风电并网对配网电能质量的影响

摘要⑤电机不产生齿谐波。在此假设下，可以将转子的输出电压等效为独立的电回路进行分析。由于这些参数都是在定子端进行计算的，因此，双回路的正负序可以用正负序来表达，如图4-2、4-3所示：图4-2双馈电机正序谐波等值电路图图4-3双馈电机负序谐波等值电路图图4-2和4-3中，、分别为电机转子侧正、负序谐波电压的有效值；、分别为由、产生的定子侧正、负序谐波电压有效值；、分别为转子侧次谐波电压正、负序分量在定子侧产生的谐波频率与基波频率比；为电网侧等值电抗。通过等效电路可以等效纯感性电路，只考虑电机漏抗和电网的电抗。因此，双馈发电机的定子侧谐波对电网的电能质量没有任何影响。4.3双馈风电机组谐波特性的仿真研究在上一节中，对双馈风力发电机的谐波来源进行了分析，并根据其等效电路对双馈风电机组的谐波特性进行了理论分析。本节通过在PSCAD仿真软件中建立相应的仿真模型对双馈风电机组的谐波特性进行研究。在PSCAD仿真软件搭建的仿真计算模型如图4-4所示：图4-4双馈风电机组谐波特性仿真图在仿真中，对风机出口的电流进行FFT分析，得出了在不同的风速（也就是不同的功率）下的谐波电流频谱图，如下图所示：图4-5风速为10m/s时的电流频谱图4-6风速为11m/s时的电流频谱图4-7风速为12m/s时的电流频谱从上述不同风速条件下的风电场频率谱图可知，在不同的风速条件下，电流的谐波谱分布趋势是相同的，而且总体上具有更宽的谐波波段。除了少数几次的谐波，其他的并无太大变化。表4-3不同风速先谐波电流数值10m/s11m/s12m/s总谐波电流有效值36.676A35.376A35.332A电流谐波总畸变率4.767%3.794%3.188%由表4-3的数据可知，在不同的风速条件下，各谐波电流的有效值差异很小；当风速增大时，总谐波电流的畸变率会降低，而当风速增大时，基波电流也会随之增大。模拟结果表明，风力发电系统的基波电流与输出功率成正比关系，但在谐波电流上却没有这种变化，这与以往的理论分析相吻合。以上分析是根据风力发电系统在风速平稳条件下，不同风速下风力发电装置的输出电流的谐波，下面针对风速在波动情况风电机组输出电流谐波进行分析。将风力发电装置的基本风速设为11m/s，而受1m/s、周期为0.2s的阵风干扰，该情形下的频谱图见图4-8：图4-8阵风扰动下风电机组输出电流频谱图从频谱4-8的观测可知，在受阵风干扰的条件下，各次谐波的成分都得到了提高，而低次谐波占全谐波的比重则显著增加。其中，2次谐波和3次谐波的含有率分别为5.86%和3.02%。经计算，该系统的总谐波畸变率为8.74%，远远超出了常温下的条件。结果表明：当风速变化时，系统的低次谐波含量和总谐波畸变率都有较大的变化。4.4风电场谐波电流计算对电网中的谐波进行评价是风电机组必须做的第一项工作，其目标是通过对并网点中谐波电流电压的限值进行检测和校核。在对风电机组进行谐波分析时，其关键问题是谐波的集合效应。整个风电场是一个谐波源，它可以计算出谐波的大小。在计算谐波电流时，必须综合考虑各种因素，例如谐波电流的相位。在风电机组的谐波电流中，由于各机组谐波电流的相位存在一定的差别，故不能用全部机组的谐波电流进行线性迭加。为了精确地计算电网中的电网总谐波，必须探索一种适合于风电机组的谐波电流计算方法。上节通过对单台风力发电机的谐波特性的模拟与分析，对比了在不同风速条件下的谐波频谱和总谐波畸变率，本节在此基础上对风电场的谐波进行了分析。4.4.1风电场结构及其并网方式一座风力发电站由几十到数百台风力发电机组成，一般都是通过某种形式相连的，下面是当前大部分风力发电站所使用的线路。每个风力发电机在现场安装一台升压变压器，将电压从690V提升到35KV，然后将n台发电机作为一组集中在35KV母线上，将整个风电场分成N组，最后在35KV母线上，最后将其提升到220KV并接至电网。图4-9风电场中风电机组分布及并网示意图就此观之，风电场的并网类似于一个谐波源的建立，不断发出谐波电流为大电网所用，图4-10是并网之后谐波的等效电路：图4-10风电场并网谐波等效电路4.4.2风电场中谐波电流的计算方法从前一节的模拟结果可以看出，风力发电系统的谐波电流大小和相位具有随机性，因而可以将其视为一个随机变量，从而可以考虑利用概率法对风电场的总谐波进行估计。在概率论中，中心极限定理表明，许多随机变量的总和都是遵循或接近于正态分布的，利用此原理，可以将风力发电装置的h次谐波电流视为随机相量，将风电场的全部h次谐波电流视为N（N为风电场机组数）个随机相量之和。通过这种方式，当风力发电站的数量达到一定数量时，其计算精度将会大大提高。在变速风力发电装置中，尤其是滞环电流控制器的风力发电机，其输出的谐波电流可以看作是一个独立的随机变量，其相位可以被看作是在[0，2π]内，从均匀分布。通过以上的研究，可以采用式4-12对谐波电流进行计算。假设谐波电流的相位在[0,2π]内服从均匀分布；假设为风电机组输出的第次谐波电流的幅值，该次谐波电流矢量可以表示为：(4-12)由此我们可以得到变量x、y的概率密度函数：u=x、y(4-13)通过计算可得式4-12所示概率密度函数的均值为，标准差。然后计算多台风电机组同时运行的情况下，叠加不同次谐波的电流：(4-14)即：，风电场中每台风力发电机的谐波电流均可视为彼此无关的随机变量，因此由中心极限定理可得X、Y均服从正态分布。此外，风电场输出的h次总谐波电流幅值,因X、Y均服从正态分布，所以服从瑞利分布，其概率密度为： (4-15)对应的累积分布函数：(4-16)其中，。利用上述的概率密度和分布函数，可以将IEC61000规范中确定的95%的概率值作为某个谐波电流值，或按要求求取其平均值。在正常情况下，风力发电机制造商可以提供风力和相应的数据，并根据所得到的资料，确定每一次的谐振电流。同时，根据上述计算方法，可以估算风力发电系统中的谐波，并对其进行预测和全面的分析。及早发现问题，采取相应的对策，减少错误发生的概率，避免更大的损失。4.4.3算例分析4.4.2中专门探讨了风力发电系统中的电网谐波电流评价的几种方法。本节通过结合一个特定的风电场实例进行分析。这个风场有50台双馈风力发电装置，功率为2MW，风电场中风电机组分布和并网示意图如4-13所示。为进一步的谐波电流进行分析，求出模拟风电场的各个次谐波均值，求出95%的概率大值所对应的谐波电流，其结果见表4-5。表4-5风电场谐波电流均值和95%概率大值谐波次数平均值95%概率大值谐波次数平均值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通过查阅相关资料，得到的风电场对谐波电流的规定限值如表4-6所示。这些数值都是根据短路电流的大小来计算的，所有数值都是百分比，所以谐波电流的大小取决于电网的情况。表4-6风电场谐波电流限值谐波次数谐波电流值谐波次数谐波电流值26.52935.45443.28955.43762.17973.79881.63892.368102.029110.949120.818131.548141.318150.670160.760170.592181.142191.030对比分析4-5和4-6的资料，发现此风电场的各个次谐波均达到了风电场的要求，达到了相应的电能质量标准，符合并网要求。表4-7风电场谐波电流线性叠加值谐波次数谐波电流值谐波次数谐波电流值23.2433.2440.6556.4864.5477.1484.4890.60101.31110.65121.30132.00141.29151.97160.65171.95185.19192.61表4-7中的数据是风力发电场次谐波电流的线性叠加值，与表4-5所示的平均值及95%的概率大值比较，表4-5所示的计算值要比表4-7中的线性叠加值要小得多，从某种意义上讲，上述的计算方法对于谐波叠加的求解是有效的。4.5本章小结本文首先对电力系统的谐波概念、产生原因、危害以及多谐波源的相关叠加进行了阐述。其次，对双馈风电机组的相关谐波及其产生谐波的原因进行了分析。然后，对单台双馈风电机组的谐波电流进行了频谱分析，并对其在不同工作状态下的频谱进行了分析，得到了谐波电流具有的某些统计特性。最后，给出了一种求解风力发电机的谐波电流的方法。第五章总结与展望5.1总结随着风力发电技术的迅速发展，风电场的规模日益扩大，风力发电在总能量中所占的份额也日益增加。风力发电对电网的影响越来越明显，而电网中的电能质量也不可避免地会受到影响。如何高效、高效地利用这些洁净的能源，已成为全球电力行业共同关注的问题，因此，开展风电并网对电网的电能品质影响的研究就显得尤为重要。本文通过模拟和分析了双馈风电机组并网后对电网的电能质量的影响，重点从电网的电压稳定性、风电场的谐波电流两个方面进行了研究。具体的工作如下：从风电并网对电压稳定的影响出发，阐述了风电并网对电压波动的影响，对其产生的原因进行了分析，并给出了相应的控制措施；对双馈风电机组的工作机理和控制方案进行了分析，利用PSCAD模拟软件对其进行了模拟；对并网后并网点（PCC）的电压稳定性进行了模拟，并对其在极端条件、风速波动、负荷变化等暂态干扰下的PCC电压波动情况进行了分析；对风电机组的谐波电流进行了频谱分析，得到了不同工作状态下的谐波电流和谐波电流的统计特性，并根据上述结果，提出一种适合于风电机组的全谐波电流的概率计算方法。5.2展望近年来，国内外学者对风电并网后的电网电压稳定性的影响进行了大量的研究，其中主要从静态电压稳定和暂态电压稳定两个方面进行分析，有关这方面也取得了相当令人满意的结果。在谐波问题上，恒速恒频风电场的发展初期，由于无电力电子设备的介入，使得风场的谐波问题一直未被重视。变速恒频风力发电技术是近几年发展起来的一种新型发电技术，变速恒频风电机组在近几年中已被大量使用，但由于其使用的功率电子开关设备，会引起电网的谐波，从而导致电网的谐波污染。风电机组在并网之前，一般都要进行谐波监测，以确定是否符合国家规定的谐波排放，如果不符合要求，就无法并网。因此，在风电机组的设计过程中，如何正确地评价风电机组的谐波，是非常必要和紧迫的。在谐波电流分析中，传统的方法是利用等效法将各风力发电机等效成一个谐波源，同时对风电场的网络结构进行简化。然后进行谐波的计算，这一点在国外也有类似的研究。IEC61400-21给出了一种风电场谐波电流的叠加方法，该方法继承了原标准IEC61000-3-6的方法，仅对谐波电流进行了升压变换比。该方法是基于以往的谐波电流迭加的实验结果，但对风电等新的电力系统的谐波源没有相关的经验，其精度及可靠性都有一定的限制。文中提出了一种基于谐波电流的统计性质的概率计算方法，通过对谐波电流进行近似，可以得到谐波电流的幅值服从瑞利分布，进而求得谐波电流的概率密度函数，并由此求出整个风电场的谐波电流。当然，这种计算是建立在一定前提下的，例如假定某一台风力发电机的谐波电流是固定的，但实际上，各个机组之间的谐波幅值并不完全相同。此外，由于采用仿真软件很难对几十台甚至数百台风力发电机进行仿真，而且由于缺少实际资料可供参考，所以其精度仍需进一步检验。因此，接下来的工作重点就是进一步检验这种方法的准确性，不仅要确定该方法的有效，同时也要充分考虑风力发电系统的联接结构对整个风电场的谐波电流的影响。在此基础上，对其进行了改进，使其计算更为精确。此外，本论文仅对特定控制方式下的双馈风力发电机组的谐波电流进行了具体的分析，在使用其它控制方式的双馈风力发电机和其它变速恒频风机的谐波性能方面，尚需进一步探讨，以验证此方法是否适用于各种变速恒频风电场。简而言之，一种简便、实用的风电场谐波评估与计算方法对于当前风力发电的发展是十分必要的，有关这方面的讨论还需要持续进行，以便更好地开发这一洁净的能源。参考文献张雯雯.风电并网后电能质量评价体系构建研究[D].哈尔滨理工大学，2021.薛仰孝.风电并网对电力系统电能质量的影响研究[D].贵州大学，2021.姚晓明.HQ风电并网方案及其风机变流器冷却系统控制设计[D].太原理工大学，2020.林俊杰.大规模风电并网对湛江电网运行特性影响分析[D].华南理工大学，2020.吕志超.大规模海上风电并入电网后电能质量问题研究[D].山东理工大学，2020.肖景博.含分布式电源配电网电能质量综合评估研究[D].郑州大学，2020.庞大海.风电试验台电能质量监测系统的设计与开发[D].华东理工大学，2020.保正泽.风电并网对电网的影响及应对措施分析[J].南方农机，2019,50(15):249.INDHOLMM.Doublyfeddrivesforvariablespeedwindturbines.A40KWlaboratorysetup[D].Lyngby，Denmark：TechnicalUniversityofDenmark，2005.ErabhaKundur，JohnPaserba，CarsonTayloretc.DefinitionandClassificationofPowerSystemStability[J].IEEETransactionsonPowerSystems，2004，19（2）.王帅，谢冬梅.风电并网对电能质量影响的简单分析[J].电子技术与软件工程，2018,(23):220-221.FabioMedeiros，DaltonC.Brasil，etal.ANewApproachforHarmonicSummationUsingtheMethodologyofIEC61400-21[C].IEEE2010.欧阳波.基于小波包去噪的风电并网电能质量分析[D].湘潭大学，2018.田衍.风电并网后电能质量分析与无功功率补偿[D].山东大学，2018.陈强.风电并网对电能质量的影响及治理[J].中国标准化，2018,(08):185-186+190.沈润.风电接入对湛江电网电能质量的影响分析[D].华南理工大学，2018.ErabhaKundur，JohnPaserba，CarsonTayloretc.DefinitionandClassificationofPowerSystemStability[J].IEEETransactionsonPowerSystems，2004，19（2）.谢琼波.风电场并网对地区电网电能质量的影响及分析[D].华南理工大学，2017.李星朗.基于储能系统的有源配电网供电末端电能质量调控技术研究[D].沈阳工程学[3]院，2017.奚莉莉.风电并网输电系统固定成本分摊方法研究[D].南京邮电大学，2016.王玲，范遵涛.变频器在风电并网中的应用[J].科技传播，2016,8(15):237-238.张胜林.风电并网对地区电网影响的研究[D].华北电力大学（北京）,2016.Q/GDW392‐2009《风电场接入电网技术规定》.国家电网公司企业标准，2009.张国慨.论风电并网对电力系统安全稳定的影响[J].中国市场，2016,(06):68+80.StavrosA.Papathanassiou，MichaelP.Papadopoulous.HarmonicAnalysisinaPowerSystemwithWindGeneration[J].IEEETransactionsonPowerSystemsDelivery，2006，21（4）：[10]2006-2015.宋泽.基于数学形态学的风电并网电能质量扰动检测研究[D].兰州理工大学，2015.蔡娜娜.面向风电并网的风电场电能质量评价模型研究[D].华北电力大学，2015.周树高.六字界风电场工程无功补偿分析及电能质量评估[D].广西大学，2014.裴星宇.珠海风电场电能质量测量与分析[J].贵州电力技术，2014,17(11):43-46.ChenN,QianZ,NabneyIT,etal.WindPowerForecastsUsingGaussianProcessesNumericalWeatherPrediction[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2014,29(2):65[14]6-665.陈晓雷，杨跃龙，施晓蓉.中国风电并网问题综述[J].通信电源技术，2014,31(02):8-11.李盈枝.基于博弈论的风电最佳接纳能力研究[D].华北电力大学，2014.阎鼎.分布式电源优化配置及其对电能质量的影响[D].上海交通大学，2014.张小坡，谷永春，安鹏.风电并网对电力系统的影响及其抑制措施[J].电气时代，2014,(01):70-72+75.袁钰琪，杨劲松.浅谈风电并网对电网电能质量的影响[J].科技创新与应用，2014,(01):166.WANGYi,XULie,WilliamsBW.ControlofDFIG-basedwindfarmsfornetworkanbalancecompensation.IEEETransonPowerSystems,2008,4(8):113-119.邓卫民.风电并网后对配电网电能质量和网损影响的研究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