風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)及電能質(zhì)量控制的相關(guān)探討

米凌志

【摘 要】風(fēng)力作為一種清潔可再生能源，在發(fā)電行業(yè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)成為新能源發(fā)電重要的發(fā)展趨勢(shì)之一。論文圍繞風(fēng)力發(fā)電展開(kāi)討論，通過(guò)典型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，并探討了風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)技術(shù)及其對(duì)電能質(zhì)量的影響，最后總結(jié)了風(fēng)力發(fā)電模式下電能質(zhì)量的控制策略。

【Abstract】As a clean and renewable energy， wind has important application value in the power industry， wind power generation has become one of the new energy power generation development trend. The paper focuses on wind power generation， and analyzes the wind power generation technology through typical wind power generation system， and discusses the grid connected technology of wind power generation and its influence on power quality， finally， sums up the control strategy of the power quality of the wind power generation mode.

【關(guān)鍵詞】風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)技術(shù)；電能質(zhì)量；控制策略

【Keywords】 wind power generation； grid connected technology； power quality； control strategy

【中圖分類號(hào)】TM315 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2017）08-0149-02

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度讓眾多發(fā)達(dá)國(guó)家望塵莫及，其中風(fēng)電和光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)尤甚。從2003年開(kāi)始，我國(guó)的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)進(jìn)入了較快的成長(zhǎng)階段，到2015年底，全國(guó)風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)達(dá)到1.29億千瓦，年發(fā)電量1863億千瓦時(shí)，占全國(guó)總發(fā)電量的3.3%。但是，風(fēng)力發(fā)電容易受到自然因素的影響，具有一定的隨機(jī)性和波動(dòng)性，在接入配電網(wǎng)絡(luò)后容易產(chǎn)生風(fēng)電穿透功率，增加風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行調(diào)度難度，進(jìn)而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，例如電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生諧波污染、電壓波動(dòng)等，新能源企業(yè)如何抓住機(jī)遇、走出困境成為一個(gè)值得深入研究的重要課題。

2 風(fēng)力發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)

2.1 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)、功率變換器、測(cè)量與控制系統(tǒng)等幾大部分，如圖1所示。風(fēng)力發(fā)電的基本原理是：風(fēng)力機(jī)中的風(fēng)輪能夠采集和吸收風(fēng)力能源，在這個(gè)過(guò)程中外界風(fēng)力作用在槳葉上具有一定的功角和速度，從而使得槳葉產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能和機(jī)械能之間的轉(zhuǎn)換。之后，通過(guò)永磁同步發(fā)電機(jī)將這部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，發(fā)電機(jī)輸出的電能還需要電力電子變化器才能夠輸入到并聯(lián)的電力網(wǎng)絡(luò)中，從而為主電力系統(tǒng)提供輔助電能。

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圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)就是確保風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出的電力能源的電壓與被接入電網(wǎng)的電壓在幅值、相位、頻率等方面能夠保持一致，從而使得風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后，整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)能夠趨于安全、穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。目前，常見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)包括以下兩種：

2.2.1 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)組并網(wǎng)技術(shù)主要是利用同步發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)有功功率和無(wú)功功率的同步輸出，從而使得電能周波頻率呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，電能質(zhì)量也相應(yīng)提升。由于風(fēng)力能源的波動(dòng)性較為明顯，同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在發(fā)電過(guò)程中，容易受到風(fēng)速不穩(wěn)等因素的干擾，使得同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)幅度較大的波動(dòng)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)調(diào)速性能造成影響，導(dǎo)致并網(wǎng)精確度降低，難以滿足風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的高質(zhì)量要求。在同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)中必須要綜合考慮這些問(wèn)題，可以采取在同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間安裝變頻器等措施，避免電力系統(tǒng)無(wú)功振蕩或失步問(wèn)題，進(jìn)而提升同步風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)水平[1]。

2.2.2 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)組并網(wǎng)技術(shù)的基本原理是：根據(jù)轉(zhuǎn)差率的基本原理，對(duì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相近時(shí)，就可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組與配電網(wǎng)的并網(wǎng)。在并網(wǎng)過(guò)程中，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)并不需要安裝同步設(shè)備，只需要采用異步發(fā)電機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)同步轉(zhuǎn)速并網(wǎng)，有效避免了失步、振蕩等問(wèn)題，電網(wǎng)并網(wǎng)后的運(yùn)行質(zhì)量也得到了提升。但是，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)具有一定的缺陷，因?yàn)楫惒桨l(fā)電機(jī)在并網(wǎng)操作中會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，如果沖擊電流過(guò)大，將會(huì)降低電網(wǎng)的電壓水平，不利于電網(wǎng)的安全運(yùn)行。在異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中，必須采取一定的無(wú)功補(bǔ)償措施，進(jìn)而避免磁路飽和、無(wú)功激磁電流增大等問(wèn)題。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

3.1 引入諧波

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)往往會(huì)引入一系列的諧波，一般包括以下幾種可能：第一，風(fēng)力電源本身形成諧波源；第二，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中應(yīng)用到的逆變器產(chǎn)生諧波，這些原因都可能產(chǎn)生較多的諧波引入，從而影響整個(gè)電網(wǎng)的電能質(zhì)量。此外，目前大部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通過(guò)軟并網(wǎng)方式完成并網(wǎng)，在這個(gè)過(guò)程中，容易產(chǎn)生較大的沖擊電流，當(dāng)外界風(fēng)速超出切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)跳出額定處理狀態(tài)，嚴(yán)重影響并入電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

3.2 造成電壓閃變和波動(dòng)

風(fēng)力能源是一種自然資源，在進(jìn)行發(fā)電過(guò)程中容易造成電網(wǎng)電壓閃變和波動(dòng)。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)連接過(guò)程中，如果配電變壓器十分接近連接位置時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的接入對(duì)整個(gè)電網(wǎng)造成的電壓閃變影響較小；但是，當(dāng)配電變壓器遠(yuǎn)離連接位置時(shí)，饋線周圍的電壓將會(huì)產(chǎn)生較大幅度的波動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致電力設(shè)備的損害，影響其正常工作狀態(tài)。此外，風(fēng)力發(fā)電的接入，引起電網(wǎng)電壓的提升，尤其是目前風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用較多的是異步電機(jī)，這種發(fā)電機(jī)在構(gòu)建旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的時(shí)候無(wú)功功率會(huì)有所消耗，這些功率分布對(duì)整個(gè)電壓有巨大的影響，在這些發(fā)電大規(guī)模的入網(wǎng)之后，就會(huì)將很大一部分無(wú)功功率消耗掉，這會(huì)讓線路上面的壓降提高[2]。endprint

4 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量控制策略

4.1 有效抑制諧波

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中可以利用靜止無(wú)功補(bǔ)償器對(duì)諧波危害進(jìn)行抑制。常見(jiàn)的靜止無(wú)功補(bǔ)償器包括可投切電容器、電抗器、諧波濾波裝置等。靜止無(wú)功補(bǔ)償器的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)速度較快，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤并網(wǎng)后的無(wú)功功率變化情況，對(duì)風(fēng)速不穩(wěn)造成的電壓不穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行大幅度調(diào)節(jié)，從而有效消除諧波，進(jìn)而提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 電壓閃變和波動(dòng)的抑制

4.2.1 應(yīng)用有源電力濾波器

采用有源電力濾波器是抑制電壓閃絡(luò)的有效手段，在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，實(shí)時(shí)補(bǔ)償無(wú)功電流，從而有效穩(wěn)定符合電流的波動(dòng)情況。有源電力濾波器的主要構(gòu)造包括電力晶體管和可關(guān)斷晶閘管，大部分屬于可關(guān)斷的電力器件，可以利用電子控制器取代傳統(tǒng)電源作用，通過(guò)發(fā)出畸變電流，從而保障系統(tǒng)為負(fù)荷發(fā)出穩(wěn)定的正弦基波電流[3]。有源電力濾波器不僅響應(yīng)迅速，還能夠快速進(jìn)行電壓閃變補(bǔ)償，從而有效控制電能質(zhì)量，降低電壓波動(dòng)，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2.2 應(yīng)用動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器

將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并入到中低壓配電網(wǎng)中，由于有功功率變化造成的電壓閃變十分明顯，因此，在加強(qiáng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)還需要進(jìn)行瞬時(shí)有功功率的補(bǔ)償操作，這就需要對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行更新，利用具有儲(chǔ)能單元的補(bǔ)償裝置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的有效改善。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器正是滿足以上要求的重要裝置，可以在非常精確的時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)電壓的傳輸，從而有效解決電壓波動(dòng)的問(wèn)題，為用戶提供更加高質(zhì)量的電能。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，科技的發(fā)展推動(dòng)了新能源事業(yè)的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)將得到全面發(fā)展，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)容量的提升，其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量產(chǎn)生的影響也會(huì)更加明顯，為提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的安全性、穩(wěn)定性，相關(guān)單位要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究，有效處理諧波、電壓閃變以及波動(dòng)等問(wèn)題，進(jìn)而確保電網(wǎng)電能質(zhì)量，促進(jìn)整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

【參考文獻(xiàn)】

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