风力发电的电能质量分析

风力发电的电能质量分析

王晓玲李宏毅李广华

（国网技术学院山东泰安271000）

摘要：随着风电接入电网的规模逐步增加，风电对局部电网的电能质量影响日益显著。风能的波动性和间歇性以及风电机组本身的运行特性使风电机组输出波动功率，波动功率的输出会造成电压波动和闪变问题。同时，风电机组中电力电子器件的广泛应用导致谐波、间谐波等问题出现。而电能质量问题直接关系到风电场的正常运行，对风电电能质量进行深入研究有着十分重要的意义。本文从风电机组和风电场两个层次分析风力发电的电能质量问题。

关键词：风电；电压偏差；电压波动；电压闪变；谐波

1电能质量及其影响

常规的电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定频率、正弦波形的标准电压对用户供电。在三相交流系统中，还要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且互差120°。但由于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或不对称，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，破坏了这种理想状态，因此也就产生了电能质量的概念［1］。从工程实用角度出发，电能质量包括电压质量、电流质量、供电质量及用电质量。针对风力发电的电能质量问题，本文主要分析电压偏差、电压波动和闪变以及谐波问题。

1.1电压偏差

1.1.1电压偏差的概念

1.1.2电压偏差的危害

电力系统在正常运行状态下，机组或负荷的投切所引起的系统电压偏差一般不大于10％。电压偏差过大对用电设备及电网的安全稳定和经济运行都会产生以下危害。

（1）系统运行电压偏低时，输电线路的功率极限大幅度降低，可能产生系统频率不稳定，甚至导致系统频率崩溃。

（2）系统运行电压偏低时，使电网的有功损耗、无功损耗及电压损耗增加。

（3）系统运行电压偏高时，系统中各种电气设备的绝缘受损，使带铁心的设备饱和，产生谐波，并可能引发铁磁谐振。

（4）照明用电设备的运行性能恶化，降低设备使用寿命。

（5）降低家用电器的使用效率和使用寿命。

（6）导致系统中大量使用的异步电动机绕组温度升高，绝缘老化或者击穿，缩短电动机使用寿命，甚至烧毁电动机。

1.2电压波动和闪变

1.2.1电压波动与闪变的概念

电压闪变是由电压波动引起人眼对灯光闪烁的主观感觉。人对光照度波动的最大觉察频率范围不会超过0.05～35Hz，这两个频率限值均称为截止频率。

1.2.2电压波动和闪变的危害

电压波动和闪变会引起多种危害。

（1）造成直接与波动电源相连的电动机转速不稳定，频繁产生加速与制动，由此可能影响产品质量，严重时危及设备的安全运行。

（2）对电压波动较敏感的工艺过程、试验结果产生不良影响。

（3）导致以电压相位角为控制指令的系统控制功能紊乱，致使电子设备非正常工作。

（4）致使设备、电子仪器、计算机系统及自动控制系统不能正常工作，乃至受到损坏。

（5）引起照明光源的闪烁，导致人的视觉疲劳。

（6）导致视频设备画面亮度频繁变化，以及垂直和水平幅度摆动。

1.3谐波

理想电力系统电能应具有单一频率、单一波形。随着超大容量的电力电子装置在电力系统中广泛应用，不可避免地产生谐波电流，这对电力系统的安全、优质、经济运行构成潜在的威胁。

1.3.1谐波的概念

国际标准中对谐波的定义是“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。”故谐波又称为高次谐波。实际工程中，有些用电负荷会出现非工频频率整数倍的周期性电流的波动，称为分数谐波，或者称为间谐波。低于工频的间谐波又称为次谐波。

畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率THD表示。它等于各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比。电流总谐波畸变率THD表示为

1.3.2谐波的危害

谐波对电力系统的危害主要表现在以下几个方面。

（1）对电网运行会增加无功损耗、产生谐波电压降，以及由串联和并联谐振引起的谐波水平的放大。

（2）使发电机、变压器、电动机、补偿电容器及架空线路、电缆产生附加热效应。

（3）致使继电器动作失误、增加测量表计的测量误差。

（4）会造成自动装置工作不正常，引起通信干扰。

（5）致使一些电气设备产生机械振动。

（6）损坏家用电器。

2风力发电电能质量分析

2.1风电电压偏差产生及限制

电力系统中的负荷及发电机组的出力随时发生变化，网络结构随着运行方式的改变而改变，这些因素都将引起电力系统功率的不平衡。

2.1.1风电机组电压偏差的产生

风电机组建立磁场要吸从电网中吸收大量无功功率，这些无功功率在电网传输中会产生功率损耗，引起电压偏差。假设送入电网的有功功率为P，无功功率为Q，线路和变压器的阻抗为Z=R+jx，电网端的电压为U，则在线路和变压器中的电压损耗近似为

由于线路和变压器中的电抗值远大于电阻值，风电机组从电网中吸收的无功功率是引起电压偏差的重要原因。

2.1.2风电场电压偏差的产生

恒速风电机组在投入时，由于是在同步电机转速接近额定转速时才投入电网的，要求并网时间短，短时间内吸收大量无功功率造成系统电压的跌落；为维持电压，需投入电容器组补偿无功。电容器组逐级投入，无功功率的吸收逐渐恢复到零，电压水平也得以恢复。因并联电容器补偿是通过电容器的投切实现的，无功调节呈阶梯性不平滑。这种操作将引起无功功率的波动，从而造成电压偏差。恒速风电机组输出有功功率增加时，风电场吸收的无功功率也增加，因此必然引起电压的波动，造成电压偏差。

变速机组构成的风电场由于能够实现有功和无功的解耦控制，风电场与电网之间不发生无功功率的交换，但当变速机组出力较高时，由于传输有功功率而在线路上消耗的无功功率也可能会造成电压降落，引起电压偏差[4]。

2.1.3风电电压偏差限制

风电并网引起的电压偏差问题，属于风电场规划和控制的问题，是能够通过合理的系统设计、采取并联补偿等措施来限制的。

风电场参与电压调节的方式主要包括调节风电场的无功功率和调节风电场变电站的主变压器。风电场的无功功率应能够进行自动调节，使风电场变电站高压侧母线电压正、负偏差的绝对值的和不超过额定的10％，一般应该控制在额定电压的-3％～+7%。风电场变电站的主变压器适宜采用有载调压变压器。

风电场的无功电源主要包括风电机组及风电场的无功补偿装置。首先应该合理利用风电机组的无功容量和调节能力，如果仅靠风电机组的无功容量不能满足电网电压调节的要求，就应在风电场加装无功补偿装置。风电场无功补偿装置可以采用分组投切的电容器或电抗器组，必要时则应采用可连续调节的静止无功补偿器或者其他更为先进的无功补偿装置。当风电场工作在不同的输出功率时，风电机组的可控制功率的变化范围是±0.95。风电场无功功率的调节范围及响应速度应当满足风电场并网点电压调节的需要。在某些原则上，风电场升压变电站高压侧功率因数按1.0配置，在运行过程中可以按±0.98控制。

2.2风电电压波动和闪变产生及限制

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率呈波动性，风速变化、湍流以及风力机尾流效应造成的紊流会引起风电功率的波动和风电机组的频繁启停；塔影效应使风电机组输出功率存在周期性的脉动。风电功率的波动势必会引起电压的变化，主要表现为：电压波动、电压闪变等。其次并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X/R比也是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。

2.2.1风电机组电压波动和闪变的产生

风电机组引起电压波动和闪变的根本原因是机组输出功率的波动。而输出功率的波动主要是由风速的快速变动，以及塔影效应、风剪切、偏航误差等因素引起的。研究表明，0.1～35Hz频率范围内的电压波动将引起人眼可觉察到的闪变问题。风速变动频率一般约在0.1Hz数量级，由此引起的电压波动导致可觉察的闪变的可能性很小；由于风电机组自身结构的影响，风电机组在连续运行过程中将引起1Hz数量级的电压波动，这种连续的电压波动可能会引起相对较严重的闪变问题。

风况对风电机组引起的电压波动和闪变具有直接的影响，尤其是平均风速和湍流强度。随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大，当风速达到额定风速并持续增大时，恒速风电机组因叶片的失速效应而使得电压波动和闪变减小；变速风电机组因为能够平滑功率波动，产生的电压波动和闪变也将开始减小。湍流强度对电压波动和闪变的影响较大，两者几乎成正比增长关系。由于塔影效应、风剪切、偏航误差等因素引起的功率波动频率与风力机的转速有关，对于现代三叶片风电机组而言，其功率波动的频率为3倍的风力机叶片旋转频率，也就是常说的频率。频率范围通常为1～2Hz，该频率下的风电机组输出功率波动幅度有时可达到瞬时平均功率的20%。

风电机组所接入系统的电网结构对其引起的电压波动和闪变也具有较大影响。风电场公共连接点的短路比和电网线路的比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素，公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的阻抗比可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使总的平均闪变值有所降低。研究表明当对应的线路阻抗角为60°～70°时，电压波动和闪变将最小。

多台风电机组同时运行，将对输出功率的波动产生平滑效应，其输出功率的波动幅度将降低为单台机组的。尽管波动幅度有所降低，但多台机组同时运行将注入电网更多的风电功率，由此引起的电压波动随着机组台数的增加而增加。由风电机组并网运行产生的1～2Hz的周期性电压波动，正好位于人眼对灯光照度变动最敏感的频率范围内，由此可能引起可察觉的闪变问题。恒速风电机组引起的闪变问题相对较为严重，通常情况下，变速恒频风电机组引起的闪变强度只相当于恒速风电机组的四分之一。

风电并网引起的电压波动和闪变问题是一个固有的问题，只要风电机组处于运行状态，其波动的功率输出就会对电网电压造成影响，只是影响程度大小不同而已，在某些情况下电压波动和闪变已经成为制约风电场装机容量的主要因素。

2.2.2风场电压波动和闪变的产生

由于风速的随机变化特性及风电机组本身的一些固有特性的影响，如塔影效应、风剪切等，使得风电场的输出功率随着这些特性和影响发生变化，从而引起电压波动和闪变问题。风电机组正常运行或启动/停机时由于功率的波动会产生电压波动和闪变问题。

2.2.3风电电压波动和闪变限制

电压波动和闪变调整主要技术方法还是采用静止无功补偿器和感性储能装置来减小并网风电机组产生的功率波动，从而减小电压波动和闪变，减弱其对电网的影响，提高风电场所在电网的电能质量。

2.4风电谐波的产生及控制

2.4.1风电谐波的产生

对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的。

风电系统中较多的谐波电压是由电能转换系统、电力电子（逆变器）控制元件和电容器产生的。对于定速风电机组来说，不需要通过电力电子元件的投入来调节输出电压的频率，因而也基本没有谐波产生；当机组执行并网操作时软并网装置处于工作状态，由于需要电力电子元件限制并网时的瞬时电流等级，将产生谐波电流，但时间极短，谐波对电网的危害不大，可以忽略。

对于采用变速技术的双馈异步发电机和同步发电机而言，机组采用大容量的电力电子元件，直驱永磁同步风电机组的交-直-交变频器，采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，在电网侧采用PWM逆变器输出恒频率和电压的三相交流电；双馈式异步风电机组定子绕组直接接入交流电网；转子绕组端接线由三只集电环引出接至一台双向功率变换器，电网侧同样采用PWM逆变器，定子绕组端口并网后始终发出电功率。因为变速风电机组并网后变流器将始终处于工作状态，由于变流器的开关频率是不固定的，采用强制换流变流器的变速风电机组不但会产生谐波，而且还会产生间谐波，而运用PWM开关变流器和合理设计的滤波器能够使谐波畸变最小化，甚至可以使谐波的影响忽略。但如果电力电子装置的开关频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题，谐波电流大小与输出功率基本成线性关系，即与风速大小有关。

在正常状态下，谐波干扰的程度取决于变流器装置的设计结构及其安装的滤波装置状况，同时与电网的短路容量有关。

随着电力电子器件的不断改进，这个问题正在逐步得到解决。采用新技术的逆变器与使用在第一代调速风电机组的变流器相比，低频谐波分量较小，但会产生一定的高频间谐波分量。由于其频率较高，比较容易去除。除此之外，风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，对谐波起严重放大作用。

2.4.2风电谐波的抑制

为了改善风电场并网后电网和风电场的运行工况，提高电流波形质量，在技术经济条件许可的情况下，应采取措施抑制电网中的谐波。这些措施包括：增大谐波源母线处的短路容量，降低系统谐波阻抗，以减少母线的谐波电压；增加换流装置的脉波数，减少谐波电流的产生；采用交流滤波器，吸收谐波电流等。

风电场抑制谐波的方法可以从减少谐波源的谐波注入和滤除电网中存在的主谐波两个方面人手。具体方法：

（1）采用先进的变换器拓扑和控制策略，减少谐波的产生。对于风电机组中的变流器，可以采用谐波消除、电流滞环和空间矢量等PWM控制策略。高脉冲变换器电路是降低谐波的一个有效方法，对于减少谐波来说，它可以降低补偿器容量，但对无功功率补偿没有影响。

（2）在风电机组机端或风电场公共连接点处安装滤波器。在安装滤波器之前需要根据实际测量结果分析确定滤波器的参数和容量。实际应用时可以采用无源滤波器、有源滤波器或两者结合的混合滤波器及高脉冲换流器等方案。

结束语

风电是一种环保的、新型的分布式能源，由于风力资源的不确定性，风电接入电网会对系统造成较大的冲击，带来电压偏移、电压波动、电压闪变及谐波等电能质量问题。随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注。为保证风电并网后电网的安全稳定运行，保证电能质量，分析风力发电的电能质量问题具有深远的意义。

参考文献：

[1]程浩忠，艾芊，等．电能质量．北京：清华大学出版社，2006．9．

[2]GB/T12325—2008电能质量供电电压偏差.

[3]朱永强、迟永宁、李琰．风电场无功补偿与电压控制．北京：电子工业出版社，2012．

[4]宋慧君．风电场对电能质量的影响．能源环境．

[5]中国电力科学研究院新能源研究中心.风力发电接入电网及运行技术．北京：中国电力出版社，2017．