風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能質(zhì)量控制探討

劉明宇

摘 要：現(xiàn)階段，風(fēng)能是非常關(guān)鍵的一種新能源，而且屬于可再生能源，風(fēng)能環(huán)保性能非常優(yōu)良，而且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展中也逐漸完善和成熟。但是，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中依舊存在諸多問(wèn)題，造成風(fēng)力發(fā)電不能在發(fā)電企業(yè)中廣泛應(yīng)用。該研究首先系統(tǒng)性介紹風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，闡述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)影響電能質(zhì)量的相關(guān)機(jī)制，并提出電能質(zhì)量的有效控制路徑。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)技術(shù)；電能；質(zhì)量控制

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）23-0123-02

風(fēng)力發(fā)電是環(huán)保清潔的一種可再生能源，隨著近些年風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)容量不斷擴(kuò)大，在影響電網(wǎng)系統(tǒng)方面的范圍也隨之變大。由于通常風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的位置在地廣人稀的偏遠(yuǎn)區(qū)域，而非供電網(wǎng)絡(luò)中心，所受沖擊能力比較弱[1]。因此，風(fēng)能往往會(huì)帶給配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、諧波污染和閃變等相關(guān)問(wèn)題，而且風(fēng)電隨機(jī)性同樣會(huì)給制定發(fā)電與運(yùn)行計(jì)劃帶來(lái)諸多阻礙，而風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的研究逐漸成為目前電力界所關(guān)注的普遍問(wèn)題。該研究首先系統(tǒng)性介紹風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)，闡述風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)影響電能質(zhì)量的相關(guān)機(jī)制，并提出電能質(zhì)量的有效控制路徑。

1 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)

從根本上說(shuō)，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)需要發(fā)電機(jī)輸出頻率、幅值和香味方面等同于電網(wǎng)系統(tǒng)電壓。近些年，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量不斷增加，并網(wǎng)過(guò)程中風(fēng)電沖擊電網(wǎng)的力度也會(huì)隨之增大。在并網(wǎng)沖擊比較嚴(yán)重的情況下，一方面會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)電壓的降低，另一方面還會(huì)損壞發(fā)電機(jī)與增速器、塔架以及槳葉等機(jī)械部件。若并網(wǎng)沖擊時(shí)間比較長(zhǎng)，那么則會(huì)發(fā)生系統(tǒng)瓦解的情況，甚至?xí)?duì)其他掛網(wǎng)機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行產(chǎn)生威脅，因此，應(yīng)該對(duì)并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行合理選擇[2]。

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

相比于同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)，運(yùn)行異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)期間，因?yàn)槭峭ㄟ^(guò)轉(zhuǎn)差率對(duì)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)整，因此，對(duì)機(jī)組調(diào)速具有較低的精度要求，無(wú)需整步操作與同步設(shè)備，僅僅需要在轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速相接近的過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)目的。異步發(fā)電機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組兩者聯(lián)合應(yīng)用的主要優(yōu)點(diǎn)在于，該技術(shù)具有較為簡(jiǎn)單的控制裝置，并網(wǎng)后也能有效避免失步與無(wú)震蕩問(wèn)題的發(fā)生，運(yùn)行可靠且穩(wěn)定[3]。然而，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際運(yùn)行期間也存在很多問(wèn)題，比方說(shuō)，直接并網(wǎng)會(huì)有引發(fā)大沖擊電流的可能性，導(dǎo)致電壓降低，對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行產(chǎn)生直接性影響。系統(tǒng)本身不存在無(wú)功功率，必須實(shí)施無(wú)功補(bǔ)償。系統(tǒng)電壓過(guò)高情況下會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生磁路飽和，由此增加無(wú)功激磁電流，功率因數(shù)降低，定子電流過(guò)載。如果過(guò)于提升不穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，則會(huì)由于同步轉(zhuǎn)速提高而引發(fā)異步發(fā)電機(jī)自以往的發(fā)電狀態(tài)向電動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，進(jìn)而降低不穩(wěn)定系統(tǒng)頻率，導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)電流因?yàn)閯≡龆l(fā)生過(guò)載問(wèn)題。因此，應(yīng)該嚴(yán)格監(jiān)督或者采取有效措施確保異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)、安全運(yùn)行。

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

運(yùn)行同步發(fā)電機(jī)期間，對(duì)有功功率進(jìn)行輸出的同時(shí)，還能夠提供相應(yīng)的無(wú)功功率，且周波也比較穩(wěn)定，具有較高電能質(zhì)量，因此被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。如何使項(xiàng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)技術(shù)與該項(xiàng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效融合，是現(xiàn)階段大眾所探討的重點(diǎn)問(wèn)題。多數(shù)情況下，因?yàn)轱L(fēng)速缺乏穩(wěn)定性，往往會(huì)造成轉(zhuǎn)子環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)矩的不穩(wěn)定，而且并網(wǎng)過(guò)程中，鉆子調(diào)速性能無(wú)法滿足同步發(fā)電機(jī)所需精度，若并網(wǎng)后不能夠有效控制鉆子轉(zhuǎn)矩，尤其是在重載狀況下，往往會(huì)出現(xiàn)失步和無(wú)功震蕩等問(wèn)題[4]。因此，以往的數(shù)十年中，國(guó)內(nèi)外的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組幾乎不會(huì)應(yīng)用到同步發(fā)電機(jī)。隨著近些年電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，可利用技術(shù)有效避免以上問(wèn)題。比方說(shuō)，電網(wǎng)和同步發(fā)電機(jī)組間選擇變頻裝置能夠有效解決以上問(wèn)題，此時(shí)的同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)重新受到重視。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)分析

2.1 動(dòng)態(tài)無(wú)償補(bǔ)償裝置功能測(cè)試試驗(yàn)

發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，有效調(diào)整發(fā)電機(jī)組輸出功率，認(rèn)真觀察電容補(bǔ)償投切動(dòng)作在不同載荷下的狀態(tài)。在測(cè)試動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置性能方面，需要選擇惡劣工況的情況，比方說(shuō)，風(fēng)電大發(fā)、風(fēng)電小發(fā)等惡劣工況。

風(fēng)力發(fā)電廠在風(fēng)電小發(fā)情況下具有較高送電線路充電功率，由此就會(huì)增加母線的電壓負(fù)荷。因此，風(fēng)電小發(fā)時(shí)有利于展開(kāi)感性無(wú)功補(bǔ)償試驗(yàn)。而在風(fēng)電大發(fā)的情況中，風(fēng)力發(fā)電廠則具有較大送電線路載荷，存在嚴(yán)重的無(wú)功損耗，進(jìn)而降低母線電壓水平。因此，風(fēng)電大發(fā)時(shí)比較適合展開(kāi)容性無(wú)功補(bǔ)償試驗(yàn)[5]。以上兩種情況均必須展開(kāi)暫態(tài)期間裝置響應(yīng)試驗(yàn)和無(wú)功綜合控制試驗(yàn)，以此對(duì)SVG裝置平穩(wěn)性有所了解。

2.2 軟并網(wǎng)功能試驗(yàn)

首先對(duì)異步發(fā)電機(jī)組的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行提升，在轉(zhuǎn)速超過(guò)同步轉(zhuǎn)速概率92%的情況下，將并網(wǎng)接觸器啟動(dòng)開(kāi)，發(fā)電機(jī)會(huì)利用雙向機(jī)晶閘管連接整個(gè)電網(wǎng)，有效控制晶閘管觸發(fā)單元，使雙向晶閘管內(nèi)部導(dǎo)通角得以增大，角度范圍為0°到180°，由此對(duì)導(dǎo)通角打開(kāi)速率進(jìn)行調(diào)整，確保異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)過(guò)程中所形成的沖擊電流比規(guī)定值低。完成暫態(tài)期間，將旁路開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)而接通晶閘管。

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

計(jì)量屏在風(fēng)電場(chǎng)保護(hù)過(guò)程中主要選取三相電流與電壓，并檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)電壓諧波、偏差以及閃變等相關(guān)指標(biāo)，以對(duì)電能質(zhì)量予以明確。風(fēng)電場(chǎng)暫停運(yùn)行過(guò)程中，需要檢測(cè)并網(wǎng)點(diǎn)總諧波畸變率、諧波電壓和時(shí)間閃變等相關(guān)指標(biāo)。在常規(guī)運(yùn)行風(fēng)電場(chǎng)期間，檢測(cè)各功率區(qū)間并網(wǎng)點(diǎn)電壓、諧波電流和長(zhǎng)時(shí)間閃變，同時(shí)測(cè)定風(fēng)電場(chǎng)所形成諧波電流95%數(shù)值[6]。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)影響電能質(zhì)量的相關(guān)機(jī)制

近年來(lái)，因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)實(shí)際應(yīng)用規(guī)模逐漸增大，在影響電能質(zhì)量的范圍方面也隨之得到增加，且很多影響對(duì)提升電網(wǎng)電能質(zhì)量極為不利。比較常見(jiàn)的是電壓閃變和波動(dòng)。電壓風(fēng)力資源存在不穩(wěn)定性特征，再加上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特征，造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率缺乏穩(wěn)定性，由此就會(huì)直接影響到電網(wǎng)電能質(zhì)量?，F(xiàn)階段，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組通常會(huì)選擇軟并網(wǎng)方式[7]，然而，啟動(dòng)設(shè)備期間仍然會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，電流值相對(duì)也比較大。如果切出風(fēng)速比風(fēng)速低，那么出力工作情況下，風(fēng)機(jī)就會(huì)暫停運(yùn)行。此外，風(fēng)速很難控制和風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生塔影效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響到風(fēng)機(jī)處理，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力發(fā)生波動(dòng)現(xiàn)象，波動(dòng)值也會(huì)處在電壓閃變范圍內(nèi)。所以，就算風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行，同樣會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)發(fā)生閃變情況。endprint

4 電能質(zhì)量控制策略

4.1 諧波的抑制

相關(guān)工作人員可利用抑制諧波法有效控制電能質(zhì)量，也就是說(shuō)，在系統(tǒng)中添加靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，該靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備內(nèi)存在多個(gè)裝置，具體包括可投切電容器、電抗器等，這一設(shè)備的優(yōu)勢(shì)主要在于較快的反應(yīng)速度，可以及時(shí)明確無(wú)功功率變化與否，對(duì)變化狀態(tài)下的相關(guān)無(wú)功功率予以適時(shí)跟蹤?；陲L(fēng)速不穩(wěn)定導(dǎo)致的電壓起伏情況，這一設(shè)備能夠有效調(diào)節(jié)電壓，以使諧波得以消除，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)受到電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。

4.2 電壓波動(dòng)和閃變的抑制

4.2.1 動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器

如果配電網(wǎng)為中低壓類型的配電網(wǎng)，那么高速波動(dòng)有功功率過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)電壓閃變等相關(guān)問(wèn)題。在這種情況下，所需補(bǔ)償裝置性能則比較優(yōu)秀，一方面補(bǔ)償裝置必須提供相應(yīng)的無(wú)功功率補(bǔ)償，另一方面還應(yīng)該補(bǔ)償相應(yīng)有功功率。所以，多數(shù)企業(yè)都會(huì)通過(guò)存在儲(chǔ)能單元的相關(guān)補(bǔ)償裝置取締以往無(wú)償補(bǔ)償設(shè)備。而動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器本身具備儲(chǔ)能單元，能夠在固定范圍中根據(jù)常規(guī)電壓和故障電壓差額，向系統(tǒng)內(nèi)輸入電壓。這一類補(bǔ)償方法可以有效避免系統(tǒng)內(nèi)部電壓波動(dòng)的形成，確?？蛻裟軌?qū)﹄娔苓M(jìn)行正常應(yīng)用[8]。就現(xiàn)階段情況來(lái)說(shuō)，將動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)設(shè)備添置到系統(tǒng)中是電壓波動(dòng)、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題得以解決的一種有效方式。

4.2.2 有源電力濾波器

在系統(tǒng)內(nèi)部添加有源電力濾波設(shè)備，也就是說(shuō)，工作人員在工作期間若想有效避免發(fā)生電壓閃變問(wèn)題，就應(yīng)該在負(fù)荷電流波動(dòng)劇烈的情況下，及時(shí)補(bǔ)償因?yàn)樨?fù)荷變化所導(dǎo)致的無(wú)功電流，確保其能夠?qū)ω?fù)荷電流進(jìn)行及時(shí)性補(bǔ)償。而且由于有源電力濾波設(shè)備內(nèi)電子零件屬于可關(guān)斷電子設(shè)備。因此，工作人員應(yīng)以電子控制設(shè)備取代系統(tǒng)電源，同時(shí)向電壓負(fù)荷中傳輸畸變電流，從而確保系統(tǒng)能夠向負(fù)荷提供正弦基波電流。從根本上說(shuō)，有源電力濾波設(shè)備優(yōu)點(diǎn)包括：①反應(yīng)速度比較快，可以在短期內(nèi)發(fā)出響應(yīng)信號(hào)；②所產(chǎn)生電壓波動(dòng)范圍比較大；③閃變補(bǔ)償率比較高；④設(shè)備具有較強(qiáng)的可靠性，可以平穩(wěn)運(yùn)行。

4.2.3 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器和其它補(bǔ)償裝置

如果想實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一補(bǔ)償目的，應(yīng)該將綜合類補(bǔ)償設(shè)備添加在系統(tǒng)內(nèi)部，工作人員應(yīng)該統(tǒng)一電能質(zhì)量控制設(shè)備，同時(shí)有機(jī)結(jié)合并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備和串聯(lián)補(bǔ)償設(shè)備。由此補(bǔ)償設(shè)備中不僅包含儲(chǔ)能單元并聯(lián)組合，同時(shí)還包含儲(chǔ)能單元串聯(lián)組合，迎面能夠在配電系統(tǒng)中添加補(bǔ)償設(shè)備，確保其補(bǔ)償諧波功能得到充分發(fā)揮，另一方面還有助于電能質(zhì)量的提升。

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，近些年電力電子技術(shù)得到迅猛發(fā)展，企業(yè)通過(guò)電力電子技術(shù)有效控制風(fēng)電機(jī)組，并使電能整體質(zhì)量得到有效改善，對(duì)國(guó)內(nèi)電能發(fā)展與進(jìn)步極具重要意義。但是，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中依舊存在諸多問(wèn)題，造成風(fēng)力發(fā)電不能在發(fā)電企業(yè)中廣泛應(yīng)用。而發(fā)電企業(yè)必須進(jìn)一步增加研究風(fēng)能力度，使風(fēng)力設(shè)備工作效率得到不斷提升，防止風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中諧波與沖擊電流的形成，不斷提升風(fēng)力發(fā)電水平，從而為國(guó)內(nèi)風(fēng)力發(fā)電事業(yè)發(fā)展提供更多電力能源。

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