張衛(wèi)軍，毛雨

(安陽(yáng)供電公司，河南 安陽(yáng) 445000)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和人類(lèi)生活水平的日益提高，能源的需求量越來(lái)越大。到目前為止，石油、天然氣和煤炭等化石能源仍然是世界經(jīng)濟(jì)的能源支柱，化石類(lèi)資源的有限性和燃燒后對(duì)環(huán)境的危害性正日益威脅著人類(lèi)社會(huì)的安全和發(fā)展。幸運(yùn)的是，我們暫時(shí)尋求到了一種清潔環(huán)保且可再生的能源，它幾乎是取之不盡，用之不竭的，它就是風(fēng)能［1－2］。風(fēng)能的大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用，在一定程度上減少了化石能源的使用，減少溫室氣體排放，保護(hù)了環(huán)境，同時(shí)，它還具有調(diào)制電網(wǎng)中的能源結(jié)構(gòu)、解決偏遠(yuǎn)地區(qū)居民用電等問(wèn)題的功能，這些功能促進(jìn)了風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展。同時(shí)，風(fēng)電在發(fā)生低壓穿越時(shí)對(duì)接入電網(wǎng)的電能質(zhì)量又會(huì)產(chǎn)生一定的影響，電能質(zhì)量變差會(huì)給用戶帶來(lái)嚴(yán)重的損失。

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著新型電力負(fù)荷的迅速發(fā)展以及對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，電能質(zhì)量逐漸成為電力企業(yè)和用戶共同關(guān)心的問(wèn)題［3－4］。改善電能質(zhì)量對(duì)于電網(wǎng)和電氣設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、保障產(chǎn)品質(zhì)量、科學(xué)試驗(yàn)以及人民生活和生產(chǎn)具有重要意義。隨著大量精密儀器和電力、電子裝置的使用，電力用戶已提高了對(duì)電能質(zhì)量的認(rèn)識(shí)，越來(lái)越多的用戶向電力部門(mén)提出了高質(zhì)量供電的要求。提高電能質(zhì)量，滿足生產(chǎn)發(fā)展需求已經(jīng)成為供受電雙方的共同愿望［5－6］。因此，分析和研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的影響并提出相應(yīng)的解決措施顯得很有必要。

本文結(jié)合實(shí)際情況，以應(yīng)用較多的雙饋電機(jī)為核心的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時(shí)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響并提出改進(jìn)措施。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電在電力能源中所占比例不斷增加，因此，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響在不斷增強(qiáng)，通常在風(fēng)電所占比例不高的情況下，電網(wǎng)電壓降低到一定值時(shí)，風(fēng)電機(jī)組便會(huì)脫網(wǎng)運(yùn)行［7－8］，反之，如果風(fēng)電機(jī)組采取離網(wǎng)運(yùn)行，便會(huì)造成電網(wǎng)的電壓和頻率的崩潰，給工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)巨大的損失。為了解決這些問(wèn)題，電網(wǎng)安全運(yùn)行準(zhǔn)則要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)該具有一定的電壓穿越能力。

低壓穿越是指在電網(wǎng)故障下發(fā)電機(jī)不間斷運(yùn)行的能力，即電網(wǎng)故障時(shí)發(fā)電機(jī)組應(yīng)能保持與電網(wǎng)連接并向系統(tǒng)不間斷供電［9］。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)故障時(shí)切出，將會(huì)引起暫態(tài)不穩(wěn)定而增加系統(tǒng)崩潰的可能性，為避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，電力部門(mén)提出了關(guān)于低壓穿越下運(yùn)行的條件和規(guī)定。

從電網(wǎng)穩(wěn)定性方面來(lái)說(shuō)，低壓穿越能力是很重要的指標(biāo)，要求在電壓降到0.15倍額定標(biāo)幺值時(shí)能夠重新回到額定標(biāo)幺值，并且風(fēng)機(jī)仍和電網(wǎng)連接而不解列［10］。在故障發(fā)生時(shí)，由于比較低的電壓會(huì)產(chǎn)生很大的電流，電動(dòng)機(jī)必須能夠承受短時(shí)的大電流，而機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電轉(zhuǎn)矩不等會(huì)引起飛車(chē)現(xiàn)象，即使故障已切出，但由于機(jī)械慣性作用，轉(zhuǎn)速也不會(huì)很快降下來(lái)，此時(shí)電機(jī)的過(guò)速保護(hù)將會(huì)啟動(dòng)，以便保護(hù)發(fā)電機(jī)而不致發(fā)生嚴(yán)重故障。對(duì)于雙饋感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，定子的電流會(huì)反映到轉(zhuǎn)子側(cè)的變換器上，為了保護(hù)變換器，在通常情況下，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)都要進(jìn)行解列。較高的故障電流也會(huì)損壞定、轉(zhuǎn)子繞組，所以，保護(hù)電路的應(yīng)用是有必要的。另外，對(duì)于風(fēng)電為主要電力來(lái)源的地區(qū)而言，不能解列運(yùn)行，因?yàn)橐坏┙饬?，有功功率就?huì)隨著減少，這樣會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓進(jìn)一步的下降且使電能質(zhì)量降低，甚至?xí)斐蓢?yán)重后果［11］。

2 電能質(zhì)量分析

2.1 電能質(zhì)量的定義及分類(lèi)

電力部門(mén)通常把電能質(zhì)量定義為電壓與頻率的合格率，可用統(tǒng)計(jì)數(shù)字來(lái)加以說(shuō)明。電力用戶則可能把電能質(zhì)量簡(jiǎn)單定義為是否向負(fù)荷正常供電。設(shè)備制造廠家則可能把電能質(zhì)量定義為電源特性應(yīng)當(dāng)完全滿足電氣設(shè)備的正常工作需要。國(guó)際電工委員會(huì)則是從電磁兼容的角度來(lái)定義電能質(zhì)量，即設(shè)備之間的相互作用和影響以及電源和設(shè)備之間的相互作用與影響?；谝陨喜煌亩x，不難看出，電能質(zhì)量表現(xiàn)為電壓或頻率的偏差，造成用戶設(shè)備故障或用戶對(duì)電網(wǎng)的影響。本文在討論電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)以電力部門(mén)所實(shí)施的定義為準(zhǔn)。

電力系統(tǒng)中主要的電能質(zhì)量問(wèn)題可分穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)2類(lèi)。穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題以波形畸變?yōu)樘卣?，主要包括諧波、間諧波、缺口、噪聲以及電壓不平衡等。暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題通常是以頻譜和暫態(tài)持續(xù)時(shí)間為特征，主要包括各種電能質(zhì)量擾動(dòng)現(xiàn)象，主要包括間斷、凹陷、凸起、脈沖暫態(tài)和振蕩暫態(tài)等。

2.2 諧波對(duì)電能質(zhì)量的影響

電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及系統(tǒng)中非線性負(fù)荷的不斷增加，加上電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的內(nèi)、外故障，大大惡化了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。非線性負(fù)載、電力系統(tǒng)設(shè)備的非線性特性及電力系統(tǒng)故障是造成電力系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題的主要原因。諧波是損壞系統(tǒng)設(shè)備、威脅系統(tǒng)安全運(yùn)行、影響電能質(zhì)量的重要因素，其危害主要表現(xiàn)在以下5個(gè)方面:

(1)諧波的存在將使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的諧波流過(guò)中性線時(shí)會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi)。

(2)諧波對(duì)電機(jī)的影響除引起附加損耗外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，甚至損壞。

(3)諧波會(huì)引起公網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，甚至引起嚴(yán)重事故。

(4)諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，導(dǎo)致電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確。

(5)諧波會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，降低通信質(zhì)量，甚至使通信系統(tǒng)無(wú)法正常工作。

3 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的低壓穿越模擬

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)生低壓穿越時(shí)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，由于不具備試驗(yàn)條件，系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響不易直觀得到，所以，本文通過(guò)仿真的手段來(lái)研究和解決實(shí)際問(wèn)題也不失為一種較好的方法，仿真模型如圖1所示。

3.1 仿真軟件

電力系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)PSCAD(Power System Computer Aided Design)是Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開(kāi)發(fā)完成的，是直流系統(tǒng)中的電磁瞬態(tài)分析EMTDC(Electro Magnetic Transient in DC System)的前處理程序，是世界各國(guó)廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件之一，用于電力系統(tǒng)分析和相關(guān)研究。該仿真軟件提供了一個(gè)完全模塊化、互動(dòng)和形象化的通用電力仿真環(huán)境，它具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)控制能力、卓越的繪圖功能、豐富的數(shù)據(jù)輸入/輸出工具和自定義模型數(shù)據(jù)庫(kù)等優(yōu)點(diǎn)。特別是PSCAD在電磁暫態(tài)過(guò)程的描述和求解過(guò)程具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，如本文所研究的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響［12－14］。

圖1 模擬風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越的仿真模型

3.2 仿真模型的建立

依據(jù)某風(fēng)電場(chǎng)的機(jī)組參數(shù)結(jié)合電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，在PSCAD仿真軟件平臺(tái)下，建立了仿真模型。圖2、圖3、圖4分別為圖1中保護(hù)電路單元、電網(wǎng)側(cè)控制單元與發(fā)電機(jī)側(cè)控制單元仿真模型的原理圖。

3.3 仿真結(jié)果與分析

在發(fā)生低壓穿越時(shí)，無(wú)保護(hù)電路單元的電網(wǎng)電壓波形如圖5所示，有保護(hù)電路單元的電網(wǎng)電壓波形如圖6所示。

圖2 保護(hù)電路單元模型

通過(guò)圖5與圖6的對(duì)比可以看出，在沒(méi)有保護(hù)電路單元的情況下，發(fā)生低壓穿越時(shí)，恢復(fù)到正常狀態(tài)的時(shí)間較長(zhǎng)，電網(wǎng)的電壓波動(dòng)較大，從而造成電能質(zhì)量低下。在投入保護(hù)電路單元的情況下，恢復(fù)到正常狀態(tài)的時(shí)間較短，電網(wǎng)的電壓波動(dòng)很小而且電能質(zhì)量較高。

圖3 網(wǎng)側(cè)變換器控制原理圖

4 結(jié)論

本文詳細(xì)研究了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時(shí)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，仿真軟件對(duì)暫態(tài)過(guò)程的細(xì)致描述為分析電能質(zhì)量情況提供了基礎(chǔ)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文所提出的應(yīng)用保護(hù)電路可以減小對(duì)電網(wǎng)影響的設(shè)想，改善了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生低壓穿越時(shí)電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

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