風(fēng)電場提高電壓無功協(xié)調(diào)控制及低電壓穿越能力的研究

董明知

摘 要：在我國電力事業(yè)發(fā)展過程中，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)扮演著重要的角色，本文介紹了此系統(tǒng)的概況，重點(diǎn)分析了風(fēng)電場電壓無功協(xié)調(diào)控制及其低電壓穿越能力，旨在推動(dòng)風(fēng)電場發(fā)展，促進(jìn)風(fēng)能資源高效利用。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)電場 協(xié)調(diào)控制 低電壓 穿越

在社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展過程中，電力系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性得到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注。由于我國擁有豐富的風(fēng)能資源，在先進(jìn)技術(shù)支持下，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電場的規(guī)模不斷擴(kuò)大，在其接入電力系統(tǒng)后，造成了一定的安全隱患，同時(shí)在并網(wǎng)過程中，還受控制技術(shù)的制約，在此情況下，風(fēng)電場并網(wǎng)發(fā)展困難重重。根據(jù)并網(wǎng)實(shí)踐可知，脫網(wǎng)事故的發(fā)生率相對(duì)較高，其成因主要為風(fēng)電場缺少低電壓穿越能力。為了逐步提高我國電網(wǎng)的可靠性，對(duì)風(fēng)電場的各個(gè)方面均提出了較高的要求，本文主要探討了其電壓無功協(xié)同控制與低電壓穿越能力，旨在為我國電力事業(yè)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)概況

目前，能源緊缺問題制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為了提高能源利用率，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整及可再生能源的開發(fā)利用得到了人們的高度關(guān)注。風(fēng)能資源作為可再生能源，其具有較大的開發(fā)潛力。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國風(fēng)電開發(fā)規(guī)模日漸擴(kuò)大，但在其發(fā)展過程中，受風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)控制技術(shù)的限制，風(fēng)電場并網(wǎng)問題日漸凸顯。根據(jù)調(diào)查可知，風(fēng)電系統(tǒng)缺少穩(wěn)定性，安全事故發(fā)生率相對(duì)較高，通過分析可知，各類事故發(fā)生的原因主要為電網(wǎng)失壓，同時(shí)風(fēng)電場自身也存在一系列的問題，如：低電壓穿越、無功補(bǔ)償、變流器故障等，特別是偏低的低電壓穿越能力，導(dǎo)致風(fēng)電場時(shí)常出現(xiàn)脫網(wǎng)事故。

為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的高效利用，促進(jìn)風(fēng)電場的有序發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者均十分關(guān)注風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究。當(dāng)前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制技術(shù)主要有定槳距失速調(diào)節(jié)技術(shù)、主動(dòng)失速調(diào)節(jié)技術(shù)、變槳距調(diào)節(jié)技術(shù)與變速恒頻技術(shù)。雖然技術(shù)研究日漸深入，但風(fēng)電場并網(wǎng)問題仍未能得到解決，特別是薄弱的并網(wǎng)結(jié)構(gòu)、偏低的自控技術(shù)等，此時(shí)發(fā)電機(jī)組缺少低電壓保護(hù)動(dòng)作，進(jìn)而使各類事故頻發(fā)。對(duì)于風(fēng)電場而言，實(shí)際運(yùn)行過程中難以保證電能質(zhì)量，同時(shí)并網(wǎng)后還會(huì)降低電壓的穩(wěn)定性，為了有效解決此問題，本文重點(diǎn)探討了風(fēng)電場的電壓無功協(xié)調(diào)控制及其低電壓穿越能力。

2 風(fēng)電場電壓無功協(xié)調(diào)控制及低電壓穿越能力

2.1 風(fēng)電場特性

對(duì)于風(fēng)電場而言，其具有一定的特殊性，主要表現(xiàn)為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)、較遠(yuǎn)的送出線路距離、較大的總裝機(jī)容量等，為了滿足風(fēng)電場并網(wǎng)的需求，應(yīng)對(duì)其無功補(bǔ)償配置、無功補(bǔ)償協(xié)調(diào)等問題展開研究，通過分析，以此獲取最優(yōu)協(xié)調(diào)控制策略。

2.2 風(fēng)電場無功功率需求

由于風(fēng)能具有隨機(jī)性與不可控性，致使風(fēng)機(jī)輸出電能呈現(xiàn)出了明顯的隨機(jī)性、波動(dòng)性與不穩(wěn)定性，隨之出現(xiàn)了電壓波動(dòng)及閃變等問題。在風(fēng)電場規(guī)模不斷擴(kuò)大基礎(chǔ)上，并網(wǎng)問題日漸嚴(yán)峻，為了保證我國電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定，對(duì)風(fēng)力發(fā)電提出了較高的要求，在正常運(yùn)行的前提下，其應(yīng)具備較高的無功控制能力，而在故障條件下，其應(yīng)具備一定的穿越能力。通常情況下，風(fēng)電場無功功率需求是由風(fēng)機(jī)、輸電線路、變壓器等構(gòu)成的，根據(jù)發(fā)展實(shí)踐可知，常見恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于其具有無功特性，因此，難以滿足無功功率補(bǔ)償要求，嚴(yán)重情況下，甚至?xí)绊戨娔苜|(zhì)量；同時(shí)，變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的應(yīng)用頻率也相對(duì)較高，它借助控制策略，擁有了一定的電壓控制能力，但其自身的無功補(bǔ)償能力偏低。在并網(wǎng)后，風(fēng)電場將對(duì)電壓造成一定的影響，通過分析，其原因主要為風(fēng)電場缺少無功補(bǔ)償，為了有效解決此問題，風(fēng)電場應(yīng)積極利用無功電源配置，如：新型風(fēng)機(jī)，同時(shí)電網(wǎng)企業(yè)應(yīng)注重網(wǎng)架建設(shè)與無功儲(chǔ)備。

2.3 風(fēng)電場電壓無功協(xié)調(diào)控制

當(dāng)前風(fēng)電場中使用數(shù)量最多的發(fā)電機(jī)有兩種，一種為永磁驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)，另一種為雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，二者均可在一定范圍內(nèi)輸出有功與無功功率。在研究過程中，對(duì)前者給予變流器瞬間功率平衡理論，對(duì)后者給予變流器SVPWM控制技術(shù)，在此基礎(chǔ)上，保證了風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功支撐能力的充分發(fā)揮。在研究風(fēng)電場電壓無功協(xié)調(diào)控制時(shí)，應(yīng)明確其低電壓運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電壓則會(huì)跌落，在此期間，風(fēng)機(jī)低電壓運(yùn)行可以顯示在兩方面，一方面為電壓跌落，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行需要經(jīng)歷正常運(yùn)行到低電壓運(yùn)行；另一方面為電壓恢復(fù)，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行需要經(jīng)歷低電壓運(yùn)行到正常運(yùn)行，為了了解其中的相關(guān)量，可開展仿真試驗(yàn)分析，從而掌握風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓運(yùn)行特性。在此基礎(chǔ)上，要對(duì)風(fēng)電場無功整定與分配，同時(shí)要對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)電場間無功協(xié)調(diào)控制方法進(jìn)行優(yōu)化，從而明確其協(xié)調(diào)控制方法，即：電壓分層控制方法，同時(shí)研究，不僅可以促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)無功調(diào)節(jié)能力的提高，同時(shí)，在低電壓穿越運(yùn)行情況下，也可保證電壓的穩(wěn)定性。

2.4 測試結(jié)果

在研究中，利用移動(dòng)式低電壓穿越設(shè)備，比較風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越測試結(jié)果，其結(jié)果顯示在電壓跌落期間，風(fēng)機(jī)在滿足各項(xiàng)規(guī)范要求基礎(chǔ)上，仍可穩(wěn)定運(yùn)行，提供了必要的無功支撐，通過分析可知，直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器瞬間功率平衡控制策略，可促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越能力提高；雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器SVPWM控制策略，促進(jìn)了系統(tǒng)故障穿越適應(yīng)能力提高；同時(shí)，利用短路試驗(yàn)，對(duì)低電壓穿越能力進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果進(jìn)一步明確了風(fēng)電場電壓無功協(xié)調(diào)控制策略的有效性。

3 總結(jié)

綜上所述，在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展過程中，其開發(fā)利用、控制技術(shù)、并網(wǎng)問題等吸引了眾多學(xué)者，通過不斷研究，促進(jìn)了風(fēng)能資源的高效利用，提高了控制水平，但在并網(wǎng)發(fā)展過程中，其中的無功協(xié)調(diào)控制與低電壓穿越能力仍需進(jìn)一步提高。本文分析了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的概況，重點(diǎn)分析了風(fēng)電場電壓無功協(xié)調(diào)控制及低電壓穿越能力研究的必要性及具體內(nèi)容，相信，隨著相關(guān)研究的日漸深入，風(fēng)電場的并網(wǎng)發(fā)展成效將更加顯著，進(jìn)而我國電力事業(yè)發(fā)展也將更加穩(wěn)定與安全。

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作者單位

三峽新能源利川風(fēng)電有限公司 湖北省恩施土家族苗族自治州利川市 445400