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并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術的發(fā)展

文檔作者：馬飛王宏華文檔來源：河海大學能源與電氣學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月01日
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· 電氣技術與自動化· 馬飛，等·并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術的發(fā)展
并網(wǎng)風 電系 統(tǒng)功率因數(shù)校正技術的發(fā)展
馬飛，王宏華
(河海大學能源與電氣學院，江蘇南京211100】
摘要：風力發(fā)電已成為目前新能源發(fā)電技術中前景看好的新能源利用方式之一，隨著風電規(guī)
模的擴大，并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)對電網(wǎng)的影響不容忽視，并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術研
究成為風電技術發(fā)展中的重要課題之一。從功率因數(shù)的定義出發(fā)，分析了并網(wǎng)風電系統(tǒng)中景
響功率因數(shù)的原因和并網(wǎng)風電系統(tǒng)中的功率因數(shù)校正的原理，對各功率因數(shù)校正技術進行比
較和分析，綜述了并網(wǎng)風電系統(tǒng)中功率因數(shù)校正的現(xiàn)狀及發(fā)展。
關鍵詞：風電系統(tǒng)；并網(wǎng)；功率因數(shù)；校正
中圖分類號：TM714 文獻標志碼：A 文章編號：1671—5276(2012)06—0156．04
Development of Power Factor Correction in Grid-connected W ind Power Generation System
MA Fei，W ANG Hong—hua
(College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China)
Abstract：Wind power generation becomes one of the promising new energy generation technologies at the present time．W ith the
cxpansion of the scale of wind power，the impact of power factor in grid-connected wind power system on the grid can not be ignored，
SO the power factor correction tec hnology in grid·connected wind power sysytem becomes all important issue the development of
wind power．This paper analyses some factors which have an efect on power factor in the system fr0m the definition of the power
factor，introduces some main principles for correcting the factor and compares and analyzs these power factor correction technologies．
The development of this technologies is su~eyed in the paper．
Key words：wind power generation system；grid-connected；power factor；correction
0 引言
眾所周知，風力發(fā)電是當前清潔可再生能源開發(fā)利用
中發(fā)展迅速、商業(yè)化前景廣闊的發(fā)電技術之一，大型風電
機組并網(wǎng)發(fā)電已成為風能利用的主要形式，風力發(fā)電是解
決我國電力和能源緊缺的重要戰(zhàn)略選擇? 。然而，隨著
風電規(guī)模的擴大，風電并網(wǎng)運行對主電網(wǎng)運行帶來諸多不
利影響，為此我國編制并及時修訂符合我國風電發(fā)展特點
的風電場并網(wǎng)技術規(guī)范、標準。并網(wǎng)標準的不斷提高給風
電企業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，同時也使新技術和新設備的研究
成為熱點。并網(wǎng)風電系統(tǒng)的功率因數(shù)直接影響系統(tǒng)的經(jīng)
濟可靠運行，改善和校正并網(wǎng)風電系統(tǒng)的功率因數(shù)可降低
電壓損耗和電壓降落，提高電壓穩(wěn)定性、運行可靠性及輸
電效率，提高電能質量 。因此，并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)
校正研究是風電技術發(fā)展中的重要課題之一。本文分析
了并網(wǎng)風電系統(tǒng)中影響功率因數(shù)的原因和并網(wǎng)風電系統(tǒng)
中功率因數(shù)校正的原理，綜述了并網(wǎng)風電系統(tǒng)中功率因數(shù)
校正的現(xiàn)狀及發(fā)展。
1 并網(wǎng)風電系統(tǒng)中影響功率因數(shù)的
原因分析
在交流電中，功率因數(shù)(PF)被定義為有功功率P與
視在功率S的比值 ]，即
PF： P
s ： v l ： ×co ： (1)
RMs lRMs l | 一
式中， 為輸入基波電流有效值， 為輸入總電流有
效值，y= 為畸變因數(shù),cos~v為基波電壓與基波電流之
間的相移因數(shù)。
又由總諧波畸變(THD)的定義知：
?一 ： 基波電流有效值 ×一 100％： ， ×‘。 100％
(2)
由式(1)、(2)得
PF= xcos~= 蘭竺二xcos~v= (3)
RMS ，2 、／1+(THD)
，
式中， 為n次諧波電流有效值。
式(3)表明，功率因數(shù)與THD值、電壓基波與電流基
波之間的相位差直接相關，對并網(wǎng)風電系統(tǒng)的功率因數(shù)的
分析和校正應從這兩方面著手。
在對實際風電系統(tǒng)功率因數(shù)進行分析時，應注意如下
幾點：
1)風具有隨機變化的特性，風速的快速變動以及塔
影效應、風剪切、偏航誤差及電網(wǎng)故障會引發(fā)風力發(fā)電系
統(tǒng)中功率振蕩的現(xiàn)象 刮，當風電場增加到一定規(guī)模時，
作者簡介：馬飛(1986一)，男，河南商丘人，碩士研究生，專業(yè)為電力系統(tǒng)及其自動化，主要研究方向為可再生能源發(fā)電系統(tǒng)控制。
· 156· http：／／ZZHD．chinajourna1．net．cn E—mail：ZZHD@chainajourna1．net．crt《機械制造與自動化》
· 電氣技術與自動化· 馬飛，等·并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術的發(fā)展
由于風電場輸出功率的隨機波動，會對局部電網(wǎng)的節(jié)點電
壓產生較大的影響 ，使風電機組并網(wǎng)運行易引起電壓
波動和閃變。電壓波動會引起諧波干擾，降低功率因數(shù)，
并且不利于電網(wǎng)的可靠和經(jīng)濟運行。
2)恒速恒頻風電機組一般采用鼠籠式異步發(fā)電機，
其發(fā)出有功功率的同時吸收滯后性的無功功率以滿足勵
磁電流的需要。在風力較小時，通過機端電容進行無功補
償可達到較高的功率因數(shù)。但當風力很大時，風力發(fā)電機
組出力大，機端電容器雖然進行補償，但仍需從系統(tǒng)吸收
大量的無功，風電場功率因數(shù)低，系統(tǒng)母線電壓下降嚴
重 “ 。采用雙饋異步發(fā)電機的變速恒頻風電系統(tǒng)是當
前的主流機組之一，其無功可控，但變速風電機組的調壓
能力隨風速變化，在較惡劣的運行條件下，若僅靠其調壓
能力難以達到滿意的效果 。另外，發(fā)電機的輸出波形
往往并不是理想的，其中夾雜著低次或者高次諧波，影響
功率因數(shù)的提高。
3)風電場中的諧波來源主要是大量使用的非線性電
力電子變流裝置(整流器、逆變器、斬波器、變頻器及雙向
晶閘管可控開關設備等)，其在電力系統(tǒng)基波頻率的一個
周期內發(fā)生多次開關動作，這種非線性性質會引起電網(wǎng)電
壓畸變，使電壓中帶有整數(shù)倍基波頻率的分量，降低網(wǎng)側
功率因數(shù) 。
2 風電并網(wǎng)系統(tǒng)功率因數(shù)校正的原
理和方法
2．1 安裝無功補償裝置 ]
風電場通常建在偏遠的地方，而無功功率不宜遠距離
輸送，遠距離傳輸?shù)臒o功功率會在電力網(wǎng)上產生有功損耗
和電壓降落，通常將公共連接點(PCC)處的功率因數(shù)校正
為1。在僅靠風電機組自身無功容量不能滿足系統(tǒng)電壓
動態(tài)調節(jié)需要時，需在風電場加裝無功補償裝置。風電場
無功補償裝置可采用分組投切的電容器或電抗器組，必要
時采用可以連續(xù)調節(jié)的靜止無功補償器(SVC)或其他更
為先進的無功補償裝置。文獻[16]應用SVC對PCC處
進行不平衡控制補償，可消除雙饋異步風力發(fā)電機組PCC
處電氣量的不平衡度，提高PCC處的功率因數(shù)。
2．2 對風電機組電力電子變流電路進行
改進 ]
風電系統(tǒng)中的電力電子變流電路多采用整流器和逆變器
相結合的拓撲結構。傳統(tǒng)方法多采用不可控整流器后直接接
晶閘管逆變器，晶閘管變流器需吸收無功功率，在網(wǎng)側會產生
很大的潴波電流，這就需要增加輔助設備對系統(tǒng)進行補償，但
補償系統(tǒng)控制復雜，容量較大，加大了投資成本。在不可控整
流器后接直流側電壓變化的PWM電壓源型逆變器可有效降低
諧波污染，靈活調節(jié)系統(tǒng)輸出的有功和無功，但是當風速較低
時，直流側電壓低，逆變器工作效率低，損耗大，因此這種拓撲結
構也有局限。針對這一問題，出現(xiàn)了在直流電壓與逆變器之間
加入DC-DC Boost環(huán)節(jié)的改進方案，如圖1所示，通過DC-DC
Boost升壓環(huán)節(jié)提高逆變器直流母線電壓并將其穩(wěn)定在合適的
Machine Building Automation，Ju．2012，41(6)：1．56—159
范圍內，不僅可提高逆變器運行效率，且可對輸出側進行功率
因數(shù)佼正，在大功率直驅型風電系統(tǒng)中廣泛采用了該拓撲結
構 。此外，還有很多學者研究了各種更為優(yōu)越的變流器拓撲
結構，如二極管箝位型拓撲結構、級聯(lián)H橋型拓撲結構、飛跨電
容型拓撲結構等。不可控整流橋使輸入側電流嚴重畸變，可采
用PWM整流技術，將頻率和幅值變化的交流電整流成恒定直
流，如雙饋風電系統(tǒng)中普遍采用的PWM整流后接電壓源型
PWM逆變器型拓撲結構，如圖2所示，通過解耦控制，可對并網(wǎng)
功率因數(shù)進行有效校正 。
圖1 不控整流-Boost電路一電壓源逆變器拓撲
PWM整流器PWM逆變器
圖2 PWM 整流-PWM 逆變器拓撲
2．3 加裝電力濾波器 ]
濾波器是外部諧波補償裝置，可動態(tài)抑制諧波和補償
無功，改善和提高電能品質。如僅需阻止某個特定頻率，
不使它進入選定的設備元件或電力系統(tǒng)的某些部分，可采
用由電感、和電容并聯(lián)組成的串聯(lián)濾波器，但其不能消除
諧波源產生的諧波。靜止變流器通常采用低阻抗并聯(lián)通
路阻止諧波電流進入電網(wǎng)。在電力系統(tǒng)中某點裝設無源
電力濾波器(PPF)，對整個系統(tǒng)一般均有益。但系統(tǒng)參數(shù)
對PPF的濾波特性影響較大，其只能消除特定的幾次諧
波，且濾波器和系統(tǒng)阻抗并聯(lián)組合可能發(fā)生諧振，增加波
形畸變。有源電力濾波器(APF)是20世紀80年代興起
的諧波抑制新技術，可動態(tài)補償特殊非線性負荷的諧波，
主要有串聯(lián)型、并聯(lián)型和混合型三種結構。與無源濾波器
相比，APF無共振現(xiàn)象，系統(tǒng)結構的變化不影響補償效
果，能同時完成各次諧波的補償。由于實際上只在有些情
況下電源及其阻抗的組合可視為電流源，因此串聯(lián)型APF
只是一種理論上的情形 。廣泛采用的并聯(lián)型APF基
本結構如圖3所示，通過檢測i 中需要補償?shù)闹C波量計
算得到補償電流參考值 ，控制補償器從系統(tǒng)汲取補償
電流i。從而抵消諧波電流。隨著電力電子技術和控制技
術的進步，APF性能不斷提高，成本不斷降低。目前，大功
率濾波裝置一般采用APF與LC無源濾波器并聯(lián)的混合
結構，以減小APF的容量，降低成本、提高效率。
圖3 并聯(lián)型APF基本結構
· 157·
· 電氣技術與自動化· 馬飛，等·并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術的發(fā)展
2．4 采用功率因數(shù)校正技術[ ]
根據(jù)是否用有源器件，功率因數(shù)校正(PFC)分為無源功
率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正(APFC)。PPFC是
傳統(tǒng)補償無功和抑制諧波的主要手段，得到了廣泛應用。如
圖4所示，典型的PPFC在二極管整流橋后接一個電感、電容
構成的無源濾波網(wǎng)絡，以抑制輸入電流諧波。
r
{牛]I[ +l
r
圖4 PPFC變換器
PPFC技術具有結構簡單、成本低、可靠性高、不無需
控制電路、電磁干擾小等優(yōu)點，但體積較大，抑制效果隨工
作條件變化，且難以得到高功率因數(shù)(一般可提高到0．9
左右)。PPFC主要適用于要求成本低、對體積沒太大限
制的小功率應用場合。
APFC在整流器和負載間接人DC—DC開關變換器，
應用電流反饋技術使輸入電流波形接近正弦波且與輸入
電壓同相位，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。目前，單相APFC技術
最為成熟。圖5為單級式APFC模型。三相六開關APFC
電路，典型的為Boost APFC升壓型拓撲結構，如圖6，該電
路工作在電感電流連續(xù)模式(CCM)，每相電流可通過與
該相連接的橋臂上的兩只主開關進行控制，其控制電路由
電壓外環(huán)、電流內環(huán)和PWM發(fā)生器構成。該電路能使輸
入電流的THD小，功率因數(shù)為1，效率高，且能實現(xiàn)能量的
雙向傳遞，適合于中、大功率場合應用。變速恒頻雙饋風
力發(fā)電機的轉子與電網(wǎng)間采用兩個背靠背的PWM變換
器作為其轉子交流勵磁變換器，其網(wǎng)側PWM變換器的拓
撲與三相六開關APFC主電路相同，因此，可將無功檢測、
補償控制與風電并網(wǎng)控制統(tǒng)一控制。
圖5 單級APFC模型
2．5 優(yōu)化系統(tǒng)的控制策略 ‘鋤】
對風電機組中的整流、逆變裝置的有效控制直接關系
到系統(tǒng)穩(wěn)定運行和電能質量。PWM技術在電力電子裝置
中得到廣泛應用，主要有正弦脈寬調制(SPWM)、空間矢
量調制(SVM)、單周期控制(OCC)方法、空間矢量滯環(huán)技
術及載波相移技術等。SVM和SPWM實現(xiàn)方便，運算量
小，穩(wěn)定性好，精度高。OCC方法在單相功率因數(shù)校正中
應用成熟，在三相電路中也有較多應用，如有源濾波器、并
· 158 ·
圖6 三相六開關BoostAPFC電路
R
網(wǎng)逆變器、PFC整流器及STATCOM等。
APFC控制策略中典型的有峰值電流控制(PCMC)
法、平均電流控制(ACMC)法、滯環(huán)電流控制(HCC)法、脈
動電流面積控制法及電壓跟蹤法。其中，ACMC法具有跟
蹤誤差小、瞬態(tài)特性好、THD和電磁幅射干擾(EMI)小、
穩(wěn)定性高等優(yōu)點，應用廣泛。傳統(tǒng)的滯環(huán)控制實現(xiàn)簡單，
能自動限制峰值，動態(tài)響應快，但開關頻率在一個周期內
不恒定，易引起EMI問題和增加開關損耗。空問矢量滯
環(huán)技術在保留傳統(tǒng)滯環(huán)控制優(yōu)點的基礎上，降低了開關頻
率，提高了魯棒性。APFC電路具有非線性、周期時變的
特點，常規(guī)的控制器(如PID)難以實現(xiàn)理想的控制要求，
單周期控制、滑模變結構控制、無差拍控制、模糊控制、神
經(jīng)網(wǎng)絡控制及預測電流控制等新型控制技術引入APFC
具有實際意義。單周期控制是2O世紀90年代由美國學
者提出的一種新型非線性控制技術，具有調制和控制的雙
重性，無需乘法器，在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)中，均能保持控制量的平
均值等于或正比于控制參考信號，具有響應快、開關頻率
恒定、魯棒性強等優(yōu)點 J。電力電子器件高頻開關切
換所產生的不連續(xù)性使各類電力電子變換器被描述為變
結構系統(tǒng)，在變結構系統(tǒng)中采用滑模變結構控制可保證系
統(tǒng)的魯棒性，有效協(xié)調輸入電流穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)
特性之間的矛盾 。 。文獻[35]對APFC系統(tǒng)中常規(guī)滑
模、三角滑模及PWM準滑模這三種不同的滑模控制方法
進行了研究，給出了PWM控制系統(tǒng)的非線性和大信號的
設計方法。模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制等智能控制方法不
依賴于或不完全依賴于系統(tǒng)的數(shù)學模型，具有很好的快速
性和魯棒性。預測電流控制可快速準確跟蹤參考電流，動
態(tài)特性好，且開關頻率恒定，電流諧波小 。
目前，雙饋風力發(fā)電機組的勵磁控制主要應用了矢量控
制、多標量勵磁控制及雙通道多變量反饋勵磁控制策略。通
過調節(jié)發(fā)電機轉子電流大小、頻率和相位進行轉速調節(jié)，實
現(xiàn)最大風能跟蹤控制，同時靈活調節(jié)有功、無功功率，抑制諧
波，提高功率因數(shù)。隨著控制理論研究的深入，從系統(tǒng)的能
量人手，可實現(xiàn)系統(tǒng)全局穩(wěn)定性的無源控制理論在非線性系
統(tǒng)控制中受到關注，其對系統(tǒng)參數(shù)變化及外來攝動有較強的
魯棒陛，在風電系統(tǒng)控制中具有應用前景。
3 展望 4 -鈣]
近年來，世界各國紛紛將可再生能源作為能源發(fā)展戰(zhàn)
略的重要組成部分。按照國家風電發(fā)展規(guī)劃，2020年，我
國風電裝機容量有望達到1．5億kW[41]。隨著風電機組
裝機容量的增大，消耗在半導體上的功率非?？捎^，制約
http：#ZZHD．chinajourna1．net．cn E-mail：ZZHD@chainajouma1．net．cn《機械制造與自動化》
· 電氣技術與自動化· 馬飛，等·并網(wǎng)風電系統(tǒng)功率因數(shù)校正技術的發(fā)展
著電力電子裝置在大功率場合中的應用，中大功率的電力
電子設備在電網(wǎng)中占有很大比重，這方面是PFC研究的
重心 。風力發(fā)電并網(wǎng)控制及無功補償、功率因數(shù)校正
統(tǒng)一控制是風電系統(tǒng)控制技術的重要課題，其中，單周期
控制、滑模變結構控制、智能控制(模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控
制)、無源控制等新型非線性控制策略的研究值得關注，
隨著數(shù)字處理器速度的大幅提高，數(shù)字控制技術在風電并
網(wǎng)功率因數(shù)校正中的應用將越來越重要。
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收稿日期：2012一O1—09
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