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茂明风电项目一期并网电能质量浅析发布日期：2010/1/19 11:49:32 来源：激情茂明 作者：刘庆元 1引言电能在当今生产、生活中发挥着巨大的、不可颠覆的作用,“电”作为一种产品对于用户来说必须是一种品质优良的合格产品，合格的电能在电网潮流中运行对于发电、送电、用电三方来讲都有是一件百利而无一害的好事。电能质量标准在国际上的提出大概于上世纪的70年代，我国也先后于1983年和1993年分别制定了限制谐波的规定和相关电能质量标准。众所周知，传统的火力、水利发电都是汽轮机、水轮机拖动同步发电机运行的，同步发电机发出的电能质量相对于异步发电机无论是频率、功率因数、谐波分量还是电压闪变、波动等方面都有着不可比拟的优势。在传统火力、水利发电系统中，电能质量的各项指标相对容易控制，破坏电网电能质量的因素主要集中在用户端，如轧钢、有色金属冶炼、铁路牵引等行业；但伴随大型风电场并网运行的增多，风电带来的电网电能质量问题日益彰显突出。作为清洁、绿色能源的代表风力发电，最初由于技术原因只能作为脱网型发电设备在个人用户端使用，随着半导体电力电子控制技术的飞速发展，风力发电历经晶闸管（SCR）软并网技术到使用双极型绝缘栅晶体管（IGBT）的变频器，风电控制技术在风能利用率、自动控制和电能质量方面有了长足的进步，但无论如何，受到自然风速变化和电力电子器件自身原因的影响，作为一个电网安评和稳定运行的重要指标，风电的电能质量始终是一个多方关注的指标。本文通过FLUCK435电能质量分析仪实测风机出口电能相关数据，浅析华能茂明风电项目一期的电能质量。2实测数据2.1电压和电流 图1 图1所示，风机出口电压被整个电网电压托住，相电压基本保持在395V至401V之间波动（即线电压在684V至695V之间波动）波动偏差小于1%，符合电网要求；风机输出电流受风速、风向变化影响变化较大（测试当天20S平均风速未达到额定风速风机未能实现满负荷运行），出口电流波动很大，从200A至600A之间变化，特别是在21：22左有风速突然下降时负荷电流骤减直至十几安培；零序电压在风机负荷骤减处有轻微变化，其余时间基本正常；零序电流较大最高时达到60A，且变化也非常大。2.2功率同出口电流受风速、风向变化影响一样风机瞬时有功功率变换也很大；无功功率基本没有波动变化，只吸收少量的感性分量；功率因数在0.96至0.98之间，达到电网要求。 图22.3频率图3所示整个电能频率在49.96至50.04之间，符合电网标准。 2.4不平衡图4所示三相电压较平衡，三相电流不平衡度达到15%，超出电网指标。 2.5闪变图5电压闪变较小低于0.2，说明在电网无故障状态下完全可托住风机出口电压。 2.6谐波2.6.1波形畸变率（THD）图6 三相电压波形畸变率小于1，零序电压波形畸变率为50%；三相电流波形畸变率A、B相接近5%，C相接近4%，零序电流波形畸变率接近3%，电流畸变率超出或接近电网允许标准4%，不合格。2.6.2谐波分量偶次谐波和 奇次谐波含量较高，特别是三相电流和零序电流的偶次谐波和奇次谐波含量较高，典型的电力电子器件造成的波形污染，电流奇次谐波分量在允许范围之内，偶次谐波含量超出1.6%的允许标准。 图6 3影响电能质量的原因分析3.1风力资源评估3.1.1风能有效利用系数通过茂明风电场的风能测量的数据统计表明茂明风电场年利用小时可达到2500小时以上。实际通过两个月的试运行累计发电量为7434MWh，以9月份为例（8月26日9月20日）实际发电量为3579.3MWh,总装机容量为49.5MW,实际折算有效利用小时数为72小时，该月为小风月，且考虑实际风机试运行情况的不稳定性不足以说明问题。3.1.2风速、风向的日变化华能茂明风电场一期风速、风向的日变化较大，图7为11号风机两天的玫瑰图，从图中看到风场的风向和风速变化比较频繁，造成了风机出口功率的波动，影响了风机的稳定运行。3.1.3风的湍流强度由于华能茂明项目一期的风场选址地势较平缓湍流强度相对较弱。 3.2风力发电机组变频器的影响风力发电机组的风能效率主要由叶片的形状尺寸、传动机构的效率、发电机的出力情况、控制器和变频器的动态调节过程所决定。排除设备个体差异和人为安装的原因、风机在出厂时叶片的形状尺寸、传动机构的效率、发电机的出力情况已经定型成为不可更改的固定常数，对于风机来说风能的利用主要取决于风机的控制器和变频器的动态调节。作为现在主流并网机型变速恒频、变桨风力发电机组主要分为双馈式异步发电机组和永磁同步发电机组。两种发电机组的并网动态调节和运行中（额定风速以下）的功率控制都要依靠变频器，如果把风力发电机组的控制器看作整个风机的控制核心，那么变频器则是风机的动力核心，因为在额定风速以下，风机控制器在程序上命令叶片在对风方向是全面打开的（即桨距角为0o-2o之间），向电网输送电能动态控制过程的是依靠变频器实现的。华能内蒙古茂明风电项目一期（以下简称茂明风电场一期）风电机组采用的是东汽FD70B低温型，双馈感应式式异步发电机（DIFG）。以下的风电机组均指该机型。 图7 3.2.1通用变频器3.2.1.1交流电机的调速 根据公式：n=120(1-s)f/p其中，n:电机转速。Rpm f:电源频率。Hz s:电机转差率。s=(n0-nr)/ n0 p:电机极数。2，4，6可知交流电机的转速由s,f,p三个因素决定的。也就是说交流电机调速方式有三种解决方案：滑差调速；变极调速；变频调速。其中变频调速是通过调节电源频率来调节的电机的转速。变频调速的诞生使交流电机控制进入了一个崭新的领域，变频调速是一种真正意义的高效、无级调速，使得交流电机的转速和转矩控制像直流电机一样平滑，方便。3.2.2.2变频调速的种类按照能量变换形式分：交交型；交直交型按照变频器输出阻抗分：电流型；电压型按照运行工况分：两象限型；四象型限按照控制模式分：V/F恒磁通控制型；VC（Vector Control）矢量控制型；DTC (Direct Torque Control)直接转矩控制型据不完全统计全球生产变频器的厂家大约有400多家，茂明风电场一期采用的变频器是交直交，四象限，矢量控制模式，电压型的风力发电专用变频器，规格为两家生产厂家的产品，分别为克孚德（Converteam）的ProWind 1.5和爱默生（EMERSON）的WF1000-06A0150型风力发电专用变频器。3.2.2.3变频器的实现变频工作的原理变频器（指中低压变频器）采用的是绝缘栅双极型晶体管（IGBT），相当于一个电压控制的金属-氧化层-半导体-场效应晶体管（MOSFET）和一个电流输出的大功率晶体管（GTR）的结合体，它具有输入阻抗高、驱动电流小、开关频率高、输出电流大、热稳定好的诸多优点，是理想的全控性电力电子器件。本文只强调一点，即在IGBT的输入端（栅极和发射极之间）施加一个微小的电压信号（几伏特），就可以在输出端（集电集和发射极之间）控制输出较大的电流（上千安培），关于IGBT的结构及基本原理请参阅其他相关专业书籍。利用IGBT的可控特性，在一定开关范围内可以把直流逆变为一定频率（一般为工频以下）的交流或者将一定频率（一般为工频以下）的交流整流成直流，特别是将直流经过斩波，逆变为交流充分发挥了IGBT可控的优越性。通常将直流斩波、逆变的工作方式为两大种一种为脉冲幅值调制（PAM），一种为脉冲宽度调节（PWM），其中脉冲宽度调节可以实现把直流逆变为电压和频率能够同时调节的控制方式，是现在变频器的主流控制方式。由于脉宽调制的电压波形为幅值相等，脉冲宽度宽窄变化的矩形波，如图1所示，谐波分量很大，电压畸变严重对电网电能质量造成了很大的污染。经过演变，脉宽调制逐渐演变为正弦波脉宽调制(SPWM),使斩波、逆变后的波形为脉冲宽度不等，脉冲间距相等的等效正弦波，极大地改善了变频器的电压输出波形，如图8所示。华能茂明风电一期的变频器，输出的电压波形均为等效正弦波，波形输出接滤波电抗器率波后，向电网输出较好的正弦波的电压。 图8 3.2.2风力发电专用变频器风电变频器是专为风力发电生产的专用变频器，如前所述华能茂明风电项目一期发电机组为双馈感应式发电机，风力专用变频器为转子侧功率变频器，其功率单元（IGBT）的工作原理，控制模式（VF矢量控制模式），硬件结构等方面（由DSP芯片组，功率单元，辅助设备，变频器自身的各种传感器构成）与其他变频器绝大部分相同，只是为适合风电的一特殊控制要求，在软、硬件方面满足一些特殊的控制策略。风力发电机变频器可实现电流从电网侧到转子侧和从转子侧到电网侧的双向变换方式，且保证定子侧并网频率始终保持工频50Hz左右,原则上讲这种变频器应该称作广义上的变流器。一般来讲，变频器由3面柜组成，即并网柜，控制柜，功率单元模块柜。以克孚德（Converteam）的ProWind 1.5变频器为例，如图9所示：3.2.2.1并网柜并网柜主要集中了整个风电机组对外的电源输入输出开关，主要包括并网开关、网侧隔离开关、配电总开关，各电压等级配电分开关及插座；并网柜柜内还安装有为控制系统的UPS电源，网侧电流传感器及网侧防雷装置开关。3.2.2.2控制柜控制柜是整个变频器的控制核心和对外通讯的接口，其中由CPU/DSP芯片组，电机控制模型软件和SPWM控制软件等固化的芯片组成变频器的控制核心，进行发电机转矩、转速、电流的模型计算，建立驱动功率单元控制模式，触发功率单元，进行同期控制和发出变频器自身的功率保护指令。 3.2.2.3功率柜变频器模块柜功率柜为一对背靠背的三相全控桥式IGBT模块组成（每个功率单元每相桥臂为2个IGBT，两套功率单元共12个IGBT），中间为采用电容滤波方式的直流环节，即标准的交直交SPWM变频器拓扑结构。其中网侧变频器实现电网电压的定向矢量控制，实现网侧的功率因数控制和直流电压的控制，发电机侧采用定子磁链的矢量控制，进而实现发电机的有功、无功解耦控制，进而实现最大风能追踪控制。功率单元额定电压690 V，额定电流305A，极限最大输出电流690A（50s），额定输出功率因数0.97，允许使用温度为-150C+400C，功率单元的散热要求强制风冷，IGBT安装于散热片当中。变频器模块柜功率柜还装有变频器滤波电容和转子、网侧输出滤波电抗器及功率保护回路（Crowbar）。3.2.3风力专用变频器的系统原理 如图10所示，变速恒频发电机采用双馈感应式发电机，与绕线形机相近，定子接入电网，转子由变频器提供频率、相位、幅值都可调的三相交流低频电源作为励磁电流。低频电流在转子中形成一个低速旋转磁场，即建立基波的旋转磁场。这个磁场旋转速度s和转子的机械旋转速度r相加等于定子磁场的同步转速，即1=s+r，从而发电机感应出工频电压。当风速变化时，改变转子绕组的电流频率s和旋转磁场的转速r，可使定子磁场保证恒定，实现变速恒频的目的。由于这种变速恒频的控制方案是在转子侧实现的，流过转子的功率是由交流发电机转速影响范围所决定的转差功率。在同步转速以下，该转差功率仅为补偿启动转矩从电网吸收较小有功，则定子输出功率P1=Pm-P2，同时转子要从电网吸收无功建立旋转磁场；在同步转速以上时，定子、转子向电网同时输出有功功率，即Pm=P1+P2，同时转子产生的旋转磁场要和转子的机械旋转速反向，此时要向电网发送无功建立旋转磁场。以上对于转子转差功率的控制（或者叫转子励磁电流的控制）均在变频器内完成，实现转子磁场的解耦，就是一个矢量控制模式的过程，该矢量控制模式的算法就是来源于变频器内部的控制柜，准确地说来源于DSP/CPU以及固化其中的软件。变频器出厂后，固化其中的软件不可能更改，但其对外开放的变频器参数调节软件窗口（详见东汽相关说明书），则参数的设定将直接影响发电机转子转差功率的动态调节，特别是在同步转速以下，从而影响整个风力发电机的出力。简单来说矢量控制是一个控制精度非常高的闭环控制方式，它要求向变频器提供发电机适时准确的电磁参数（通过变频器参数调节软件窗口设定），同时要通过发电机尾端的测速装置（一般为绝对式光电编码器）搭建闭环控制系统。这些工作是现场调试人员要作的调试工作。这些调试工作往往做得不够细致，例如对于发电机电磁参数的测量，调试人员往往忽略其的重要性。 图10 3.2.4双馈式感应风力发电对电网电能的质量影响通过以上对双馈式感以发电机及变频器的工作原理的初步认识，不难看出，其在动态相应、功率控制、波形输出等方面或多忽少对电网供电质量具有一定的影响，具体影响如下：3.2.4.1大规模的风力发电机组从风速较小到达到切入风速的动态启动过程中要从电网吸收大量的无功功率用以建立旋转磁场，此时将引起大范围的电压波动；当风速大于额定风速以上时，风力发电机组转子侧又要产生与机械转动方向相反的电磁功率，从而向电网发送大量的容性无功又将导致电网电压的升高，危及到系统的安全；3.2.4.2在双馈异步感应电动机大范围应用于风力发电的同时，在风机启动的瞬间，将会产生由于瞬间堵转转矩产生节点短路电流，该短路电流虽然变化很快，但初始瞬间短路容量很大，有可能超过电网某点的计算短路电流从而引起电网保护动作；3.2.4.3虽然变频器采用了正弦波脉宽调制方式保证了电压输出等效正弦波，同时在输出端设置了滤波电感，但毕竟存在变频器功率单元模块（IGBT）的导通与关断，特别是输出的电流波形将会产生大量的谐波。谐