风力发电系统发生低压穿越时对电网电能质量的影响分析

张卫军，毛雨

(安阳供电公司，河南 安阳 445000)

0 引言

随着全球经济的迅速发展和人类生活水平的日益提高，能源的需求量越来越大。到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，化石类资源的有限性和燃烧后对环境的危害性正日益威胁着人类社会的安全和发展。幸运的是，我们暂时寻求到了一种清洁环保且可再生的能源，它几乎是取之不尽，用之不竭的，它就是风能［1－2］。风能的大规模开发利用，在一定程度上减少了化石能源的使用，减少温室气体排放，保护了环境，同时，它还具有调制电网中的能源结构、解决偏远地区居民用电等问题的功能，这些功能促进了风力发电的不断发展。同时，风电在发生低压穿越时对接入电网的电能质量又会产生一定的影响，电能质量变差会给用户带来严重的损失。

自20世纪80年代以来，随着新型电力负荷的迅速发展以及对电能质量的要求不断提高，电能质量逐渐成为电力企业和用户共同关心的问题［3－4］。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行、保障产品质量、科学试验以及人民生活和生产具有重要意义。随着大量精密仪器和电力、电子装置的使用，电力用户已提高了对电能质量的认识，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要求。提高电能质量，满足生产发展需求已经成为供受电双方的共同愿望［5－6］。因此，分析和研究风力发电系统发生低压穿越时对电能质量的影响并提出相应的解决措施显得很有必要。

本文结合实际情况，以应用较多的双馈电机为核心的风力发电系统为研究对象，分析风力发电系统发生低压穿越时对电网电能质量的影响并提出改进措施。

1 风力发电系统的低压穿越技术

风力发电在电力能源中所占比例不断增加，因此，风力发电系统对电网的影响在不断增强，通常在风电所占比例不高的情况下，电网电压降低到一定值时，风电机组便会脱网运行［7－8］，反之，如果风电机组采取离网运行，便会造成电网的电压和频率的崩溃，给工业生产带来巨大的损失。为了解决这些问题，电网安全运行准则要求风力发电机组应该具有一定的电压穿越能力。

低压穿越是指在电网故障下发电机不间断运行的能力，即电网故障时发电机组应能保持与电网连接并向系统不间断供电［9］。如果风力发电机在电网故障时切出，将会引起暂态不稳定而增加系统崩溃的可能性，为避免这种现象的发生，电力部门提出了关于低压穿越下运行的条件和规定。

从电网稳定性方面来说，低压穿越能力是很重要的指标，要求在电压降到0.15倍额定标幺值时能够重新回到额定标幺值，并且风机仍和电网连接而不解列［10］。在故障发生时，由于比较低的电压会产生很大的电流，电动机必须能够承受短时的大电流，而机械转矩与电转矩不等会引起飞车现象，即使故障已切出，但由于机械惯性作用，转速也不会很快降下来，此时电机的过速保护将会启动，以便保护发电机而不致发生严重故障。对于双馈感应电动机来说，定子的电流会反映到转子侧的变换器上，为了保护变换器，在通常情况下，感应电动机都要进行解列。较高的故障电流也会损坏定、转子绕组，所以，保护电路的应用是有必要的。另外，对于风电为主要电力来源的地区而言，不能解列运行，因为一旦解列，有功功率就会随着减少，这样会导致电网电压进一步的下降且使电能质量降低，甚至会造成严重后果［11］。

2 电能质量分析

2.1 电能质量的定义及分类

电力部门通常把电能质量定义为电压与频率的合格率，可用统计数字来加以说明。电力用户则可能把电能质量简单定义为是否向负荷正常供电。设备制造厂家则可能把电能质量定义为电源特性应当完全满足电气设备的正常工作需要。国际电工委员会则是从电磁兼容的角度来定义电能质量，即设备之间的相互作用和影响以及电源和设备之间的相互作用与影响。基于以上不同的定义，不难看出，电能质量表现为电压或频率的偏差，造成用户设备故障或用户对电网的影响。本文在讨论电能质量问题时以电力部门所实施的定义为准。

电力系统中主要的电能质量问题可分稳态和暂态2类。稳态电能质量问题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、缺口、噪声以及电压不平衡等。暂态电能质量问题通常是以频谱和暂态持续时间为特征，主要包括各种电能质量扰动现象，主要包括间断、凹陷、凸起、脉冲暂态和振荡暂态等。

2.2 谐波对电能质量的影响

电力系统规模的不断扩大以及系统中非线性负荷的不断增加，加上电力系统可能出现的内、外故障，大大恶化了系统的电能质量。非线性负载、电力系统设备的非线性特性及电力系统故障是造成电力系统电能质量问题的主要原因。谐波是损坏系统设备、威胁系统安全运行、影响电能质量的重要因素，其危害主要表现在以下5个方面:

(1)谐波的存在将使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

(2)谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，甚至损坏。

(3)谐波会引起公网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，甚至引起严重事故。

(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，导致电气测量仪表计量不准确。

(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，降低通信质量，甚至使通信系统无法正常工作。

3 风力发电系统的低压穿越模拟

风力发电系统在发生低压穿越时，会对电网电能质量产生影响，由于不具备试验条件，系统参数变化对系统的影响不易直观得到，所以，本文通过仿真的手段来研究和解决实际问题也不失为一种较好的方法，仿真模型如图1所示。

3.1 仿真软件

电力系统的计算机辅助设计PSCAD(Power System Computer Aided Design)是Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成的，是直流系统中的电磁瞬态分析EMTDC(Electro Magnetic Transient in DC System)的前处理程序，是世界各国广泛使用的电力系统仿真软件之一，用于电力系统分析和相关研究。该仿真软件提供了一个完全模块化、互动和形象化的通用电力仿真环境，它具有很强的动态控制能力、卓越的绘图功能、丰富的数据输入/输出工具和自定义模型数据库等优点。特别是PSCAD在电磁暂态过程的描述和求解过程具有独特的优势，如本文所研究的风力发电系统发生低压穿越时对电网的影响［12－14］。

图1 模拟风力发电系统发生低压穿越的仿真模型

3.2 仿真模型的建立

依据某风电场的机组参数结合电力系统的基础理论知识，在PSCAD仿真软件平台下，建立了仿真模型。图2、图3、图4分别为图1中保护电路单元、电网侧控制单元与发电机侧控制单元仿真模型的原理图。

3.3 仿真结果与分析

在发生低压穿越时，无保护电路单元的电网电压波形如图5所示，有保护电路单元的电网电压波形如图6所示。

图2 保护电路单元模型

通过图5与图6的对比可以看出，在没有保护电路单元的情况下，发生低压穿越时，恢复到正常状态的时间较长，电网的电压波动较大，从而造成电能质量低下。在投入保护电路单元的情况下，恢复到正常状态的时间较短，电网的电压波动很小而且电能质量较高。

图3 网侧变换器控制原理图

4 结论

本文详细研究了风力发电系统发生低压穿越时对电网电能质量的影响，仿真软件对暂态过程的细致描述为分析电能质量情况提供了基础，仿真结果验证了本文所提出的应用保护电路可以减小对电网影响的设想，改善了风力发电系统发生低压穿越时电网的电能质量。

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