并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試及評(píng)估方法分析

魏強(qiáng)

摘 要：風(fēng)能是一種清潔、可再生能源，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電探索是國家大力支持的項(xiàng)目。本文簡單介紹了并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，通過分析并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量功率特性測(cè)試內(nèi)容，針對(duì)不同測(cè)試項(xiàng)目提出相應(yīng)的測(cè)試方案，為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：并網(wǎng);風(fēng)力發(fā)電機(jī)組;電能質(zhì)量測(cè)試

引言：

在并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)節(jié)，經(jīng)常會(huì)因?yàn)檩敵龉β什环€(wěn)定、額定功率變化等原因，導(dǎo)致電網(wǎng)突然停機(jī)或開機(jī)，使得風(fēng)場(chǎng)接入電網(wǎng)處于一個(gè)重新分配的過程，影響電網(wǎng)供電狀態(tài)。并且在風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)行環(huán)節(jié)，各種大功率電子變流器的應(yīng)用，還會(huì)注入諧波電流，造成電網(wǎng)電壓畸變，存在一定安全隱患。

1并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)介紹

并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的本質(zhì)，就是風(fēng)力發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)的融合系統(tǒng)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)，借助同步發(fā)電機(jī)，不僅能夠輸出有功功率，更能完成無功功率的提供，保證并網(wǎng)周波穩(wěn)定，提升整體電能供電質(zhì)量。如何實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電與同步發(fā)電的并網(wǎng)融合，有效增強(qiáng)其供電穩(wěn)定性，是現(xiàn)階段電力專業(yè)重點(diǎn)研究對(duì)象。但在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)，整個(gè)風(fēng)電系統(tǒng)受風(fēng)速波動(dòng)影響極為明顯，其會(huì)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)大幅度變化，無法滿足并網(wǎng)發(fā)電精準(zhǔn)度要求[1]。

2并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量功率特性測(cè)試內(nèi)容

功率特性是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的重要性能指標(biāo)，作為風(fēng)力發(fā)電能力的表示方式，其性能指標(biāo)直接影響著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電量。常規(guī)狀態(tài)下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組出廠時(shí)，制造商會(huì)向用戶提供機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)額定功率曲線，其受風(fēng)電機(jī)組工作環(huán)境的影響效果較為明顯，實(shí)際功率特性曲線與標(biāo)準(zhǔn)功率特性曲線并不吻合，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀況評(píng)估帶來困難。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量功率特性測(cè)試環(huán)節(jié)，測(cè)試內(nèi)容主要為發(fā)電風(fēng)速的相應(yīng)機(jī)組輸出功率，并借此得到機(jī)組與風(fēng)速之間的功率特性。

常規(guī)風(fēng)力發(fā)電廠的系統(tǒng)控制方法都是相互連接的，在這種管理模式下，發(fā)電廠報(bào)警系統(tǒng)只能夠在設(shè)備鎖定時(shí)才能被觸發(fā)，并且需要超過相應(yīng)時(shí)間限制條件才能夠發(fā)揮作用。由此可見，這種傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電廠控制裝置的應(yīng)用空間極其有限，不能夠進(jìn)行復(fù)雜情況的報(bào)警工作處理，無法進(jìn)行有效的故障處理。在NB/T31003-2011《大型風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)于風(fēng)力發(fā)電廠電壓范圍有著明確要求：并網(wǎng)點(diǎn)電壓要在額定電壓-4%至+8%之間，若不處在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，則無法保證發(fā)電廠的發(fā)電調(diào)節(jié)效率。進(jìn)行并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量功率特性測(cè)試，整個(gè)過程極為復(fù)雜，需要耗費(fèi)較長時(shí)間，并且直至建立起覆蓋一定風(fēng)速范圍和各種風(fēng)況的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，才能夠完成測(cè)試工作。在測(cè)試過程中要有效控制整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的誤差，增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電廠電氣性能，完成機(jī)器設(shè)備、控制電源等系統(tǒng)項(xiàng)目的綜合控制。在這種控制模式下，能夠幫助發(fā)電廠收集所有電氣設(shè)備使用數(shù)據(jù)，包含電壓變化、電量輸出、有功功率浮動(dòng)變化等，及時(shí)對(duì)相關(guān)發(fā)電信息進(jìn)行處理，并制定相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施[2]。

3并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試及評(píng)估運(yùn)行試驗(yàn)

3.1電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度實(shí)驗(yàn)

并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量自動(dòng)調(diào)度測(cè)試評(píng)估工作，工作人員提高機(jī)組主軸速度，如果若此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速保持在90%-99%之間，則啟動(dòng)并網(wǎng)接觸器，發(fā)揮風(fēng)力并網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度的管理作用。電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度作為并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組測(cè)試評(píng)估工作中的常規(guī)工程，其任務(wù)完成條件是具備一臺(tái)將所有電子設(shè)備進(jìn)行連接的高效處理計(jì)算機(jī)，并配備相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)處理?xiàng)l件，例如，一臺(tái)大顯示屏能夠有效提高發(fā)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電網(wǎng)調(diào)度服務(wù)器處理效率。在這種工作環(huán)境下，傳統(tǒng)的人工調(diào)度模式將會(huì)被自動(dòng)化調(diào)度模式取代，結(jié)合發(fā)電系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)處理，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠與調(diào)度中心之間的需求合理分配，從而完成電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度功能測(cè)試。作為并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的重要一環(huán)，電網(wǎng)自動(dòng)調(diào)度能夠?qū)λ酗L(fēng)力發(fā)電運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行控制，同電氣工程運(yùn)行質(zhì)量有著重要關(guān)系，逐漸擺脫人工作業(yè)束縛。強(qiáng)調(diào)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化整合及自動(dòng)化收集，并將相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效調(diào)度，從而適應(yīng)發(fā)電市場(chǎng)發(fā)展需求。

3.2電網(wǎng)觸點(diǎn)模型構(gòu)建

風(fēng)電機(jī)組觸點(diǎn)接觸系統(tǒng)主要分為接觸電阻與內(nèi)部電阻兩部分，進(jìn)行靜態(tài)接觸熱穩(wěn)定研究項(xiàng)目時(shí)，需要保持這兩種形式的電阻相同，且保證觸點(diǎn)系統(tǒng)的觸頭大小一致，從而控制并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量，完成W形截面觸點(diǎn)的熱穩(wěn)定性研究。電流線收縮使得風(fēng)電機(jī)組出現(xiàn)接觸電阻，而其表面膜僅通過干擾系統(tǒng)導(dǎo)電斑點(diǎn)的形成影響電流收縮強(qiáng)度，因此在進(jìn)行隔離開關(guān)靜態(tài)觸點(diǎn)電阻計(jì)算時(shí)，要忽略膜電阻的影響效果，即：

R=Re

式中：R為接觸電阻，Re為收縮電阻。

借助Holm單斑點(diǎn)一級(jí)收縮模型，使得模型觸點(diǎn)形狀為圓形金屬導(dǎo)電斑點(diǎn)，在電流通過此導(dǎo)電斑點(diǎn)時(shí)電流線會(huì)出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，造成收縮電阻，其收縮形變程度與風(fēng)電機(jī)組觸點(diǎn)壓力及形狀有直接關(guān)系。過程中要保證并網(wǎng)觸點(diǎn)靜態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)滿足Hertz模型接觸條件，即整個(gè)接觸面積要低于單個(gè)零部件的半徑，降低表面相對(duì)曲率半徑。根據(jù)資料顯示，觸點(diǎn)接觸力會(huì)對(duì)靜態(tài)觸點(diǎn)收縮電阻產(chǎn)生影響，尤其在瞬時(shí)過熱狀態(tài)下，接觸力會(huì)造成觸點(diǎn)半徑發(fā)生變化，使得內(nèi)部溫度升高。為保證靜態(tài)接觸下熱穩(wěn)定性分析模型的研究有效性，在進(jìn)行Workbench中有限元分析工作時(shí)，在并網(wǎng)耦合節(jié)點(diǎn)施加一個(gè)適應(yīng)力，形成接觸力對(duì)等條件，避免接觸力對(duì)整個(gè)觸點(diǎn)的影響，保證觸頭截面形式風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量檢測(cè)研究結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.3動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償測(cè)試

動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償模式又被稱為靜止同步補(bǔ)償器，其補(bǔ)償效果是早期的電容器、同步調(diào)相機(jī)無法媲美的，具有較高的補(bǔ)償效率。并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試及評(píng)估運(yùn)行試驗(yàn)中，技術(shù)人員可以通過改變并網(wǎng)發(fā)電輸出功率，使整個(gè)機(jī)組的負(fù)載情況發(fā)生變化，判斷其是否符合相關(guān)要求，能否建立并保障網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，有效延長風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的使用壽命。其核心技術(shù)主要分為靜止無功補(bǔ)償器（Static Var Compensator，SVC）和靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）兩種裝置，但近年來SVG技術(shù)的不斷發(fā)展，使其逐漸取代了SVC的市場(chǎng)地位。但是無論哪一種無功補(bǔ)償狀態(tài)下，都需要展開無功綜合控制試驗(yàn)以及快速響應(yīng)試驗(yàn)，并判斷無功補(bǔ)償控制策略是否滿足條件同時(shí)檢測(cè)SVG裝置是否處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)[3]。

借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠設(shè)備聯(lián)網(wǎng)管理需求，克服不同廠商設(shè)備之間的兼容性調(diào)節(jié)問題，在實(shí)際工作中，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償模式可以根據(jù)發(fā)電廠電壓調(diào)節(jié)需要，控制調(diào)節(jié)速度及精度要求。雖然現(xiàn)階段沒有對(duì)并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行強(qiáng)制性全容量SVG要求，但要自覺加裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備，隨著發(fā)電廠作業(yè)過程中電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用普及，逐漸加強(qiáng)對(duì)電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償必要性的深入認(rèn)識(shí)和規(guī)范修訂，未來安裝SVG可能成為大型并網(wǎng)建設(shè)必然要求。在并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試及評(píng)估運(yùn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)注意該試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)在工況比較惡劣的情況下來完成，這樣才能最大程度的保證試驗(yàn)的可靠性。應(yīng)用SVG中的同步鎖相、蓄電池以及SPWM等技術(shù)，保證發(fā)電廠電氣工程及其自動(dòng)化技術(shù)管理工作中，負(fù)荷轉(zhuǎn)移工作的順利完成，并具備一定的預(yù)警故障診斷功能。

結(jié)論：風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)是一種極為先進(jìn)的清潔能源利用項(xiàng)目，該技術(shù)的應(yīng)用有利于實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，但其還存在許多技術(shù)問題需要解決?？梢酝ㄟ^建立風(fēng)電機(jī)組自動(dòng)化運(yùn)行模型等方式，進(jìn)行并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試及評(píng)估運(yùn)行試驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部設(shè)備的控制管理體現(xiàn)了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要意義，實(shí)現(xiàn)清潔能源使用技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳俊嶺，汪彥辰，馮又全.風(fēng)力發(fā)電塔用盆式調(diào)諧/顆粒阻尼器設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)照試驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2021，42（04）：460-465.

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