摘要：隨著國家能源政策的轉(zhuǎn)變，以風(fēng)力發(fā)電為代表的新能源發(fā)電已得到了長足的發(fā)展。但是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行帶來了種種電能質(zhì)量問題，本文介紹幾種用于改善或研究風(fēng)力發(fā)電場電能質(zhì)量控制與試驗(yàn)的裝置。首先綜述了風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展情況，然后對(duì)目前電能質(zhì)量問題研究進(jìn)行了闡述，最后介紹了幾種以電能質(zhì)量控制為目的的控制與試驗(yàn)裝置。本文論述的幾種裝置可以為風(fēng)力發(fā)電場電能質(zhì)量問題研究擴(kuò)展思路。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量控制試驗(yàn)

1 風(fēng)力發(fā)電場電能質(zhì)量問題

隨著我國能源戰(zhàn)略的調(diào)整，清潔能源已成為社會(huì)廣泛討論的話題。作為典型的清潔型發(fā)電模式，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)得到了長足的發(fā)展，占發(fā)電容量的比重越來越大。但是，大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)勢必帶來一些新問題，如電能質(zhì)量問題，由于風(fēng)電機(jī)組內(nèi)設(shè)置有非線性電氣設(shè)備，且控制技術(shù)較為復(fù)雜，將會(huì)帶來諸如電壓波動(dòng)、諧波等問題，影響著電網(wǎng)的正常運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電場電能質(zhì)量的控制與研究工作已經(jīng)成為一項(xiàng)重要的課題。

本文以電能質(zhì)量問題為切入點(diǎn)，介紹幾種能夠應(yīng)用風(fēng)力發(fā)電場的電能質(zhì)量控制與試驗(yàn)裝置，通過論述，可以為風(fēng)力發(fā)電場電能質(zhì)量問題研究擴(kuò)展思路。

2 電能質(zhì)量控制

近年來，電力系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題得到了越來越廣泛的關(guān)注。大量非線性裝置的應(yīng)用是產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的重要原因之一[1]。其中包括調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置、開關(guān)型電源、電弧爐、電子鎮(zhèn)流器等等。此外，系統(tǒng)的正常投切操作與故障切除產(chǎn)生的擾動(dòng)也會(huì)影響供電質(zhì)量。電能質(zhì)量問題可以定義為：導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差。其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫時(shí)或瞬態(tài)過電壓、波形畸變以及電壓暫降與短時(shí)間中斷等。

電能質(zhì)量的監(jiān)測、分析與治理已成為電能供應(yīng)與利用領(lǐng)域的重要課題。電能質(zhì)量問題之所以日益引起國內(nèi)外專家學(xué)者的研究興趣，主要?dú)w結(jié)于以下幾點(diǎn)原因：

①計(jì)量問題：劣質(zhì)的電能質(zhì)量可能會(huì)影響電力計(jì)量的精度。

②繼電保護(hù)：劣質(zhì)的電能質(zhì)量可能會(huì)引起繼電保護(hù)裝置保護(hù)功能的失靈。

③設(shè)備的停運(yùn)：劣質(zhì)的電能質(zhì)量可能會(huì)引起設(shè)備（特別是異步電動(dòng)機(jī)）停機(jī)或損壞，導(dǎo)致生產(chǎn)率下降，損害電力用戶的經(jīng)濟(jì)利益。

④電磁兼容性：劣質(zhì)的電能質(zhì)量可能引起電磁兼容性問題和噪聲問題。

目前，已有不少高?；蚩蒲袡C(jī)構(gòu)建立了電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室。電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室的建立具體服務(wù)于三個(gè)目的：

①測試設(shè)備在電力擾動(dòng)下的運(yùn)行狀況。

②測試電能質(zhì)量校正設(shè)備對(duì)擾動(dòng)的補(bǔ)償能力。

③通過與電網(wǎng)連接的裝置來判定電力擾動(dòng)的類型和幅度。總之，電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)室主要側(cè)重于電能質(zhì)量事件檢測與補(bǔ)償裝置的研發(fā)。電能質(zhì)量問題研究依托于電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，隨著電力電子變流器控制技術(shù)的日益成熟，可以為電能質(zhì)量問題研究提供寬廣的平臺(tái)。

3 電能質(zhì)量控制與試驗(yàn)裝置

3.1 VSC型電力擾動(dòng)發(fā)生裝置（VSC-IG）

為了改善電力系統(tǒng)電能質(zhì)量，大量電能質(zhì)量補(bǔ)償控制裝置已接入電網(wǎng)。電壓源型變流器（VSC）型電力擾動(dòng)發(fā)生裝置是針對(duì)于對(duì)電能質(zhì)量補(bǔ)償控制裝置的測試而提出的，該裝置簡稱VSC-IG。通俗地講，VSC-IG就是一個(gè)高精度可控大功率電壓擾動(dòng)發(fā)生裝置。它能夠模擬各種電力擾動(dòng)波形，便于對(duì)電能質(zhì)量補(bǔ)償控制裝置的測試。在風(fēng)電場中，VSC-IG還可以應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的測試。

文獻(xiàn)2詳細(xì)介紹了VSC-IG裝置的研制方法，對(duì)于該裝置，通常需要研究以下幾點(diǎn)內(nèi)容：

①裝置的建模。

②裝置主電路參數(shù)的選擇方法。

③裝置控制器設(shè)計(jì)。

④基于仿真軟件平臺(tái)的裝置仿真。

⑤裝置物理樣機(jī)的研發(fā)與實(shí)驗(yàn)。

目前，VSC-IG裝置主要應(yīng)用于電能質(zhì)量實(shí)驗(yàn)，研究電能質(zhì)量檢測與分析方法。

3.2 三相電壓型整流器（VSR）

三相電壓型整流器是將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓的重要裝置，在永磁直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中得到了廣泛的應(yīng)用。裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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目前工業(yè)中使用三相電壓型整流器通常是以半控型功率器件晶閘管作為開關(guān)器件的，采用的是相位控制方式。這種類型的整流裝置雖然功率因數(shù)較高（工業(yè)上甚至可達(dá)0.99），但是網(wǎng)側(cè)諧波是不可避免。解決該問題的辦法通常是在網(wǎng)側(cè)安置電容進(jìn)行濾波，這樣做簡單易行，工程上廣泛應(yīng)用，但是同時(shí)會(huì)帶來LC諧振問題。

采用全控型器件IGBT可以有效地解決上述問題。全控器件采用PWM控制技術(shù)，PWM的最大優(yōu)點(diǎn)是其諧波分布在開關(guān)頻率附近，一般為幾千赫到幾十千赫，較為容易濾除。通過整流器的閉環(huán)控制算法，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化，消除對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，減少諧波帶來的能量損耗。整流器的閉環(huán)控制算法涉及較多的自動(dòng)控制理論與電力電子技術(shù)的內(nèi)容，目前較為流行的是前饋解耦控制算法和反饋線性化控制算法。文獻(xiàn)3對(duì)相關(guān)控制算法作了較深入的研究與分析。

3.3 有源電力濾波器（APFC）

在風(fēng)電產(chǎn)生和傳輸過程中，諧波是產(chǎn)生能耗的主要原因之一。供電電壓波形的畸變而產(chǎn)生的諧波分量不能被電力用戶所用，但是卻消耗在線路中，造成了能源的浪費(fèi)，同時(shí)也損害了電力用戶的經(jīng)濟(jì)利益。

目前使用有源電力濾波器用于諧波治理，通常并聯(lián)至待治理點(diǎn)，以補(bǔ)償系統(tǒng)中的諧波電流。諧波的產(chǎn)生工作原理圖如下：

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有源電力濾波器檢測負(fù)載電流的諧波分量，通過控制變流器輸入一個(gè)與之相反的電流分量來達(dá)到補(bǔ)償?shù)哪康?。?shí)際上，有源電力濾波器就是一個(gè)高功率可控電流源，可以靈活地發(fā)出指定的電流值。

3.4 靜止無功功率補(bǔ)償器（STATCOM）

大量無功電流在電網(wǎng)中會(huì)導(dǎo)致線路損耗增大，變壓器利用率降低，用戶電壓跌落。無功補(bǔ)償是利用技術(shù)措施降低線損、實(shí)現(xiàn)節(jié)能的重要措施之一，電網(wǎng)規(guī)劃，在有功功率合理分配的同時(shí)，也必須做到無功功率的合理分布。

無功優(yōu)化的目的是通過調(diào)整無功潮流的分布降低網(wǎng)絡(luò)的有功功率損耗，并保持最好的電壓水平。無功優(yōu)化補(bǔ)償一般有變電所無功負(fù)荷的最優(yōu)補(bǔ)償、配電線路最優(yōu)補(bǔ)償以及配電變壓器低壓側(cè)最優(yōu)補(bǔ)償。由電能損耗公式可知，當(dāng)線路或變壓器輸送的有功功率和電壓不變時(shí)，線損與功率因數(shù)的平方成反比。功率因數(shù)越低電網(wǎng)所需無功就越多，線損就越大。因此，在受電端安裝無功補(bǔ)償裝置，可減少負(fù)荷的無功功率損耗，提高功率因數(shù)，提高電氣設(shè)備的有功出力。

無功功率補(bǔ)償裝置（STATCOM）的投入一方面改善了投入點(diǎn)的功率因數(shù)，同時(shí)也可提高接入點(diǎn)的電壓水平，是改善風(fēng)電場電能質(zhì)量的重要手段之一，工作原理如圖3所示。其結(jié)構(gòu)與三相電壓型整流器基本一致。理論核心是八十年代日本學(xué)者赤木泰文提出的瞬時(shí)功率控制理論，通過該理論可以達(dá)到靈活控制網(wǎng)側(cè)無功功率的目的。

3.5 統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）

統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)是柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)中的一種新興的、功能最完善控制裝置，作為FACTS中最具代表性的一種，UPFC具有非常靈活的控制功能，集調(diào)節(jié)線路潮流、節(jié)電電壓、阻抗、相角和無功補(bǔ)償?shù)缺姸喙δ苡谝惑w，通過統(tǒng)一控制系統(tǒng)可對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、有效、快速地控制，其強(qiáng)大的綜合控制功能是其它FACTS及傳統(tǒng)的補(bǔ)償裝置所無法比擬的。此外，UPFC還能抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩，改善系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，提高線路的傳輸極限等。UPFC應(yīng)用于輸電網(wǎng)，裝置容量較高。這個(gè)研究方向具備廣泛的前景，目前風(fēng)電場發(fā)電應(yīng)用于直流輸電這一方向正在興起。

4 結(jié)語

本文介紹了幾種以電能質(zhì)量控制為目的的裝置，綜述了風(fēng)力發(fā)電發(fā)展情況，對(duì)目前電能質(zhì)量問題研究進(jìn)行了闡述。結(jié)合國家的相關(guān)政策，可以預(yù)見，本文所論述的電力擾動(dòng)發(fā)生裝置、三相電壓型整流器、有源電力濾波器、靜止無功功率補(bǔ)償器和統(tǒng)一潮流控制器在今后風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量問題研究中會(huì)有很大的應(yīng)用空間。

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作者簡介：

齊磊（1984-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究工作。