摘要：针对新能源风力发电并网过程中因自身工作原理所产生的电能质量问题及危害进行了分析。详细介绍了目前治理电能质量常用的２种设备，即静止型动态无功补偿装置及静止无功发生器装置的概况、工作原理等，对风力发电电能质量治理装置应用分析。
关键词：风力发电；电能质量；治理装置
随着国家对新能源的开发利用，风电装机规模迅速增加，对电力系统形成了新挑战。由于风能的不可控性，风电经常扮演着逆调峰的角色。此外，风电场电能质量问题与传统火电相比，主要体现在电压闪变和谐波两个方面，一是由于配
置了数量众多的箱式变压器，对电网不仅不能提供无功，反而从电网吸收大量无功；二是大量采用了以电力电子为核心的整流逆变装置，谐波污染严重。
一、风力发电存在的电能质量问题
1．电压波动和闪变。电压波动和闪变是电能质量考核的一个重要技术指标。随着风电规模的不断扩大，注入电网的风电功率不断增加，对电网安全运行带来了威胁，其中突出的问题就是引起局部电网的电压波动，造成电能质量下降。通常，引起风力发电可导致电网电压波动的原因有以下几点：风电机组在风速作用下，其功率输出具有变动的特性，可能引起所接人系统的某些节点(如并网点)的电压波动；风电机组并网时可能引起较大的冲击电流，造成并网点的电压波动；风电机组启动、脱网及发电机组切换也会引起电网电压波动；阵风作用期间，风机从电网吸收无功功率变化，引起电压波动；风电机组启动过程中将产生大的启动电流，同时导致电网电压大的跌落；塔影效应及风剪切对风力发电机组的电压波动也具有一定的影响。
2.谐波。风电给系统带来谐波的途径主要有两种：风机本身配备的电力电子装置可能带来谐波问题；对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波。
二、电能质量治理措施
1.应用静止型动态无功补偿装置（ＳＶＣ）。ＳＶＣ设备概述。ＳＶＣ是由电容器、各种电抗元件及晶闸管等构成的并联、可控、无功补偿装置，与系统并联并向系统供应或从系统吸收无功功率。其输出或吸收的无功功率可以通过晶闸管快速改变以达到维持或控制电力系统某些参数的目的。根据可调电抗器的工作
原理及调节方式不同，ＳＶＣ装置可分为３种类型，即ＴＣＴ型（晶闸管控制的变压器）、ＴＣＲ型（晶闸管控制的电抗器）和ＭＣＲ型（磁控电抗器）。ＳＶＣ工作原理。ＳＶＣ装置根据控制策略，检测相关设定量和电量，调节与电抗器串联的晶闸管的导通角，能连续、快速地改变装置的电感电流，从而获得平滑调节的无功功率。晶闸管控制ＳＶＣ的结构型式。ＴＳＣ是分级投切的，不像ＴＣＲ由相角控制，恰当的配合ＴＳＣ和ＴＣＲ可以连续控制无功功率输出。ＳＶＣ通过ＴＣＲ支路完成对无功功率的连续调节，该类型的ＳＶＣ装置主要由ＴＣＲ支路和滤波（电容）支路并联组成。其中，ＴＣＲ支路具备动态连续无功调节能力，只能输出感性无功功率。基础容性无功功率由滤波支路提供，使ＴＣＲ型ＳＶＣ具备从容性无功功率到感性无功功率的调节能力，同时，滤波器组还可滤除系统其他负荷及ＴＣＲ自身产生的谐波。
2.采用静止无功发生器装置（ＳＶＧ）。ＳＶＧ设备概述。ＳＶＧ是ＦＡＣＴＳ设备的主要成员，以ＤＳＰ（双数字信号处理器）为核心，将自换相桥式电路通过电抗器并联在电网上，采用动态跟踪和实时数据采集技术，随时监测系统和电网电流、电压。利用监测数据进行相关运算，由变流单元输出，快速、连续地补偿无功功率到电网或系统。同时，还可改善公共电网连接点处与负荷的电能质量，克服三相不平衡、提高功率因数、抑制谐波污染、消除电压波动和闪变。ＳＶＧ工作原理。ＳＶＧ的基本原理是将自换相桥式变流电路通过电抗器并联（或直接并联）在电网上，根据输入系统的无功功率和有功功率的指令，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功功率，实现动态无功补偿的目的。
三、电能质量治理设备在风电场内的实际应用
本文以某一风电场为例，分析SVC、SVG装置对于该风电场接人点电能质量的改善及暂态电压恢复、系统电压稳定水平的提高效果。风电场系统连接图如图1所示，4个风电场，总输出功率400MW，连接2个变电站，其中，风电场1以110kV接入甲变电站，其他几个风电场以110kV接入乙变电站，乙变电站主变为三卷变345／110／35kV。
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1.无功补偿。图2和图3分别表示了乙变电站未安装和已安装SVC或SVG时的母线电压曲线和乙变电站高低压侧无功功率。从图2可以看出，风电场全部满发时由风电引起的乙变电站高低压侧无功功率功率损耗分别为88Mvar和70Mvar。母线电压波动最大变动为0．04pu，不装设无功补偿装置将不能满足国
标中关于电压变动的相关规定。
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从图3中可以看出，只有当风电场出力超过总出力的85％以后，补偿容量才会被用完，即使风电场出力再增大到满发，在乙变电站引起的电压波动也只有0．01pu左右。并且这种比较严重的情况发生的概率也很低。因此，在乙变电站装设电能质量治理设备是能解决风电场出力变化带来的电压波动问题。
2．风机不同运行工况下的补偿作用。典型日风速变化下补偿作用。当风速出现剧烈变化时，风电场接人地区的母线电压也会出现大幅度的波动。分别为未安装和已安装电能质量治理设备，对应风速变化下的风电场接入地区母线电压变化曲线。安装电能质量治理设备后，典型日内风电场接人地区母线电压变动在0．03pu内，为不安装SVC时电压变动的50％。风场接人地区母线电压不会出现越限，均处于0．99pu以上。在风速出现大幅度的变化时，在风电场并网点安装电能质量治理设备能较为显著地降低电网电压变动幅度，提高电网运行时的电压稳定性。风电机组启动时补偿作用。分别为风电机组启动时未安装和已安装SVC风电场接人地区母线电压变化。未安装SVC情况下，当风速增加时，风电场接人地区甲变电站110kV母线、乙变电站110kV母线、乙变电站330kV母线电压下降幅度较大，当风电场出力由零增加到35％时，乙变电站330kV母线电压约下降了0．023pu。安装SVC后，当风电场接入地区母线随风速的增加而下降时，SVC可迅速投入动态容性无功，提供动态无功支撑，使电网电压在风速变动时维持在较高的水平，改善电网运行性能，提高电网电压稳定性。风电机组切除时补偿作用。分别为未安装和已安装电能质量治理设备时风电机组在满发状态下被切除时相关参量变化曲线(0．3s时将400Mw风电场切除)。当400MW风电场被切除时，风电场接入地区的母线电压发生振荡，并最终趋于稳定，电压变动幅度约为0．01pu。风电机组切除后，乙变电站有功功率很小，从高压侧和低压侧几乎不消耗无功功率。当400MW风电场被切除时，安装电能质量治理设备后，风电场接入地区的母线电压发生振荡，并最终趋于稳定，电压变动幅度约为0．005pu。风电机组切除后，乙变电站有功功率很小，从高压侧和低压侧消耗无功功率几乎为0。安装在乙变电站的SVC装置能在风电场切除时对稳定风电场接入地区的母线电压起到有效作用。
分析了风力发电机组并网后在运行过程中产生的电能质量问题，对目前常用的２种电能质量治理装置（无功补偿装置）进行了介绍，今后将进一步对电能质量治理装置的实际应用进行研究。
参考文献：
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