變頻器在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

王 玲，范遵濤山東科技大學(xué)，山東青島 266590

變頻器在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

王 玲，范遵濤
山東科技大學(xué)，山東青島 266590

近年來(lái)，隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展以及日益嚴(yán)峻的能源匱乏形勢(shì)，風(fēng)力發(fā)電逐漸受到人們的廣泛關(guān)注，風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)模也越來(lái)越大。風(fēng)電并網(wǎng)比例的增大勢(shì)必會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生不利影響，本文簡(jiǎn)單介紹了風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響，分析了變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理以及交—直—交變頻器在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用。

風(fēng)電并網(wǎng)；變速恒頻；變頻器

隨著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源匱乏形勢(shì)，人們積極尋求可以替代傳統(tǒng)化石能源的新能源，風(fēng)力發(fā)電憑借它技術(shù)成熟，成本低和清潔無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)逐漸得到人們的重視。發(fā)展風(fēng)電是改善能源結(jié)構(gòu)和應(yīng)對(duì)氣候變化的重大舉措，是我國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成，風(fēng)電的并網(wǎng)運(yùn)行將在很大程度上緩解能源危機(jī)，風(fēng)電并網(wǎng)具有很大的發(fā)展空間。與此同時(shí)，隨著風(fēng)電并網(wǎng)的規(guī)模的不斷增大，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的不利影響也日益突出，為了實(shí)現(xiàn)風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，必須了解風(fēng)電并網(wǎng)是如何影響電網(wǎng)的，本文以帶變頻器的變速恒頻風(fēng)電發(fā)電機(jī)為例，給出了應(yīng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)不利影響問(wèn)題的一種解決方案。風(fēng)電并網(wǎng)還有很大的發(fā)展空間，風(fēng)力機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能也有待改進(jìn)。

1 風(fēng)電并網(wǎng)運(yùn)行的特點(diǎn)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)依靠風(fēng)力發(fā)電，由于自然風(fēng)的風(fēng)速風(fēng)向具有隨機(jī)性、不可控性以及不連續(xù)性等性質(zhì)，因此風(fēng)力發(fā)電機(jī)的輸出電壓和頻率也是不斷變化的，風(fēng)力機(jī)的輸出電能無(wú)法直接使用。

由于風(fēng)能的能量密度不如水能等能源的能量密度高，因此風(fēng)力機(jī)的單機(jī)容量相對(duì)較小，這是風(fēng)力發(fā)電與水利發(fā)電和火力發(fā)電相比的一大弊端。

2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響

2.1 對(duì)電能質(zhì)量的影響

在風(fēng)電容量比較高的電網(wǎng)中，風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生很大的影響，其中包括電壓的波動(dòng)和閃變、頻率的偏差、由于電網(wǎng)中的電力電子裝置所造成的諧波污染等問(wèn)題。由于風(fēng)速風(fēng)量風(fēng)向的不可控問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出力不可控，若將風(fēng)電機(jī)組直接接入配電網(wǎng)，隨著風(fēng)速的變化，風(fēng)力機(jī)會(huì)有相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)調(diào)節(jié)，若風(fēng)速過(guò)高時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)自動(dòng)切機(jī)，如果切機(jī)的范圍比較大的話(huà)，很可能會(huì)造成整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的崩潰和癱瘓。這對(duì)電網(wǎng)造成的影響將是十分巨大的。

2.2 對(duì)電壓穩(wěn)定的影響

大范圍的風(fēng)電并網(wǎng)會(huì)造成電網(wǎng)電壓驟降，這是風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)無(wú)功功率的消耗造成的，這對(duì)于電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定運(yùn)行十分不利。

2.3 對(duì)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的影響

電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行需要保證電網(wǎng)的頻率保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，電網(wǎng)頻率的變化跟電網(wǎng)的有功功率的變化有關(guān)系。風(fēng)力發(fā)電機(jī)由于風(fēng)速等因素的波動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致輸入電網(wǎng)的有功率的波動(dòng)，功率的波動(dòng)又會(huì)造成電網(wǎng)頻率的波動(dòng)，最終造成系統(tǒng)調(diào)頻的難度加大。

3 帶變頻器的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)

3.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理

在風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中讓風(fēng)車(chē)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，通過(guò)其他控制方法來(lái)得到恒頻電能的方法稱(chēng)為變速恒頻發(fā)電。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)可以定子直接上網(wǎng)，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子電流的相位和幅值來(lái)調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率，它采用雙向變頻器通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行勵(lì)磁，定子側(cè)直接輸出與電網(wǎng)電壓頻率和相位相同的電能，無(wú)需在接入電網(wǎng)之前加變頻轉(zhuǎn)換裝置。另一種并網(wǎng)方式是發(fā)電機(jī)的定子繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連接，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的為變頻交流電，必須通過(guò)變頻器的轉(zhuǎn)換后才能與電網(wǎng)相連，交—直—交變頻器可以用來(lái)進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換，以直接驅(qū)動(dòng)的風(fēng)力同步發(fā)電機(jī)為例，在變頻恒速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相連，不需要通過(guò)齒輪機(jī)升速，同步發(fā)電機(jī)的定子繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連。交-直-交變頻器的主電路包括整流和逆變兩部分。整流電路把來(lái)自交流發(fā)電機(jī)的交流電變成直流，經(jīng)電容或電感濾波，再由逆變電路將直流電轉(zhuǎn)換為交流電送給電網(wǎng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)

PWM技術(shù)是通過(guò)控制半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變?yōu)橐幌盗蟹迪嗟榷鴮挾炔幌嗟鹊拿}沖，按一定的規(guī)則對(duì)各脈沖的寬度和脈沖序列周期進(jìn)行調(diào)制，從而控制逆變器的輸出電壓和頻率。

由于電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展和電力電子器件制作水平的不斷成熟，變頻器在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

3.3 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

在變速恒頻的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕捉，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而變化，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電為變頻交流電，通過(guò)變頻器變頻后獲得可以與電網(wǎng)直接相連的恒頻交流電，需要變頻器作為一個(gè)轉(zhuǎn)換裝置接入系統(tǒng)，由于同步發(fā)電機(jī)通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連，并網(wǎng)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的電流沖擊，由于發(fā)電機(jī)的頻率和電網(wǎng)的頻率是相互獨(dú)立的，因此并網(wǎng)過(guò)程比較平坦，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行造成太大影響，但是由于變頻器的接入，就會(huì)向電網(wǎng)注入高次諧波，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，另外，電力電子裝置的價(jià)格一般較高，控制較為復(fù)雜，這就需要電力電子技術(shù)的更加進(jìn)步和電力電子器件制作水平的不斷提高來(lái)完善。

4 結(jié)論

風(fēng)力發(fā)電作為一種傳統(tǒng)化石能源的替代能源，具有很大的發(fā)展前景和必要性，由于現(xiàn)在風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的發(fā)展還受到技術(shù)資源等因素的制約，要想提高風(fēng)電并網(wǎng)的穩(wěn)定性，有效控制風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響，除了協(xié)調(diào)好風(fēng)電并網(wǎng)的容量和接入點(diǎn)之外，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)處電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋，這就需要軟件和硬件的共同支持，所以技術(shù)要先行，風(fēng)電并網(wǎng)的發(fā)展空間很大，未來(lái)會(huì)吸引更多的人投入到風(fēng)電并網(wǎng)的建設(shè)中來(lái)。

［1］孫自珂.風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)可靠性影響研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

［2］王旭光，房緒鵬.電力電子技術(shù)［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2009.

TM43

A

1674-6708（2016）168-0237-02

王玲，山東科技大學(xué)。

范遵濤，山東科技大學(xué)。