淺析風力發(fā)電并網技術及電能質量控制策略

許湘如

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

淺析風力發(fā)電并網技術及電能質量控制策略

許湘如

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

風力發(fā)電網技術主要包含兩種：①同步風力發(fā)電機組并網技術；②異步風力發(fā)電機組并網技術。前者還處于研究階段，只是大規(guī)模試用，而后者應用范圍比較廣，但是運用期間需要注意的問題比較多。

風力發(fā)電并網技術；電能質量；控制策略

1 引言

風能資源是可再生的潔凈無污染資源，是最具有開發(fā)性的資源之一，隨著我國風力發(fā)電技術的提高，我國已經從小型風力發(fā)電技術發(fā)展到了大型風力發(fā)電機組并網技術。在發(fā)電過程中，采用大型風力發(fā)電機組并網運行有利于加強風力資源利用，提高發(fā)電效率，節(jié)約發(fā)電成本，有效保障電能質量。

2 風力發(fā)電并網技術

2.1 同步風力發(fā)電機組并網技術

同步風力發(fā)電機組，實際上就是同步發(fā)電機與風力發(fā)電機的有機融合。同步發(fā)電機運行期間，不但可以輸出有功功率，還能夠提供無功功率，與此同時，還可以保證周波穩(wěn)定，整體電能質量明顯提升，因此我國很多電力系統(tǒng)中都選擇應用同步發(fā)電機。如何能夠將同步發(fā)電機與風力發(fā)電機有機融合，一直是電力專家學者重點研究的對象。絕大多數情況下，因為風速波動比較明顯，會使得轉子轉矩出現大幅度波動，這就會使得并網調速無法滿足同步發(fā)電機的精度要求。如果并網之后，工作人員未能充分的考慮到上述問題，尤其是重載運行時，整個系統(tǒng)非常有可能出現無功振蕩，也正是因為此，同步發(fā)電機一直都未得到大規(guī)模的應用。隨著變頻裝置的研發(fā)與應用，上述問題已經得到了很好的解決。

2.2 異步風力發(fā)電機組并網技術

異步風力發(fā)電機對調速精度要求不高，既不需要同步設備，也不需要整步操作，轉速與同步轉速基本上保持一致或者是不要相差過大即可。風力發(fā)電機與異步風力發(fā)電機有機融合之后，整體的控制裝置并不復雜，并網之后基本上不會再出現無功振蕩或者是失步問題，整體運行非常安全可靠。不過，異步發(fā)電機機組并網并不容易，需要解決很多問題。如果風力發(fā)電機與異步風力發(fā)電機直接并網，很有可能發(fā)生大沖擊電流，此時電壓會降低，這就導致電力系統(tǒng)容易出現運行隱患。與此同時，電力系統(tǒng)自身還存在無功補償問題，而如果又發(fā)生磁路飽和現象，則無功激磁電流會進一步的增加，功率因素會因此明顯降低。因此為了確保異步風力發(fā)電機組并網后能夠安全運行，有關部門必須加強監(jiān)督，采取預防策略。

3 風力發(fā)電機并網及運行試驗

3.1 軟并網功能試驗

將機組主軸升速，當異步發(fā)電機轉速達到同步速的92～99%時，啟動并網接觸器，雙向晶閘管的導通角從0°逐漸增大到180°，調整晶閘管導通角打開速率，將沖擊電流控制在技術條件內的規(guī)定值范圍內。

3.2 動態(tài)無功補償裝置功能特性測試試驗

在機組并網運行過程中，可以通過調整發(fā)電機的輸出功率，觀察不同負載條件下電容補償投切動作。對于動態(tài)無功補償裝置功能特性測試試驗，需要選擇在風電小發(fā)工況或者風電大發(fā)工況下進行。

在風電小發(fā)工況下，風電場送電線路充電功率較多，此時適合感性無功補償試驗。在風電大發(fā)工況下，無功損耗最大，此時可以進行容性無功補償試驗。

3.3 風電機組低電壓穿越能力測試試驗

風機故障穿越能力檢測系統(tǒng)原理如圖1所示。限流電抗用于限制電壓跌落對電網及風電場內其他在運行風力發(fā)電機組的影響。在測試試驗時，應該綜合考慮實際情況，合理調整限流電抗阻值，避免對電網造成不良影響。在電壓跌落發(fā)生前后，限流電抗可以利用旁路開關短接。短路電抗閉合短路開關，將短路電抗三相或兩相相互連接，通過模擬電網故障在測試點產生要求的電壓跌落。限流電抗和短路電抗的阻值都是可以調節(jié)的，在測試試驗時，可以通過調節(jié)電抗阻值產生不同深度的電壓跌落。

圖1 風電機組低電壓穿越檢測原理圖

具體的測試檢測方法如下：風機停機，箱變停電，將檢測設備DIPGEN串聯接入被測風機與箱變低壓側之間。箱變上電，合DIPGEN內部變壓器、UPS開關及其他輔助開關，給DIPGEN的控制開關、控制面板等供電。不帶風機進行空載試驗。合風機內部斷路器，使風機并網運行。風機輸出功率額定功率時，進行小風工況的測試。當風機輸出功率大于90%額定功率時，進行大風工況的測試。

3.4 風電場電能質量測試試驗

風電場停運期間，檢測并網點的背景長時間閃變、各次諧波電壓及電壓總諧波畸變率。風電場正常運行時，檢測每個功率區(qū)間并網點的長時間閃變、各次諧波電流、諧波電壓，給出風電場引起的諧波電流的95%值。

4 風力發(fā)電并網技術對電能質量造成的影響

4.1 電壓波動以及閃變

對于風力發(fā)電造成的電壓波動及閃變，它的根源在于并網風電機組輸出功率的波動。受到風剪切、塔影效應以及偏航誤差這些因素的影響，葉輪進行旋轉之時，轉矩不能穩(wěn)定，進而讓風電機組的輸出功率出現波動，同時該波動伴隨著湍流強度的變大而變大。主要的切換操作有風電機組啟動、發(fā)電機組的停止以及它的切換機組進行切換操作之時，切換操作可能造成功率波動，進而導致風電機組端點與別的節(jié)點電壓發(fā)生波動、閃變。影響電壓發(fā)生波動、閃變的其他因素包括：①并網點短路容量。隨著短路容量的變大，閃變值變小。②風速。閃變值由于風速加大而變大，在風速到達額定值之時閃變值便降低湍流強度。隨著湍流強度的加大，閃變值增大，網絡阻抗角。閃變值隨著阻抗角進行改變的曲線之中，阻抗角處于60～70°之時出現拐點。于拐點前，阻抗角度變大，而閃變值變小，于拐點后，阻抗角度變大，同時閃變值變大。

電壓閃變其實為電壓發(fā)生波動的獨特反映，閃變的嚴重度和負荷改變導致的電壓變動有關系，于高電壓或者中壓配電網之內，電壓波動一般和無功負荷的變化量、電網的短路容量存在關聯。電網短路容量保持一定時，電壓閃變因為無功負荷的大力變動導致，所以針對電壓閃變進行抑制，可以進行靜止無功補償裝置的安設，當今此方面的技術較為成熟。實施補償之時，應運用響應時間短以及能直接補償負荷的無功沖擊電流、諧波電流的補償器。

4.2 諧波

諧波問題即為風電并網造成的一個電能質量問題。風電并網常出現諧波污染：①產生在風力發(fā)電機之中，由于經常運使用具有變頻功能的變速恒頻風力發(fā)電機，發(fā)電機組出現的交流電通過整流—逆變裝置和電網進行連接，進而使得發(fā)電機頻率和電網的頻率互相獨立起來，電網頻率還保持不變。整流逆變一定會產生諧波污染，該諧波電流注入到電力系統(tǒng)之后，導致電網電壓發(fā)生畸變，電能質量減少。②風機的并聯補償電容器偶爾與線路電抗產生諧振。

5 風力發(fā)電電能質量控制策略

5.1 諧波的抑制

使用靜止無功補償器可以抑制諧波，該設備主要是由電抗器、諧波過濾裝置等共同構成。靜止無功補償器最顯著的特征就是具有非常強的反應能力，可以對無功功率進行監(jiān)測，而且還能夠對電壓變化進行實時的調整，以此濾除諧波，保證風電發(fā)電電能質量。

5.2 電壓波動與閃變抑制

（1）有源電力濾波器。電壓閃變是影響風力發(fā)電電能質量的重要因素。當電壓閃變發(fā)生時，工作人員應該在負荷電流急劇波動時，能夠完成無功電流的補償工作。有源電力濾波器的作用就在于此，該設備優(yōu)勢突出，具有快速響應能力，補償容量小，最為重要的是運行過程中，具有非常強的控制力，所以對控制電壓波動具有積極的作用。

（2）動態(tài)電壓恢復器。有功功率出現迅速波動情況，也會使得電壓發(fā)生閃變，此時就要求補償裝置既要對無功功率加以補償，又要對有功功率加以補償。動態(tài)電壓恢復器中有儲能單元，可以在非常短的時間內向系統(tǒng)傳輸電壓，解決電壓波動問題。目前，動態(tài)電壓恢復器已經得到了廣泛應用，是現如今風力發(fā)電電能質量控制的最主要手段。

（3）統(tǒng)一電能質量控制器。如果既要對電壓加以補償，又要對電流加以補償，則就選擇應用綜合類補償裝置，而統(tǒng)一電能質量控制器就是典型的綜合類補償裝置。該裝置可以將串聯、并聯有效的融合起來，以便用戶能夠解決綜合補償問題，應用廣泛。

6 結語

綜上所述，風力發(fā)電并網技術對于電能質量造成的影響關鍵在于電壓閃變、波動以及諧波污染，必須采取有效措施，安裝靜止無功補償器、有源電力濾波器、動態(tài)電壓恢復器以及統(tǒng)一電能質量控制器，確保風電場和電網能夠穩(wěn)定運行。

[1]榮欣，武國瑜.風力發(fā)電并網技術及電能質量控制策略[J].城市建設理論研究：電子版，2014（02）：185～186.

[2]侯新彪.探討風力發(fā)電并網技術及電能質量控制策略[J].城市建設理論研究：電子版，2013（05）：39～41.

[3]王旭，劉建權.風力發(fā)電并網技術研究[J].城市建設理論研究：電子版，2013（06）：82～83.

TM614

A

1004-7344（2016）06-0098-02

2016-2-10

許湘如（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事風力發(fā)電等工作。