浅析风力发电并网技术及电能质量控制策略

2016-08-09许湘如

大科技 2016年6期

关键词：电抗风力电能

许湘如

（大唐汝城新能源有限公司湖南郴州 424100）

浅析风力发电并网技术及电能质量控制策略

许湘如

（大唐汝城新能源有限公司湖南郴州 424100）

风力发电网技术主要包含两种：①同步风力发电机组并网技术；②异步风力发电机组并网技术。前者还处于研究阶段，只是大规模试用，而后者应用范围比较广，但是运用期间需要注意的问题比较多。

风力发电并网技术；电能质量；控制策略

1 引言

风能资源是可再生的洁净无污染资源，是最具有开发性的资源之一，随着我国风力发电技术的提高，我国已经从小型风力发电技术发展到了大型风力发电机组并网技术。在发电过程中，采用大型风力发电机组并网运行有利于加强风力资源利用，提高发电效率，节约发电成本，有效保障电能质量。

2 风力发电并网技术

2.1 同步风力发电机组并网技术

同步风力发电机组，实际上就是同步发电机与风力发电机的有机融合。同步发电机运行期间，不但可以输出有功功率，还能够提供无功功率，与此同时，还可以保证周波稳定，整体电能质量明显提升，因此我国很多电力系统中都选择应用同步发电机。如何能够将同步发电机与风力发电机有机融合，一直是电力专家学者重点研究的对象。绝大多数情况下，因为风速波动比较明显，会使得转子转矩出现大幅度波动，这就会使得并网调速无法满足同步发电机的精度要求。如果并网之后，工作人员未能充分的考虑到上述问题，尤其是重载运行时，整个系统非常有可能出现无功振荡，也正是因为此，同步发电机一直都未得到大规模的应用。随着变频装置的研发与应用，上述问题已经得到了很好的解决。

2.2 异步风力发电机组并网技术

异步风力发电机对调速精度要求不高，既不需要同步设备，也不需要整步操作，转速与同步转速基本上保持一致或者是不要相差过大即可。风力发电机与异步风力发电机有机融合之后，整体的控制装置并不复杂，并网之后基本上不会再出现无功振荡或者是失步问题，整体运行非常安全可靠。不过，异步发电机机组并网并不容易，需要解决很多问题。如果风力发电机与异步风力发电机直接并网，很有可能发生大冲击电流，此时电压会降低，这就导致电力系统容易出现运行隐患。与此同时，电力系统自身还存在无功补偿问题，而如果又发生磁路饱和现象，则无功激磁电流会进一步的增加，功率因素会因此明显降低。因此为了确保异步风力发电机组并网后能够安全运行，有关部门必须加强监督，采取预防策略。

3 风力发电机并网及运行试验

3.1 软并网功能试验

将机组主轴升速，当异步发电机转速达到同步速的92～99%时，启动并网接触器，双向晶闸管的导通角从0°逐渐增大到180°，调整晶闸管导通角打开速率，将冲击电流控制在技术条件内的规定值范围内。

3.2 动态无功补偿装置功能特性测试试验

在机组并网运行过程中，可以通过调整发电机的输出功率，观察不同负载条件下电容补偿投切动作。对于动态无功补偿装置功能特性测试试验，需要选择在风电小发工况或者风电大发工况下进行。

在风电小发工况下，风电场送电线路充电功率较多，此时适合感性无功补偿试验。在风电大发工况下，无功损耗最大，此时可以进行容性无功补偿试验。

3.3 风电机组低电压穿越能力测试试验

风机故障穿越能力检测系统原理如图1所示。限流电抗用于限制电压跌落对电网及风电场内其他在运行风力发电机组的影响。在测试试验时，应该综合考虑实际情况，合理调整限流电抗阻值，避免对电网造成不良影响。在电压跌落发生前后，限流电抗可以利用旁路开关短接。短路电抗闭合短路开关，将短路电抗三相或两相相互连接，通过模拟电网故障在测试点产生要求的电压跌落。限流电抗和短路电抗的阻值都是可以调节的，在测试试验时，可以通过调节电抗阻值产生不同深度的电压跌落。

图1 风电机组低电压穿越检测原理图

具体的测试检测方法如下：风机停机，箱变停电，将检测设备DIPGEN串联接入被测风机与箱变低压侧之间。箱变上电，合DIPGEN内部变压器、UPS开关及其他辅助开关，给DIPGEN的控制开关、控制面板等供电。不带风机进行空载试验。合风机内部断路器，使风机并网运行。风机输出功率额定功率时，进行小风工况的测试。当风机输出功率大于90%额定功率时，进行大风工况的测试。

3.4 风电场电能质量测试试验

风电场停运期间，检测并网点的背景长时间闪变、各次谐波电压及电压总谐波畸变率。风电场正常运行时，检测每个功率区间并网点的长时间闪变、各次谐波电流、谐波电压，给出风电场引起的谐波电流的95%值。

4 风力发电并网技术对电能质量造成的影响

4.1 电压波动以及闪变

对于风力发电造成的电压波动及闪变，它的根源在于并网风电机组输出功率的波动。受到风剪切、塔影效应以及偏航误差这些因素的影响，叶轮进行旋转之时，转矩不能稳定，进而让风电机组的输出功率出现波动，同时该波动伴随着湍流强度的变大而变大。主要的切换操作有风电机组启动、发电机组的停止以及它的切换机组进行切换操作之时，切换操作可能造成功率波动，进而导致风电机组端点与别的节点电压发生波动、闪变。影响电压发生波动、闪变的其他因素包括：①并网点短路容量。随着短路容量的变大，闪变值变小。②风速。闪变值由于风速加大而变大，在风速到达额定值之时闪变值便降低湍流强度。随着湍流强度的加大，闪变值增大，网络阻抗角。闪变值随着阻抗角进行改变的曲线之中，阻抗角处于60～70°之时出现拐点。于拐点前，阻抗角度变大，而闪变值变小，于拐点后，阻抗角度变大，同时闪变值变大。

电压闪变其实为电压发生波动的独特反映，闪变的严重度和负荷改变导致的电压变动有关系，于高电压或者中压配电网之内，电压波动一般和无功负荷的变化量、电网的短路容量存在关联。电网短路容量保持一定时，电压闪变因为无功负荷的大力变动导致，所以针对电压闪变进行抑制，可以进行静止无功补偿装置的安设，当今此方面的技术较为成熟。实施补偿之时，应运用响应时间短以及能直接补偿负荷的无功冲击电流、谐波电流的补偿器。

4.2 谐波

谐波问题即为风电并网造成的一个电能质量问题。风电并网常出现谐波污染：①产生在风力发电机之中，由于经常运使用具有变频功能的变速恒频风力发电机，发电机组出现的交流电通过整流—逆变装置和电网进行连接，进而使得发电机频率和电网的频率互相独立起来，电网频率还保持不变。整流逆变一定会产生谐波污染，该谐波电流注入到电力系统之后，导致电网电压发生畸变，电能质量减少。②风机的并联补偿电容器偶尔与线路电抗产生谐振。

5 风力发电电能质量控制策略

5.1 谐波的抑制

使用静止无功补偿器可以抑制谐波，该设备主要是由电抗器、谐波过滤装置等共同构成。静止无功补偿器最显著的特征就是具有非常强的反应能力，可以对无功功率进行监测，而且还能够对电压变化进行实时的调整，以此滤除谐波，保证风电发电电能质量。

5.2 电压波动与闪变抑制

（1）有源电力滤波器。电压闪变是影响风力发电电能质量的重要因素。当电压闪变发生时，工作人员应该在负荷电流急剧波动时，能够完成无功电流的补偿工作。有源电力滤波器的作用就在于此，该设备优势突出，具有快速响应能力，补偿容量小，最为重要的是运行过程中，具有非常强的控制力，所以对控制电压波动具有积极的作用。

（2）动态电压恢复器。有功功率出现迅速波动情况，也会使得电压发生闪变，此时就要求补偿装置既要对无功功率加以补偿，又要对有功功率加以补偿。动态电压恢复器中有储能单元，可以在非常短的时间内向系统传输电压，解决电压波动问题。目前，动态电压恢复器已经得到了广泛应用，是现如今风力发电电能质量控制的最主要手段。

（3）统一电能质量控制器。如果既要对电压加以补偿，又要对电流加以补偿，则就选择应用综合类补偿装置，而统一电能质量控制器就是典型的综合类补偿装置。该装置可以将串联、并联有效的融合起来，以便用户能够解决综合补偿问题，应用广泛。