淺析風力發電并網技術及電能質量控制策略

許湘如

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

淺析風力發電并網技術及電能質量控制策略

許湘如

（大唐汝城新能源有限公司 湖南郴州 424100）

風力發電網技術主要包含兩種：①同步風力發電機組并網技術；②異步風力發電機組并網技術。前者還處于研究階段，只是大規模試用，而后者應用范圍比較廣，但是運用期間需要注意的問題比較多。

風力發電并網技術；電能質量；控制策略

1 引言

風能資源是可再生的潔凈無污染資源，是最具有開發性的資源之一，隨著我國風力發電技術的提高，我國已經從小型風力發電技術發展到了大型風力發電機組并網技術。在發電過程中，采用大型風力發電機組并網運行有利于加強風力資源利用，提高發電效率，節約發電成本，有效保障電能質量。

2 風力發電并網技術

2.1 同步風力發電機組并網技術

同步風力發電機組，實際上就是同步發電機與風力發電機的有機融合。同步發電機運行期間，不但可以輸出有功功率，還能夠提供無功功率，與此同時，還可以保證周波穩定，整體電能質量明顯提升，因此我國很多電力系統中都選擇應用同步發電機。如何能夠將同步發電機與風力發電機有機融合，一直是電力專家學者重點研究的對象。絕大多數情況下，因為風速波動比較明顯，會使得轉子轉矩出現大幅度波動，這就會使得并網調速無法滿足同步發電機的精度要求。如果并網之后，工作人員未能充分的考慮到上述問題，尤其是重載運行時，整個系統非常有可能出現無功振蕩，也正是因為此，同步發電機一直都未得到大規模的應用。隨著變頻裝置的研發與應用，上述問題已經得到了很好的解決。

2.2 異步風力發電機組并網技術

異步風力發電機對調速精度要求不高，既不需要同步設備，也不需要整步操作，轉速與同步轉速基本上保持一致或者是不要相差過大即可。風力發電機與異步風力發電機有機融合之后，整體的控制裝置并不復雜，并網之后基本上不會再出現無功振蕩或者是失步問題，整體運行非常安全可靠。不過，異步發電機機組并網并不容易，需要解決很多問題。如果風力發電機與異步風力發電機直接并網，很有可能發生大沖擊電流，此時電壓會降低，這就導致電力系統容易出現運行隱患。與此同時，電力系統自身還存在無功補償問題，而如果又發生磁路飽和現象，則無功激磁電流會進一步的增加，功率因素會因此明顯降低。因此為了確保異步風力發電機組并網后能夠安全運行，有關部門必須加強監督，采取預防策略。

3 風力發電機并網及運行試驗

3.1 軟并網功能試驗

將機組主軸升速，當異步發電機轉速達到同步速的92～99%時，啟動并網接觸器，雙向晶閘管的導通角從0°逐漸增大到180°，調整晶閘管導通角打開速率，將沖擊電流控制在技術條件內的規定值范圍內。

3.2 動態無功補償裝置功能特性測試試驗

在機組并網運行過程中，可以通過調整發電機的輸出功率，觀察不同負載條件下電容補償投切動作。對于動態無功補償裝置功能特性測試試驗，需要選擇在風電小發工況或者風電大發工況下進行。

在風電小發工況下，風電場送電線路充電功率較多，此時適合感性無功補償試驗。在風電大發工況下，無功損耗最大，此時可以進行容性無功補償試驗。

3.3 風電機組低電壓穿越能力測試試驗

風機故障穿越能力檢測系統原理如圖1所示。限流電抗用于限制電壓跌落對電網及風電場內其他在運行風力發電機組的影響。在測試試驗時，應該綜合考慮實際情況，合理調整限流電抗阻值，避免對電網造成不良影響。在電壓跌落發生前后，限流電抗可以利用旁路開關短接。短路電抗閉合短路開關，將短路電抗三相或兩相相互連接，通過模擬電網故障在測試點產生要求的電壓跌落。限流電抗和短路電抗的阻值都是可以調節的，在測試試驗時，可以通過調節電抗阻值產生不同深度的電壓跌落。

圖1 風電機組低電壓穿越檢測原理圖

具體的測試檢測方法如下：風機停機，箱變停電，將檢測設備DIPGEN串聯接入被測風機與箱變低壓側之間。箱變上電，合DIPGEN內部變壓器、UPS開關及其他輔助開關，給DIPGEN的控制開關、控制面板等供電。不帶風機進行空載試驗。合風機內部斷路器，使風機并網運行。風機輸出功率額定功率時，進行小風工況的測試。當風機輸出功率大于90%額定功率時，進行大風工況的測試。

3.4 風電場電能質量測試試驗

風電場停運期間，檢測并網點的背景長時間閃變、各次諧波電壓及電壓總諧波畸變率。風電場正常運行時，檢測每個功率區間并網點的長時間閃變、各次諧波電流、諧波電壓，給出風電場引起的諧波電流的95%值。

4 風力發電并網技術對電能質量造成的影響

4.1 電壓波動以及閃變

對于風力發電造成的電壓波動及閃變，它的根源在于并網風電機組輸出功率的波動。受到風剪切、塔影效應以及偏航誤差這些因素的影響，葉輪進行旋轉之時，轉矩不能穩定，進而讓風電機組的輸出功率出現波動，同時該波動伴隨著湍流強度的變大而變大。主要的切換操作有風電機組啟動、發電機組的停止以及它的切換機組進行切換操作之時，切換操作可能造成功率波動，進而導致風電機組端點與別的節點電壓發生波動、閃變。影響電壓發生波動、閃變的其他因素包括：①并網點短路容量。隨著短路容量的變大，閃變值變小。②風速。閃變值由于風速加大而變大，在風速到達額定值之時閃變值便降低湍流強度。隨著湍流強度的加大，閃變值增大，網絡阻抗角。閃變值隨著阻抗角進行改變的曲線之中，阻抗角處于60～70°之時出現拐點。于拐點前，阻抗角度變大，而閃變值變小，于拐點后，阻抗角度變大，同時閃變值變大。

電壓閃變其實為電壓發生波動的獨特反映，閃變的嚴重度和負荷改變導致的電壓變動有關系，于高電壓或者中壓配電網之內，電壓波動一般和無功負荷的變化量、電網的短路容量存在關聯。電網短路容量保持一定時，電壓閃變因為無功負荷的大力變動導致，所以針對電壓閃變進行抑制，可以進行靜止無功補償裝置的安設，當今此方面的技術較為成熟。實施補償之時，應運用響應時間短以及能直接補償負荷的無功沖擊電流、諧波電流的補償器。

4.2 諧波

諧波問題即為風電并網造成的一個電能質量問題。風電并網常出現諧波污染：①產生在風力發電機之中，由于經常運使用具有變頻功能的變速恒頻風力發電機，發電機組出現的交流電通過整流—逆變裝置和電網進行連接，進而使得發電機頻率和電網的頻率互相獨立起來，電網頻率還保持不變。整流逆變一定會產生諧波污染，該諧波電流注入到電力系統之后，導致電網電壓發生畸變，電能質量減少。②風機的并聯補償電容器偶爾與線路電抗產生諧振。

5 風力發電電能質量控制策略

5.1 諧波的抑制

使用靜止無功補償器可以抑制諧波，該設備主要是由電抗器、諧波過濾裝置等共同構成。靜止無功補償器最顯著的特征就是具有非常強的反應能力，可以對無功功率進行監測，而且還能夠對電壓變化進行實時的調整，以此濾除諧波，保證風電發電電能質量。

5.2 電壓波動與閃變抑制

（1）有源電力濾波器。電壓閃變是影響風力發電電能質量的重要因素。當電壓閃變發生時，工作人員應該在負荷電流急劇波動時，能夠完成無功電流的補償工作。有源電力濾波器的作用就在于此，該設備優勢突出，具有快速響應能力，補償容量小，最為重要的是運行過程中，具有非常強的控制力，所以對控制電壓波動具有積極的作用。

（2）動態電壓恢復器。有功功率出現迅速波動情況，也會使得電壓發生閃變，此時就要求補償裝置既要對無功功率加以補償，又要對有功功率加以補償。動態電壓恢復器中有儲能單元，可以在非常短的時間內向系統傳輸電壓，解決電壓波動問題。目前，動態電壓恢復器已經得到了廣泛應用，是現如今風力發電電能質量控制的最主要手段。

（3）統一電能質量控制器。如果既要對電壓加以補償，又要對電流加以補償，則就選擇應用綜合類補償裝置，而統一電能質量控制器就是典型的綜合類補償裝置。該裝置可以將串聯、并聯有效的融合起來，以便用戶能夠解決綜合補償問題，應用廣泛。

6 結語

綜上所述，風力發電并網技術對于電能質量造成的影響關鍵在于電壓閃變、波動以及諧波污染，必須采取有效措施，安裝靜止無功補償器、有源電力濾波器、動態電壓恢復器以及統一電能質量控制器，確保風電場和電網能夠穩定運行。

[1]榮欣，武國瑜.風力發電并網技術及電能質量控制策略[J].城市建設理論研究：電子版，2014（02）：185～186.

[2]侯新彪.探討風力發電并網技術及電能質量控制策略[J].城市建設理論研究：電子版，2013（05）：39～41.

[3]王旭，劉建權.風力發電并網技術研究[J].城市建設理論研究：電子版，2013（06）：82～83.

TM614

A

1004-7344（2016）06-0098-02

2016-2-10

許湘如（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事風力發電等工作。