許湘如

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

淺析風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能質(zhì)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(fēng)力發(fā)電網(wǎng)技術(shù)主要包含兩種：①同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)；②異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)。前者還處于研究階段，只是大規(guī)模試用，而后者應(yīng)用范圍比較廣，但是運(yùn)用期間需要注意的問題比較多。

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)；電能質(zhì)量；控制策略

1 引言

風(fēng)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(guó)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的提高，我國(guó)已經(jīng)從小型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展到了大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)。在發(fā)電過程中，采用大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行有利于加強(qiáng)風(fēng)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(zhì)量。

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

2.1 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)

同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，實(shí)際上就是同步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的有機(jī)融合。同步發(fā)電機(jī)運(yùn)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(shí)，還可以保證周波穩(wěn)定，整體電能質(zhì)量明顯提升，因此我國(guó)很多電力系統(tǒng)中都選擇應(yīng)用同步發(fā)電機(jī)。如何能夠?qū)⑼桨l(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)融合，一直是電力專家學(xué)者重點(diǎn)研究的對(duì)象。絕大多數(shù)情況下，因?yàn)轱L(fēng)速波動(dòng)比較明顯，會(huì)使得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，這就會(huì)使得并網(wǎng)調(diào)速無法滿足同步發(fā)電機(jī)的精度要求。如果并網(wǎng)之后，工作人員未能充分的考慮到上述問題，尤其是重載運(yùn)行時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)非常有可能出現(xiàn)無功振蕩，也正是因?yàn)榇?，同步發(fā)電機(jī)一直都未得到大規(guī)模的應(yīng)用。隨著變頻裝置的研發(fā)與應(yīng)用，上述問題已經(jīng)得到了很好的解決。

2.2 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)調(diào)速精度要求不高，既不需要同步設(shè)備，也不需要整步操作，轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速基本上保持一致或者是不要相差過大即可。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)有機(jī)融合之后，整體的控制裝置并不復(fù)雜，并網(wǎng)之后基本上不會(huì)再出現(xiàn)無功振蕩或者是失步問題，整體運(yùn)行非常安全可靠。不過，異步發(fā)電機(jī)機(jī)組并網(wǎng)并不容易，需要解決很多問題。如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)與異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)，很有可能發(fā)生大沖擊電流，此時(shí)電壓會(huì)降低，這就導(dǎo)致電力系統(tǒng)容易出現(xiàn)運(yùn)行隱患。與此同時(shí)，電力系統(tǒng)自身還存在無功補(bǔ)償問題，而如果又發(fā)生磁路飽和現(xiàn)象，則無功激磁電流會(huì)進(jìn)一步的增加，功率因素會(huì)因此明顯降低。因此為了確保異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)后能夠安全運(yùn)行，有關(guān)部門必須加強(qiáng)監(jiān)督，采取預(yù)防策略。

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及運(yùn)行試驗(yàn)

3.1 軟并網(wǎng)功能試驗(yàn)

將機(jī)組主軸升速，當(dāng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步速的92～99%時(shí)，啟動(dòng)并網(wǎng)接觸器，雙向晶閘管的導(dǎo)通角從0°逐漸增大到180°，調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角打開速率，將沖擊電流控制在技術(shù)條件內(nèi)的規(guī)定值范圍內(nèi)。

3.2 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置功能特性測(cè)試試驗(yàn)

在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過程中，可以通過調(diào)整發(fā)電機(jī)的輸出功率，觀察不同負(fù)載條件下電容補(bǔ)償投切動(dòng)作。對(duì)于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置功能特性測(cè)試試驗(yàn)，需要選擇在風(fēng)電小發(fā)工況或者風(fēng)電大發(fā)工況下進(jìn)行。

在風(fēng)電小發(fā)工況下，風(fēng)電場(chǎng)送電線路充電功率較多，此時(shí)適合感性無功補(bǔ)償試驗(yàn)。在風(fēng)電大發(fā)工況下，無功損耗最大，此時(shí)可以進(jìn)行容性無功補(bǔ)償試驗(yàn)。

3.3 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力測(cè)試試驗(yàn)

風(fēng)機(jī)故障穿越能力檢測(cè)系統(tǒng)原理如圖1所示。限流電抗用于限制電壓跌落對(duì)電網(wǎng)及風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)其他在運(yùn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響。在測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮實(shí)際情況，合理調(diào)整限流電抗阻值，避免對(duì)電網(wǎng)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(guān)短接。短路電抗閉合短路開關(guān)，將短路電抗三相或兩相相互連接，通過模擬電網(wǎng)故障在測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)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(diào)節(jié)的，在測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，可以通過調(diào)節(jié)電抗阻值產(chǎn)生不同深度的電壓跌落。

圖1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越檢測(cè)原理圖

具體的測(cè)試檢測(cè)方法如下：風(fēng)機(jī)停機(jī)，箱變停電，將檢測(cè)設(shè)備DIPGEN串聯(lián)接入被測(cè)風(fēng)機(jī)與箱變低壓側(cè)之間。箱變上電，合DIPGEN內(nèi)部變壓器、UPS開關(guān)及其他輔助開關(guān)，給DIPGEN的控制開關(guān)、控制面板等供電。不帶風(fēng)機(jī)進(jìn)行空載試驗(yàn)。合風(fēng)機(jī)內(nèi)部斷路器，使風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)機(jī)輸出功率額定功率時(shí)，進(jìn)行小風(fēng)工況的測(cè)試。當(dāng)風(fēng)機(jī)輸出功率大于90%額定功率時(shí)，進(jìn)行大風(fēng)工況的測(cè)試。

3.4 風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量測(cè)試試驗(yàn)

風(fēng)電場(chǎng)停運(yùn)期間，檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)的背景長(zhǎng)時(shí)間閃變、各次諧波電壓及電壓總諧波畸變率。風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行時(shí)，檢測(cè)每個(gè)功率區(qū)間并網(wǎng)點(diǎn)的長(zhǎng)時(shí)間閃變、各次諧波電流、諧波電壓，給出風(fēng)電場(chǎng)引起的諧波電流的95%值。

4 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量造成的影響

4.1 電壓波動(dòng)以及閃變

對(duì)于風(fēng)力發(fā)電造成的電壓波動(dòng)及閃變，它的根源在于并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)。受到風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)以及偏航誤差這些因素的影響，葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)之時(shí)，轉(zhuǎn)矩不能穩(wěn)定，進(jìn)而讓風(fēng)電機(jī)組的輸出功率出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)該波動(dòng)伴隨著湍流強(qiáng)度的變大而變大。主要的切換操作有風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、發(fā)電機(jī)組的停止以及它的切換機(jī)組進(jìn)行切換操作之時(shí)，切換操作可能造成功率波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組端點(diǎn)與別的節(jié)點(diǎn)電壓發(fā)生波動(dòng)、閃變。影響電壓發(fā)生波動(dòng)、閃變的其他因素包括：①并網(wǎng)點(diǎn)短路容量。隨著短路容量的變大，閃變值變小。②風(fēng)速。閃變值由于風(fēng)速加大而變大，在風(fēng)速到達(dá)額定值之時(shí)閃變值便降低湍流強(qiáng)度。隨著湍流強(qiáng)度的加大，閃變值增大，網(wǎng)絡(luò)阻抗角。閃變值隨著阻抗角進(jìn)行改變的曲線之中，阻抗角處于60～70°之時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)。于拐點(diǎn)前，阻抗角度變大，而閃變值變小，于拐點(diǎn)后，阻抗角度變大，同時(shí)閃變值變大。

電壓閃變其實(shí)為電壓發(fā)生波動(dòng)的獨(dú)特反映，閃變的嚴(yán)重度和負(fù)荷改變導(dǎo)致的電壓變動(dòng)有關(guān)系，于高電壓或者中壓配電網(wǎng)之內(nèi)，電壓波動(dòng)一般和無功負(fù)荷的變化量、電網(wǎng)的短路容量存在關(guān)聯(lián)。電網(wǎng)短路容量保持一定時(shí)，電壓閃變因?yàn)闊o功負(fù)荷的大力變動(dòng)導(dǎo)致，所以針對(duì)電壓閃變進(jìn)行抑制，可以進(jìn)行靜止無功補(bǔ)償裝置的安設(shè)，當(dāng)今此方面的技術(shù)較為成熟。實(shí)施補(bǔ)償之時(shí)，應(yīng)運(yùn)用響應(yīng)時(shí)間短以及能直接補(bǔ)償負(fù)荷的無功沖擊電流、諧波電流的補(bǔ)償器。

4.2 諧波

諧波問題即為風(fēng)電并網(wǎng)造成的一個(gè)電能質(zhì)量問題。風(fēng)電并網(wǎng)常出現(xiàn)諧波污染：①產(chǎn)生在風(fēng)力發(fā)電機(jī)之中，由于經(jīng)常運(yùn)使用具有變頻功能的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)的交流電通過整流—逆變裝置和電網(wǎng)進(jìn)行連接，進(jìn)而使得發(fā)電機(jī)頻率和電網(wǎng)的頻率互相獨(dú)立起來，電網(wǎng)頻率還保持不變。整流逆變一定會(huì)產(chǎn)生諧波污染，該諧波電流注入到電力系統(tǒng)之后，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，電能質(zhì)量減少。②風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器偶爾與線路電抗產(chǎn)生諧振。

5 風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量控制策略

5.1 諧波的抑制

使用靜止無功補(bǔ)償器可以抑制諧波，該設(shè)備主要是由電抗器、諧波過濾裝置等共同構(gòu)成。靜止無功補(bǔ)償器最顯著的特征就是具有非常強(qiáng)的反應(yīng)能力，可以對(duì)無功功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還能夠?qū)﹄妷鹤兓M(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)整，以此濾除諧波，保證風(fēng)電發(fā)電電能質(zhì)量。

5.2 電壓波動(dòng)與閃變抑制

（1）有源電力濾波器。電壓閃變是影響風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量的重要因素。當(dāng)電壓閃變發(fā)生時(shí)，工作人員應(yīng)該在負(fù)荷電流急劇波動(dòng)時(shí)，能夠完成無功電流的補(bǔ)償工作。有源電力濾波器的作用就在于此，該設(shè)備優(yōu)勢(shì)突出，具有快速響應(yīng)能力，補(bǔ)償容量小，最為重要的是運(yùn)行過程中，具有非常強(qiáng)的控制力，所以對(duì)控制電壓波動(dòng)具有積極的作用。

（2）動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器。有功功率出現(xiàn)迅速波動(dòng)情況，也會(huì)使得電壓發(fā)生閃變，此時(shí)就要求補(bǔ)償裝置既要對(duì)無功功率加以補(bǔ)償，又要對(duì)有功功率加以補(bǔ)償。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器中有儲(chǔ)能單元，可以在非常短的時(shí)間內(nèi)向系統(tǒng)傳輸電壓，解決電壓波動(dòng)問題。目前，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，是現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量控制的最主要手段。

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

6 結(jié)語

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)對(duì)于電能質(zhì)量造成的影響關(guān)鍵在于電壓閃變、波動(dòng)以及諧波污染，必須采取有效措施，安裝靜止無功補(bǔ)償器、有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器以及統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，確保風(fēng)電場(chǎng)和電網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]榮欣，武國(guó)瑜.風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能質(zhì)量控制策略[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2014（02）：185～186.

[2]侯新彪.探討風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能質(zhì)量控制策略[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2013（05）：39～41.

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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(fēng)力發(fā)電等工作。