風力發(fā)電與電能質量相關理論基礎綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u1176風力發(fā)電與電能質量相關理論基礎綜述 120361.1雙饋風力發(fā)電技術相關理論 1116921.1.1風力發(fā)電基本原理 1144791.1.2雙饋式風電機組的數學建模研究 2167561.1.3雙饋風力發(fā)電機并網運行原理 343661.1.4風力發(fā)電并網的特點 5283091.2電能質量的國家標準 539531.3風電并網對電能質量影響的分析 7259111.3.1電壓偏差問題 7196501.3.2電壓波動問題 8260441.3.3諧波電壓問題 9198251.3.4三相電壓不平衡問題 101.1雙饋風力發(fā)電技術相關理論1.1.1風力發(fā)電基本原理風力發(fā)電機組是一種能源轉換系統(tǒng)，它可以把風能轉化成電能。風能通過氣流作用于風機葉片，使葉輪轉動，將風能轉化為機械能；葉輪轉動，驅動裝置驅動電機轉動，切割磁場，產生電力。采用常規(guī)的異步發(fā)電機，三相交流電可以被直接傳送至電網；而當風力發(fā)電機采用雙饋感應電動機時，與常規(guī)的異步電動機相比，它加入了一個變頻調速裝置，而且它的電能能夠雙向流通，因此必須把發(fā)電機的交流電流從不同的頻率轉化為直流電，再把直流電轉化為工頻交流電，再送入電網。如圖2-1所示為風電并網運行原理。圖2-1風力發(fā)電運行原理風力發(fā)電系統(tǒng)的基本結構，主要分為風力發(fā)電機、接地母線、整流環(huán)節(jié)、逆變環(huán)節(jié)和輸電環(huán)節(jié)。采用智能切換系統(tǒng)對風電機組運行狀況進行實時監(jiān)控，采用整流器整流；利用逆變器實現電力變換；電力傳送是通過纜線進行的；另外，與其他附屬設備一起構成了風電機組的控制系統(tǒng)，其基本結構如圖2-2所示。圖2-2風力發(fā)電控制系統(tǒng)示意圖1.1.2雙饋式風電機組的數學建模研究發(fā)電機可分為同步發(fā)電機和異步發(fā)電機，雙饋發(fā)電機是在常規(guī)的異步電動機上附加一個變頻調速裝置及相關的控制裝置。把變頻調速裝置置于電動機的轉子帶輪和電動機的定子間，這樣就可以實現四象限工作。常用的異步發(fā)電機的基本表達式很容易理解，三相系統(tǒng)中的轉子和定子之間的互感系數也包含了轉子線圈和定子線圈的角，這個參數確定了異步機的電壓方程式是一個包含變量的微分方程，但是，正因為它的參量，計算和分析了常規(guī)的異步電動機運行工況時，會出現一些困難。從而簡化常規(guī)的異步發(fā)電機的數學模型，從而簡化計算與科研工作。在此基礎上，我們使用了轉動坐標法。將d、q軸置于同步轉動坐標系上，得到了電動機的定子、轉子的電壓、磁場等式，分別說明如下：（1）定子電壓方程定子的電壓方程表示定子d、q軸電壓分量與定值電阻、電流、轉速和磁通量之間的關系，其方程如式（2-1）所示。（2-1）（2）轉子電壓方程轉子電壓方程如式（2-2）所示。(2-2)式中：ω——發(fā)電機轉子角速度，即同步轉速；ωr——（3）定子磁鏈方程定子磁鏈方程如式（2-3）所示，它表示定子中的磁耦合關系。(2-3)（4）轉子磁鏈方程轉子磁鏈方程如式（2-4）所示，它表示轉子中的磁耦合關系。(2-4)式中：Ls=L1s+（2-5）采用自動變頻器來完成雙饋電動機和電力網絡之間的轉換，而轉換功率則是由雙饋電動機和電力驅動系統(tǒng)之間進行的。另外，對變頻控制系統(tǒng)進行了有功、無功的調整。用來代表系統(tǒng)的同步磁場的轉動速度和轉子的角度速率。雙饋機轉子電角速度為，旋轉磁場角速度為，用表示系統(tǒng)同步磁場的轉速，則三者之間的關系為：（2-6）雙饋感應發(fā)動機和一般異步發(fā)電機的最主要不同之處就是它能接通外部電壓源，因此其轉子電壓不為0。同時，通過外部供電，可以對外部供電的電壓進行調節(jié)，從而對異步電機的有功、無功進行有效的調節(jié)。1.1.3雙饋風力發(fā)電機并網運行原理雙饋感應發(fā)電機（Double-FedInductionGenerator,DFIG）是一種廣泛用于風力發(fā)電廠的變頻調速發(fā)電機，它可以提供給定子端和轉子端的電力，并且由于在其轉子的一端可以使用變頻調速器來導通低頻率的電壓，從而產生勵磁作用。因而，雙饋感應發(fā)電機又稱為交流磁勵發(fā)電機，其具有同步、異步等特點，并具有很好的適應性。雙饋感應發(fā)電機的定子結構與常規(guī)三相交流發(fā)電機一樣，均為分布式繞組；但是它的轉子轉動結構不采用直流集中式繞組，而是使用三相分布式交流繞組，這種旋轉方式與我們常見的三相繞線式異步發(fā)電機轉子結構相類似。在正常工作的情況下，采用三相變頻供電方式，將雙饋感應電動機的定子線圈與電網相連，使三相變頻供電與轉子線圈相連，就可以實現發(fā)電機組的正常運行，同時還能調節(jié)電源的寬度、相位和頻率。雙饋式異步電動機具有許多特殊優(yōu)點：在工作面積大的情況下，不會對轉子的速度產生任何的干擾；因為變頻調速裝置的體積小，降低了物料的損耗；與其他的發(fā)電機相比，新技術具有更高的可靠性，通過更低的勵磁功率來獲得更高的輸出。同時，由于風向的影響，雙饋異步電動機的轉速也隨之發(fā)生變化，這就是轉子的旋轉頻率的變化。在風電系統(tǒng)中，要使異步電動機的定子頻常數保持在一定的速度范圍內，即定子頻率恒定。由此，可以假定對轉子勵磁電流的控制頻率進行某種假定，將轉子的勵磁電流設置為，則如式（2-7）所示。（2-7）式中：——發(fā)電機的極對數；，為發(fā)電機的機械轉速（rad/min）。在發(fā)電機工作時，它的速度會有很大的變化，即發(fā)生變化。若控制轉子供電頻率發(fā)生改變，而定子頻率與電網頻率相同并維持恒定不變時，從而達到調速器和調頻的目的。這便是變速恒頻運行方式的基本原理。變速恒頻風力發(fā)電機組的主體部分主要包括風力機、槳距角控制系統(tǒng)、雙饋感應發(fā)電機、變流器控制系統(tǒng)以及驅動系統(tǒng)組成，如圖2-3所示。圖2-3基于雙饋發(fā)電機的變速發(fā)電機組該系統(tǒng)分為兩大類：一種是機器一側的變流器，另一種是網絡一側的變流器。兩個變流器之間是直流輸電環(huán)節(jié)，直流環(huán)節(jié)并接了一個電容器，作為直流電壓源；網側變流器通過電感L連接電網，將工頻電能送入到交流電網中；機側變流器與感應電機的轉子相連，將風力發(fā)電機發(fā)出的電能轉化為直流電，其作用是將高頻變化的交流電轉化成沒有頻率的直流電。變速恒頻率風機是通過對風機和電網進行有功和無功的交流，來達到對風機的實時跟蹤風速變化的目的，再利用控制系統(tǒng)本身的反饋控制環(huán)節(jié)對風能機組的輸送端的風能量實現有效控制，這樣就可以保證風扇在最佳工作狀態(tài)下運行。如果要使變速恒頻的風力發(fā)電機組得以平穩(wěn)工作，則要求它必須具有較寬的風速變化范圍及最佳葉尖速比范圍。與恒速恒頻風電機組比較，改善風電機組的穩(wěn)定性能可以極大地提高風電的獲取速率。采用變頻調速、變頻調速風力發(fā)電系統(tǒng)，可以使風電捕獲率增加3~28%。1.1.4風力發(fā)電并網的特點風電機組分為“離網型”與“并網型”兩種類型。“離網型”風電是一種與其他能源技術相融合，能夠實現其自身運行的自主性和低發(fā)電量。適用于小型電力供應，并適用于邊遠山區(qū)的電力供應。“并網型”的風能與“離網型”正好形成鮮明對比，“并網型”風能往往是大型的風能電站，一般都是由數十個乃至數百個風能設備組成，總功率可達到幾千兆瓦。因為“并網型”風電機組是與整個系統(tǒng)連接在一起的，而且還可以并入到全國的電力網絡中，使得風電資源得到了最大程度地開發(fā)。從而使風電機組在國際上得到了廣泛應用。風電是一種以天然風為主要能源的清潔能源。與傳統(tǒng)的水電和太陽能發(fā)電最大的區(qū)別就是，因為風速的改變是不可預知的，所以風電設備可以幫助維持電力供應。它的輸出能量具有很強的隨機性，而且它的不穩(wěn)定和間斷會對電力的波動和間斷產生很大的影響。這將直接關系到電網的電能質量。在全球范圍內，由于風能的發(fā)展，人們對其進行了大量的研究，使得目前的技術能夠有效的保證其輸出的能量達到一個平穩(wěn)的水平。然而，在實踐中，如何有效地降低風電機組的輸出功率、電壓、頻率等電力需求的變化，卻不太切合實際。為了更好地理解風力發(fā)電的波動對電網電能質量的作用，就需要建立相應的模型對電能的質量及其等級進行評估。1.2電能質量的國家標準風電并網后，各客戶均需確保其供電質量，確保其供電品質符合相關要求。2011年，為了對風電設備的品質進行明確的規(guī)范，國家電網公司制定了《風電場接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定》。本條例的主要工作包括：一是對風能的劃分與評估；二、風電機組的投運情況和需求；三、風電機組的電力品質管理規(guī)范；四、當電網出現故障時，風機的防護措施等。表2-1是關于評估電能安全性所必需的有關準則的節(jié)選。表2-1風力發(fā)電電能質量標準摘要質量標準限定值GB/T12325-2008《電能質量供電電壓偏差》（1）220kV等級的供電電壓偏差絕對值之和不超過標稱電壓的10%；（2）風電場并網點（PCC）的電壓偏差不超過額定電壓的－3%~+7%；GB/T12326-2008《電能質量電壓波動與閃變》電壓波動限值r/（次/h)≤35kV35kV<≤220kVr≤1431<r≤1031.510<r≤10021.5100<r≤10001.251GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》公用電網諧波電壓（相電壓）限值電網標稱電壓（kV）各次諧波電壓含量（%）奇次偶次2201.01.60.8GB/T15543-2008《電能質量三相電壓不平衡》在公共連接點（PCC），負序電壓的不平衡度要求長期不超過2%，短時不得超過4%；針對每個用戶規(guī)定其三相電壓不平衡度不能大于1.3%，短時內的平衡度不得大于1.6%本節(jié)主要分析了兩個方面，一是風電場電能質量國家標準，二是風電場并網的技術要求，然后，從多個指數的視角對風電機組的電網運行進行了綜合、系統(tǒng)的分析和評價。因此，在不同的電壓水平下，電網對電網的供電品質的需求存在著較大的差異。根據不同的電壓水平，提出了相應的電能質量標準，并給出了相應的控制指標。1.3風電并網對電能質量影響的分析本文在查閱了國內外有關風電場電能品質的大量文獻后，得出了以下結論：電能質量問題是指在用電系統(tǒng)中發(fā)生的電力問題。比如電流、電壓、頻率等，都不能滿足電器的使用需求；電壓是衡量電力品質的一個重要指標。電力質量是指電力裝置提供的頻率和幅值恒定的正弦波電壓。為適應電力使用者的生產需要，從而引起電能質量問題。因此，治理電能質量的首要任務之一，就是要把電網和用戶的電能質量評估標準納入到治理戰(zhàn)略之中。由此得出了電能質量的定義：電壓、電流、頻率與額定電壓的偏差會對電網的正常工作產生不同程度的影響，甚至會導致電網的不正常工作，造成嚴重故障。1.3.1電壓偏差問題（1）電壓偏差的基本原理與計算方法電力供應系統(tǒng)在正常運行時，由于各節(jié)點的壓力存在差異，導致其與正常工作時的額定電壓發(fā)生偏離。也就是電壓的變化。該電壓變化很慢，而且每秒的變化小于標稱的1%，電壓偏差強調的是與額定電壓相脫離的實際電壓，而與偏差持續(xù)時間無關。根據GB/T12325-2008《電能質量供電電壓偏差》中的有關規(guī)定，定義電壓偏差是指電力系統(tǒng)的實際工作電壓與額定電壓值的偏差程度，用百分數表示。若考慮到風發(fā)場接入的影響，則公共連接點（PCC）的電壓偏差可以確定為式（2-8）。（2-8）式中：——PCC的線路實際電壓值（V）；——PCC的線路標稱電壓值（V）。風電并網產生電壓偏差的原因因素在風力發(fā)電的同時，由于電網中的無功不均衡，導致了電網的電壓偏差。無功平衡是指：在系統(tǒng)的任意時間內，由無功電源供給的無功功率與整個系統(tǒng)所需的無功功率相等。電網的無功不均衡表明，無功不平衡是指在電力系統(tǒng)中有大量的無功電流流經，造成了線路上的不同電壓。恒速風力發(fā)電機在運行時會吸收較多的無功功率，從而導致電網的電壓下降。在利用電容法進行調節(jié)時，可以使電網的電壓恢復到原有的水平，而采用電容法進行的調解，僅達到了一個階段性的調整，而不能達到最佳的補償狀態(tài)。而且很可能發(fā)生過補償或欠補償的情況。如果存在過補償，則會使該系統(tǒng)的電壓升高。會導致電壓幅度的降低。通過對風電機組有功功率的分析，發(fā)現風電機組的有功和有功功率存在著顯著的正向關系。同時，它所能吸納的無功Q值也隨之增大，而反之則會降低。這必然會導致電壓的變化，導致電壓的變化。變速風力發(fā)電機具有有功無功解偶功能，且在風電場與電網間均無能量轉換過程。但是，當變速發(fā)電機輸出功率過大時，由于系統(tǒng)損耗的無功功率較大，使系統(tǒng)電壓幅值降低，從而使系統(tǒng)電壓與額定電壓值有一定偏差。（3）電壓偏差的危害在電網中，所有的設備都要根據特定的工作電壓來操作，如果在實際工作和額定工作的情況下發(fā)生不一致，就會導致電壓發(fā)生偏移。從而對電力設備的操作與使用的安全性產生一定的影響。以異步電動機為例，在端子電壓小于額定電壓時，其轉矩與端子電壓的平方成比例，電動機有可能出現故障，嚴重時會燒壞；當機端電壓過高時，電動機的勵磁電流就會增大，從而導致鐵心過熱。對電動機的絕緣有一定的影響。另外，如果電網運行電壓太小，則會使傳輸線的最大輸出能力大為降低。由此引起的頻率不穩(wěn)，使整個系統(tǒng)出現頻率崩潰，有功損耗、無功損耗和電壓損耗增大；當系統(tǒng)工作電壓過高時，會增大負載，使各類電器設備的絕緣受到損害。同時也會使帶鐵心的裝置產生電流飽和，產生高頻諧波，引起電磁干擾現象。1.3.2電壓波動問題（1）電壓波動的基本概念及計算方法如果在供電系統(tǒng)中接入了具有波動特性的供電裝置，則連接節(jié)點的電壓就會產生波動。GB/T12325-2008《電能質量電壓波動和閃變》中規(guī)定，電壓波動程度通常為最高運行電壓和最低運行電壓之間的均方根值（有效值）之差，與整個系統(tǒng)標準電壓之比，以百分數表示，如式（2-9）所示。(2-9)式中：——電壓均方根值曲線上的兩個極值（V）；——系統(tǒng)的標稱電壓（V）。(2）風電并網后的電壓波動成因分析如果風電機組的輸出功率不穩(wěn)定，會導致電網電壓波動。在風力發(fā)電機工作時，由于風力場和氣流擾動的劇烈變化，導致風機的輸出功率發(fā)生振動。從而會對電力系統(tǒng)與電網的交流產生影響，最終造成風機并網側的出線電壓出現波動及閃變；同時，由于風力發(fā)電裝置的出力振蕩，最終在風電機組并網后出現了一定的壓力波動。例如塔影效應，風剪切，偏航誤差等。風電場的能源來源于自然界，當機組處于連續(xù)運行狀態(tài)時，其電力的輸出也會隨著風速的改變而改變。風電設備的電壓波動隨著風速的增加而增加，同時其電壓的起伏也與風電的波動性成比例，同時，由于風力發(fā)電系統(tǒng)在轉換時存在著一定的電壓不穩(wěn)定。此外，在不同的電網結構下，風電機組的接入也會導致電網電壓的波動。風能發(fā)電設備的電壓波動最大的因素是：風電場的公用連接點短路電流比、電感電阻比、電感電阻比。電壓波動的危害在現實生活中，有些精細儀表生產企業(yè)受壓力波動性的負面影響較大，從而給公司帶來了巨大的損失。此外，一些精密電子產品的工作性能也會因氣壓波動而出現不良的工作性能。電流的改變不僅會造成設備的損傷，而且也會對發(fā)電機的器件造成一定的損害。因此，對于電力供應系統(tǒng)中不同級別的電源電壓的變動，都有專門的規(guī)定。同時，對整個系統(tǒng)的電源電壓也要控制在合理的范圍內。1.3.3諧波電壓問題（1）電壓諧波畸變率的基本概念及計算從嚴格的意義來講，所謂的“諧波”，就是指電流中所包含的頻率是基波的整數倍，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。國標GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》中使用電流總諧波畸變率（）描述諧波指標。電壓總諧波畸變率的計算公式如式（2-10所示）。（2-10）式中：——電壓基波分量的方均根值（V）；——h次高次諧波電壓分量的方均根值（V）；n——經傅立葉分解處理所得諧波最高次數。（2）風電并網時的諧波成因分析通過分析了風電機組的電磁性能，發(fā)現其自身也有一定的諧波。風電機組在正常工作中也會出現一些諧波，但由于其他原因造成的諧波成分較少，幾乎可以忽略不計。對風力發(fā)電系統(tǒng)的諧波成分進行了分析，發(fā)現其主要原因是風力發(fā)電系統(tǒng)中的功率電子元件，其工作時產生的非線性負荷會造成電壓波形畸變。對于定速風力發(fā)電機，沒有任何的諧波成份，因為它的裝置中沒有功率電子部件。在風力發(fā)電機并網運行時，某些電子部件會被激活，從而引起諧波。但這種諧波只是一種暫態(tài)的，而且投入時間很短，所以可以被忽視。雙饋異步風力發(fā)電機的定子繞組與交流電網直接連接，而在電網側則利用PWM逆變器實現了逆變。當并網運行后，定子繞組的端口總是輸出電力；轉子繞組連接到一個雙向功率轉換器，在一定的轉速差時，轉子繞組將有功功率和無功功率分開輸出。變速風電機組在并網后，電網中的換流器一直在工作，因而會有連續(xù)的諧波電流出現，因而需要引起人們的注意。（3）諧波的危害電力電子裝置在進行功率控制和處理時，由于其自身的電磁性質，難免會出現非正弦波。這樣就可以在電網中輸入諧波。將諧波輸入到電網，將會使注入點（公用連接點PCC）的電壓波形發(fā)生畸變，從而對電網的穩(wěn)定運行造成嚴重的影響，并對周邊的電氣環(huán)境造成嚴重的影響。諧波的危害十分嚴重。諧波會降低電能的生產、傳輸和利用效率，造成電力設備過熱、振動、噪音、絕緣老化、壽命縮短。甚至有可能出現故障或燒毀。諧波會導致電