢，如本文所研究的風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時對電網(wǎng)的影響［12－14］。

圖1 模擬風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越的仿真模型

3.2 仿真模型的建立

依據(jù)某風電場的機組參數(shù)結合電力系統(tǒng)的基礎理論知識，在PSCAD仿真軟件平臺下，建立了仿真模型。圖2、圖3、圖4分別為圖1中保護電路單元、電網(wǎng)側控制單元與發(fā)電機側控制單元仿真模型的原理圖。

3.3 仿真結果與分析

在發(fā)生低壓穿越時，無保護電路單元的電網(wǎng)電壓波形如圖5所示，有保護電路單元的電網(wǎng)電壓波形如圖6所示。

圖2 保護電路單元模型

通過圖5與圖6的對比可以看出，在沒有保護電路單元的情況下，發(fā)生低壓穿越時，恢復到正常狀態(tài)的時間較長，電網(wǎng)的電壓波動較大，從而造成電能質量低下。在投入保護電路單元的情況下，恢復到正常狀態(tài)的時間較短，電網(wǎng)的電壓波動很小而且電能質量較高。

圖3 網(wǎng)側變換器控制原理圖

4 結論

本文詳細研究了風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時對電網(wǎng)電能質量的影響，仿真軟件對暫態(tài)過程的細致描述為分析電能質量情況提供了基礎，仿真結果驗證了本文所提出的應用保護電路可以減小對電網(wǎng)影響的設想，改善了風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時電網(wǎng)的電能質量。

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