風(fēng)電并網(wǎng)對配網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

摘要⑤電機不產(chǎn)生齒諧波。在此假設(shè)下，可以將轉(zhuǎn)子的輸出電壓等效為獨立的電回路進行分析。由于這些參數(shù)都是在定子端進行計算的，因此，雙回路的正負序可以用正負序來表達，如圖4-2、4-3所示：圖4-2雙饋電機正序諧波等值電路圖圖4-3雙饋電機負序諧波等值電路圖圖4-2和4-3中，、分別為電機轉(zhuǎn)子側(cè)正、負序諧波電壓的有效值；、分別為由、產(chǎn)生的定子側(cè)正、負序諧波電壓有效值；、分別為轉(zhuǎn)子側(cè)次諧波電壓正、負序分量在定子側(cè)產(chǎn)生的諧波頻率與基波頻率比；為電網(wǎng)側(cè)等值電抗。通過等效電路可以等效純感性電路，只考慮電機漏抗和電網(wǎng)的電抗。因此，雙饋發(fā)電機的定子側(cè)諧波對電網(wǎng)的電能質(zhì)量沒有任何影響。4.3雙饋風(fēng)電機組諧波特性的仿真研究在上一節(jié)中，對雙饋風(fēng)力發(fā)電機的諧波來源進行了分析，并根據(jù)其等效電路對雙饋風(fēng)電機組的諧波特性進行了理論分析。本節(jié)通過在PSCAD仿真軟件中建立相應(yīng)的仿真模型對雙饋風(fēng)電機組的諧波特性進行研究。在PSCAD仿真軟件搭建的仿真計算模型如圖4-4所示：圖4-4雙饋風(fēng)電機組諧波特性仿真圖在仿真中，對風(fēng)機出口的電流進行FFT分析，得出了在不同的風(fēng)速（也就是不同的功率）下的諧波電流頻譜圖，如下圖所示：圖4-5風(fēng)速為10m/s時的電流頻譜圖4-6風(fēng)速為11m/s時的電流頻譜圖4-7風(fēng)速為12m/s時的電流頻譜從上述不同風(fēng)速條件下的風(fēng)電場頻率譜圖可知，在不同的風(fēng)速條件下，電流的諧波譜分布趨勢是相同的，而且總體上具有更寬的諧波波段。除了少數(shù)幾次的諧波，其他的并無太大變化。表4-3不同風(fēng)速先諧波電流數(shù)值10m/s11m/s12m/s總諧波電流有效值36.676A35.376A35.332A電流諧波總畸變率4.767%3.794%3.188%由表4-3的數(shù)據(jù)可知，在不同的風(fēng)速條件下，各諧波電流的有效值差異很??；當(dāng)風(fēng)速增大時，總諧波電流的畸變率會降低，而當(dāng)風(fēng)速增大時，基波電流也會隨之增大。模擬結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基波電流與輸出功率成正比關(guān)系，但在諧波電流上卻沒有這種變化，這與以往的理論分析相吻合。以上分析是根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在風(fēng)速平穩(wěn)條件下，不同風(fēng)速下風(fēng)力發(fā)電裝置的輸出電流的諧波，下面針對風(fēng)速在波動情況風(fēng)電機組輸出電流諧波進行分析。將風(fēng)力發(fā)電裝置的基本風(fēng)速設(shè)為11m/s，而受1m/s、周期為0.2s的陣風(fēng)干擾，該情形下的頻譜圖見圖4-8：圖4-8陣風(fēng)擾動下風(fēng)電機組輸出電流頻譜圖從頻譜4-8的觀測可知，在受陣風(fēng)干擾的條件下，各次諧波的成分都得到了提高，而低次諧波占全諧波的比重則顯著增加。其中，2次諧波和3次諧波的含有率分別為5.86%和3.02%。經(jīng)計算，該系統(tǒng)的總諧波畸變率為8.74%，遠遠超出了常溫下的條件。結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)速變化時，系統(tǒng)的低次諧波含量和總諧波畸變率都有較大的變化。4.4風(fēng)電場諧波電流計算對電網(wǎng)中的諧波進行評價是風(fēng)電機組必須做的第一項工作，其目標(biāo)是通過對并網(wǎng)點中諧波電流電壓的限值進行檢測和校核。在對風(fēng)電機組進行諧波分析時，其關(guān)鍵問題是諧波的集合效應(yīng)。整個風(fēng)電場是一個諧波源，它可以計算出諧波的大小。在計算諧波電流時，必須綜合考慮各種因素，例如諧波電流的相位。在風(fēng)電機組的諧波電流中，由于各機組諧波電流的相位存在一定的差別，故不能用全部機組的諧波電流進行線性迭加。為了精確地計算電網(wǎng)中的電網(wǎng)總諧波，必須探索一種適合于風(fēng)電機組的諧波電流計算方法。上節(jié)通過對單臺風(fēng)力發(fā)電機的諧波特性的模擬與分析，對比了在不同風(fēng)速條件下的諧波頻譜和總諧波畸變率，本節(jié)在此基礎(chǔ)上對風(fēng)電場的諧波進行了分析。4.4.1風(fēng)電場結(jié)構(gòu)及其并網(wǎng)方式一座風(fēng)力發(fā)電站由幾十到數(shù)百臺風(fēng)力發(fā)電機組成，一般都是通過某種形式相連的，下面是當(dāng)前大部分風(fēng)力發(fā)電站所使用的線路。每個風(fēng)力發(fā)電機在現(xiàn)場安裝一臺升壓變壓器，將電壓從690V提升到35KV，然后將n臺發(fā)電機作為一組集中在35KV母線上，將整個風(fēng)電場分成N組，最后在35KV母線上，最后將其提升到220KV并接至電網(wǎng)。圖4-9風(fēng)電場中風(fēng)電機組分布及并網(wǎng)示意圖就此觀之，風(fēng)電場的并網(wǎng)類似于一個諧波源的建立，不斷發(fā)出諧波電流為大電網(wǎng)所用，圖4-10是并網(wǎng)之后諧波的等效電路：圖4-10風(fēng)電場并網(wǎng)諧波等效電路4.4.2風(fēng)電場中諧波電流的計算方法從前一節(jié)的模擬結(jié)果可以看出，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的諧波電流大小和相位具有隨機性，因而可以將其視為一個隨機變量，從而可以考慮利用概率法對風(fēng)電場的總諧波進行估計。在概率論中，中心極限定理表明，許多隨機變量的總和都是遵循或接近于正態(tài)分布的，利用此原理，可以將風(fēng)力發(fā)電裝置的h次諧波電流視為隨機相量，將風(fēng)電場的全部h次諧波電流視為N（N為風(fēng)電場機組數(shù)）個隨機相量之和。通過這種方式，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電站的數(shù)量達到一定數(shù)量時，其計算精度將會大大提高。在變速風(fēng)力發(fā)電裝置中，尤其是滯環(huán)電流控制器的風(fēng)力發(fā)電機，其輸出的諧波電流可以看作是一個獨立的隨機變量，其相位可以被看作是在[0，2π]內(nèi)，從均勻分布。通過以上的研究，可以采用式4-12對諧波電流進行計算。假設(shè)諧波電流的相位在[0,2π]內(nèi)服從均勻分布；假設(shè)為風(fēng)電機組輸出的第次諧波電流的幅值，該次諧波電流矢量可以表示為：(4-12)由此我們可以得到變量x、y的概率密度函數(shù)：u=x、y(4-13)通過計算可得式4-12所示概率密度函數(shù)的均值為，標(biāo)準(zhǔn)差。然后計算多臺風(fēng)電機組同時運行的情況下，疊加不同次諧波的電流：(4-14)即：，風(fēng)電場中每臺風(fēng)力發(fā)電機的諧波電流均可視為彼此無關(guān)的隨機變量，因此由中心極限定理可得X、Y均服從正態(tài)分布。此外，風(fēng)電場輸出的h次總諧波電流幅值,因X、Y均服從正態(tài)分布，所以服從瑞利分布，其概率密度為： (4-15)對應(yīng)的累積分布函數(shù)：(4-16)其中，。利用上述的概率密度和分布函數(shù)，可以將IEC61000規(guī)范中確定的95%的概率值作為某個諧波電流值，或按要求求取其平均值。在正常情況下，風(fēng)力發(fā)電機制造商可以提供風(fēng)力和相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得到的資料，確定每一次的諧振電流。同時，根據(jù)上述計算方法，可以估算風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的諧波，并對其進行預(yù)測和全面的分析。及早發(fā)現(xiàn)問題，采取相應(yīng)的對策，減少錯誤發(fā)生的概率，避免更大的損失。4.4.3算例分析4.4.2中專門探討了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的電網(wǎng)諧波電流評價的幾種方法。本節(jié)通過結(jié)合一個特定的風(fēng)電場實例進行分析。這個風(fēng)場有50臺雙饋風(fēng)力發(fā)電裝置，功率為2MW，風(fēng)電場中風(fēng)電機組分布和并網(wǎng)示意圖如4-13所示。為進一步的諧波電流進行分析，求出模擬風(fēng)電場的各個次諧波均值，求出95%的概率大值所對應(yīng)的諧波電流，其結(jié)果見表4-5。表4-5風(fēng)電場諧波電流均值和95%概率大值諧波次數(shù)平均值95%概率大值諧波次數(shù)平均值95%概率大值20.2380.50830.2070.50840.0590.10850.5341.02360.3520.71170.5831.12180.3590.71290.0580.109100.1140.179110.0490.101120.1260.185130.1690.310140.1030.179150.1680.319160.0580.113170.1780.308180.4060.829190.2170.418通過查閱相關(guān)資料，得到的風(fēng)電場對諧波電流的規(guī)定限值如表4-6所示。這些數(shù)值都是根據(jù)短路電流的大小來計算的，所有數(shù)值都是百分比，所以諧波電流的大小取決于電網(wǎng)的情況。表4-6風(fēng)電場諧波電流限值諧波次數(shù)諧波電流值諧波次數(shù)諧波電流值26.52935.45443.28955.43762.17973.79881.63892.368102.029110.949120.818131.548141.318150.670160.760170.592181.142191.030對比分析4-5和4-6的資料，發(fā)現(xiàn)此風(fēng)電場的各個次諧波均達到了風(fēng)電場的要求，達到了相應(yīng)的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，符合并網(wǎng)要求。表4-7風(fēng)電場諧波電流線性疊加值諧波次數(shù)諧波電流值諧波次數(shù)諧波電流值23.2433.2440.6556.4864.5477.1484.4890.60101.31110.65121.30132.00141.29151.97160.65171.95185.19192.61表4-7中的數(shù)據(jù)是風(fēng)力發(fā)電場次諧波電流的線性疊加值，與表4-5所示的平均值及95%的概率大值比較，表4-5所示的計算值要比表4-7中的線性疊加值要小得多，從某種意義上講，上述的計算方法對于諧波疊加的求解是有效的。4.5本章小結(jié)本文首先對電力系統(tǒng)的諧波概念、產(chǎn)生原因、危害以及多諧波源的相關(guān)疊加進行了闡述。其次，對雙饋風(fēng)電機組的相關(guān)諧波及其產(chǎn)生諧波的原因進行了分析。然后，對單臺雙饋風(fēng)電機組的諧波電流進行了頻譜分析，并對其在不同工作狀態(tài)下的頻譜進行了分析，得到了諧波電流具有的某些統(tǒng)計特性。最后，給出了一種求解風(fēng)力發(fā)電機的諧波電流的方法。第五章總結(jié)與展望5.1總結(jié)隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的迅速發(fā)展，風(fēng)電場的規(guī)模日益擴大，風(fēng)力發(fā)電在總能量中所占的份額也日益增加。風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)的影響越來越明顯，而電網(wǎng)中的電能質(zhì)量也不可避免地會受到影響。如何高效、高效地利用這些潔凈的能源，已成為全球電力行業(yè)共同關(guān)注的問題，因此，開展風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的電能品質(zhì)影響的研究就顯得尤為重要。本文通過模擬和分析了雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)后對電網(wǎng)的電能質(zhì)量的影響，重點從電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、風(fēng)電場的諧波電流兩個方面進行了研究。具體的工作如下：從風(fēng)電并網(wǎng)對電壓穩(wěn)定的影響出發(fā)，闡述了風(fēng)電并網(wǎng)對電壓波動的影響，對其產(chǎn)生的原因進行了分析，并給出了相應(yīng)的控制措施；對雙饋風(fēng)電機組的工作機理和控制方案進行了分析，利用PSCAD模擬軟件對其進行了模擬；對并網(wǎng)后并網(wǎng)點（PCC）的電壓穩(wěn)定性進行了模擬，并對其在極端條件、風(fēng)速波動、負荷變化等暫態(tài)干擾下的PCC電壓波動情況進行了分析；對風(fēng)電機組的諧波電流進行了頻譜分析，得到了不同工作狀態(tài)下的諧波電流和諧波電流的統(tǒng)計特性，并根據(jù)上述結(jié)果，提出一種適合于風(fēng)電機組的全諧波電流的概率計算方法。5.2展望近年來，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)電并網(wǎng)后的電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的影響進行了大量的研究，其中主要從靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)電壓穩(wěn)定兩個方面進行分析，有關(guān)這方面也取得了相當(dāng)令人滿意的結(jié)果。在諧波問題上，恒速恒頻風(fēng)電場的發(fā)展初期，由于無電力電子設(shè)備的介入，使得風(fēng)場的諧波問題一直未被重視。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的一種新型發(fā)電技術(shù)，變速恒頻風(fēng)電機組在近幾年中已被大量使用，但由于其使用的功率電子開關(guān)設(shè)備，會引起電網(wǎng)的諧波，從而導(dǎo)致電網(wǎng)的諧波污染。風(fēng)電機組在并網(wǎng)之前，一般都要進行諧波監(jiān)測，以確定是否符合國家規(guī)定的諧波排放，如果不符合要求，就無法并網(wǎng)。因此，在風(fēng)電機組的設(shè)計過程中，如何正確地評價風(fēng)電機組的諧波，是非常必要和緊迫的。在諧波電流分析中，傳統(tǒng)的方法是利用等效法將各風(fēng)力發(fā)電機等效成一個諧波源，同時對風(fēng)電場的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行簡化。然后進行諧波的計算，這一點在國外也有類似的研究。IEC61400-21給出了一種風(fēng)電場諧波電流的疊加方法，該方法繼承了原標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-3-6的方法，僅對諧波電流進行了升壓變換比。該方法是基于以往的諧波電流迭加的實驗結(jié)果，但對風(fēng)電等新的電力系統(tǒng)的諧波源沒有相關(guān)的經(jīng)驗，其精度及可靠性都有一定的限制。文中提出了一種基于諧波電流的統(tǒng)計性質(zhì)的概率計算方法，通過對諧波電流進行近似，可以得到諧波電流的幅值服從瑞利分布，進而求得諧波電流的概率密度函數(shù)，并由此求出整個風(fēng)電場的諧波電流。當(dāng)然，這種計算是建立在一定前提下的，例如假定某一臺風(fēng)力發(fā)電機的諧波電流是固定的，但實際上，各個機組之間的諧波幅值并不完全相同。此外，由于采用仿真軟件很難對幾十臺甚至數(shù)百臺風(fēng)力發(fā)電機進行仿真，而且由于缺少實際資料可供參考，所以其精度仍需進一步檢驗。因此，接下來的工作重點就是進一步檢驗這種方法的準(zhǔn)確性，不僅要確定該方法的有效，同時也要充分考慮風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的聯(lián)接結(jié)構(gòu)對整個風(fēng)電場的諧波電流的影響。在此基礎(chǔ)上，對其進行了改進，使其計算更為精確。此外，本論文僅對特定控制方式下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的諧波電流進行了具體的分析，在使用其它控制方式的雙饋風(fēng)力發(fā)電機和其它變速恒頻風(fēng)機的諧波性能方面，尚需進一步探討，以驗證此方法是否適用于各種變速恒頻風(fēng)電場。簡而言之，一種簡便、實用的風(fēng)電場諧波評估與計算方法對于當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展是十分必要的，有關(guān)這方面的討論還需要持續(xù)進行，以便更好地開發(fā)這一潔凈的能源。參考文獻張雯雯.風(fēng)電并網(wǎng)后電能質(zhì)量評價體系構(gòu)建研究[D].哈爾濱理工大學(xué)，2021.薛仰孝.風(fēng)電并網(wǎng)對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響研究[D].貴州大學(xué)，2021.姚曉明.HQ風(fēng)電并網(wǎng)方案及其風(fēng)機變流器冷卻系統(tǒng)控制設(shè)計[D].太原理工大學(xué)，2020.林俊杰.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對湛江電網(wǎng)運行特性影響分析[D].華南理工大學(xué)，2020.呂志超.大規(guī)模海上風(fēng)電并入電網(wǎng)后電能質(zhì)量問題研究[D].山東理工大學(xué)，2020.肖景博.含分布式電源配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估研究[D].鄭州大學(xué)，2020.龐大海.風(fēng)電試驗臺電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D].華東理工大學(xué)，2020.保正澤.風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)的影響及應(yīng)對措施分析[J].南方農(nóng)機，2019,50(15):249.INDHOLMM.Doublyfeddrivesforvariablespeedwindturbines.A40KWlaboratorysetup[D].Lyngby，Denmark：TechnicalUniversityofDenmark，2005.ErabhaKundur，JohnPaserba，CarsonTayloretc.DefinitionandClassificationofPowerSystemStability[J].IEEETransactionsonPowerSystems，2004，19（2）.王帥，謝冬梅.風(fēng)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量影響的簡單分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018,(23):220-221.FabioMedeiros，DaltonC.Brasil，etal.ANewApproachforHarmonicSummationUsingtheMethodologyofIEC61400-21[C].IEEE2010.歐陽波.基于小波包去噪的風(fēng)電并網(wǎng)電能質(zhì)量分析[D].湘潭大學(xué)，2018.田衍.風(fēng)電并網(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