高比例新能源并网接入存在的电能质量问题及解决方案

吕琳

1引言

全球能源发展经历了从薪柴时代到煤炭时代，再到油气时代、电气时代的演变过程。目前，世界能源供应以化石能源为主，有力支撑了经济社会的快速发展。适应未来能源发展的需求，水能、风能、太阳能等清洁能源正在加快开发和利用。

新能源的快速发展并网，同时也带来了严重的电能质量问题。和传统能源结构相比，光伏，风电的间歇特性，对电网造成了严重的冲击。尤其是在我国西北地区，近几年大面积发展新能源电站，尤其是大面积风电和光伏基地的集中接入，不断的出现多种电能质量问题。

本文笔者将从设备多年运行经验，实际出现的电能质量问题出发。深层次的提出解决方案实施与现场应用角度来阐明新能源电站并网电能质量问题及解决方案。

2新能源电站并网面临的电能质量问题

2.1电站谐振问题

电力系统中许多元件是属于感性或者容性，如变压器，互感器，线缆等属于感性元件，补偿用电容器，SVG，线缆寄生电容为容性元件。这些元器件组成复杂的LC震荡回路，再一定的能源作用下，特定参数配合的会就会出现谐振现象。

该问题更多的是出现在光伏电站，这和光伏电站的高压线缆采用地埋电缆方式，耦合电容参数较大。SVG也等效为一个电容或者电感器件，若SVG的控制性能不佳，不仅不能解决谐振问题，还会将谐振问题扩大化。某光伏电站50Hz电网电压基础上叠加了高次谐波，对谐振电压进行傅里叶分析，谐振点在28次。而且谐振电压在几百mS内就达到了额定电压的1.4倍以上，最终导致电站过压保护跳闸，保护跳闸后，电网电压回复到正常水平。

2.2谐波问题

新能源电站并网逆变器都采用电力电子变换整流逆变来实现，大量逆变器，变流器并联接入到并网点。设备之间的并联也容易产生谐波，谐波长期危害电力设备的可靠性，使变压器，电抗器等发热，开关损坏。

2.3风电场次同步震荡

风电发电机组接在经串联补偿的输电线路时，如果电气系统的串联谐振频率 fn  和发电机轴系的某一扭振频率fm 对运行频率f 而言接近互补的话，即fn+ fm= f ，则电气系统将与发电机组轴系机械系统间相互交换振荡能量，使振荡逐渐加大，直到机轴损坏。风电等新能源属于间歇性能源，功率波动比较大，风机数量多，易对电网造成扰动;在控制参数不合适时，电气振荡频率容易与发电机轴系的自然扭振频率之间成互补关系，此时处于平衡状态下的系统受到扰动后，引发次同步振荡，严重时影响电网及电站正常运行。发生磁同步震荡之后，电网电压畸变严重。2016年12月，在新疆哈密三塘湖地区，出现多次磁同步震荡。

3电能质量问题解决方案

链式SVG目前在电网电压稳定控制和电能治理中得到了广泛的应用，其链式结构，更高的等效开关频率，更快的响应速度将是解决电能质量问题的最佳设备。但正是由于其链式结构的特点，系统控制框架复杂，控制性能差异较大。设备接入点电压一般为10kV或者35kV，接入电压等级高，产品的稳定性和可靠性又存在一定的问题。

3.1谐振问题解决

从谐振发生的基本原理出发，其根本原因是系统等效参数出现谐振点，那么基于这个思路，可以采用谐振抑制来解决。分为谐振抑制环节：首先检测三相并网点电压，经过DQ坐标变换，滤出基波分量，再经过反变换得到电压的谐波分量，提取出经过PI得到SVG谐振抑制的电流给定。同时在采样环节增加基波带通滤波器的抑制谐波放大的方法，可以避免SVG与系统电压之间出现正反馈，该方法能使SVG等效接入近似理想系统，可以消除或降低系统谐波电压放大。

采用该方法之后，电站谐振问题得到彻底解决，正如上述甘孜某光伏电站谐振，SVG投运前，系统明显谐振，28次谐振电压占比10.82%。

3.2治理谐波

基波无功补偿环节：为SVG的基本功能。直流侧稳压环节得到有功电流的给定;恒无功、恒电压、恒功率因数等无功电流指令外环得到无功电流给定;内环进行无功电流控制;

特定次谐波控制器：和基波电流内环结构一致，但是在做变换时需要根据选定的谐波次数进行。实际应用时根据需要决定谐波控制器的数量。

3.3次同步震荡治理

当SVG被用于次同步振荡抑制时，可以通过控制，在基波控制信号中叠加次同步频率电压分量，使得SVG输出的电压中含有相应频率的次同步电压，改变其注入系统的次同步电流，从而抑制次同步振荡。 同时，SVG具有调节速度快，属于有源装置，不受电压影响等优点，非常适合次同步振荡的抑制。

SVG抑制次同步振荡的 设在某一稳态状况下，机组轴系受到一微小扰动，使发电机转子产生角位移增量：

从式中可看出：当轴系机械运动出现频率为ωm的振荡分量时，在发电机定子将引起次同步频率（1-ωm）和超同步频率（1+ωm）。 当线路电气谐振频率正好是（1-ωm），则定子回路中频率为（1-ωm）的电流分量与电压分量相位相同，该电流分量形成的转矩为

可知ΔTe与扰动Δω同相位，即对轴系中频率为ωm的振荡分量产生负阻尼转矩，使振荡趋于增大。 SVG抑制次同步振荡的机理就是通过注入足够大的和机端电压相位相反的次同步电流，使得最终在定子回路中的次同步电流与电压分量方向相反，形成的转矩与扰动相反，对轴系中的振荡分量产生负阻尼转矩，使振荡减小。

4结语

本文综合多年新能源电站并网遇到的问题，以及工程现场应用中存在的问题。依托SVG产品的技术特点，利用得天独厚的控制快速性能，可以良好的解决新能源并网所遇到的电能质量问题。并网电能质量治理的核心要素就是系统的控制响应速度。SVG解决电能质量问题的前提就是设备的响应速度，只有速度足够快，才能从容应对各种电能质量问题。基于此思路，SVG在控制器架构设计时就需要提出一些明确的速度指标，例如控制频率大于64KHz，闭环控制带宽16us等指標。

只有基于快速控制性能的前提条件下，产品的性能达到一定的指标要求，同时产品的稳定性和可靠性也至关重要。SVG作为挂网设备，保证实时在线运行。SVG才能作为新能源电站电能质量治理的有利武器，良好的保障新能源电站稳定运行。

参考文献：

[1]刘振亚.全球能源互联网.北京：中国电力出版社，2015.1.

[2]王兆安，刘进军，王跃，杨君.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，2015.7