變頻器在風電并網中的應用

王 玲，范遵濤山東科技大學，山東青島 266590

變頻器在風電并網中的應用

王 玲，范遵濤
山東科技大學，山東青島 266590

近年來，隨著風力發電技術的不斷發展以及日益嚴峻的能源匱乏形勢，風力發電逐漸受到人們的廣泛關注，風電并網的規模也越來越大。風電并網比例的增大勢必會對電網的穩定運行產生不利影響，本文簡單介紹了風電并網對電網產生的影響，分析了變速恒頻風力發電機的結構和工作原理以及交—直—交變頻器在變速恒頻風力發電機中的應用。

風電并網；變速恒頻；變頻器

隨著人類社會的發展和科學技術進步，面對日益嚴峻的能源匱乏形勢，人們積極尋求可以替代傳統化石能源的新能源，風力發電憑借它技術成熟，成本低和清潔無污染等優勢逐漸得到人們的重視。發展風電是改善能源結構和應對氣候變化的重大舉措，是我國能源戰略的重要組成，風電的并網運行將在很大程度上緩解能源危機，風電并網具有很大的發展空間。與此同時，隨著風電并網的規模的不斷增大，對電網穩態運行的不利影響也日益突出，為了實現風電并網的穩態運行，必須了解風電并網是如何影響電網的，本文以帶變頻器的變速恒頻風電發電機為例，給出了應對風電并網不利影響問題的一種解決方案。風電并網還有很大的發展空間，風力機的結構和性能也有待改進。

1 風電并網運行的特點

風力發電機依靠風力發電，由于自然風的風速風向具有隨機性、不可控性以及不連續性等性質，因此風力發電機的輸出電壓和頻率也是不斷變化的，風力機的輸出電能無法直接使用。

由于風能的能量密度不如水能等能源的能量密度高，因此風力機的單機容量相對較小，這是風力發電與水利發電和火力發電相比的一大弊端。

2 風電并網對電網的影響

2.1 對電能質量的影響

在風電容量比較高的電網中，風電并網會對電網的電能質量產生很大的影響，其中包括電壓的波動和閃變、頻率的偏差、由于電網中的電力電子裝置所造成的諧波污染等問題。由于風速風量風向的不可控問題，會導致風力發電機的出力不可控，若將風電機組直接接入配電網，隨著風速的變化，風力機會有相應的動作來調節，若風速過高時，風機會自動切機，如果切機的范圍比較大的話，很可能會造成整個電網系統的崩潰和癱瘓。這對電網造成的影響將是十分巨大的。

2.2 對電壓穩定的影響

大范圍的風電并網會造成電網電壓驟降，這是風電場對電網無功功率的消耗造成的，這對于電網電壓的穩定運行十分不利。

2.3 對電網頻率穩定的影響

電網的穩態運行需要保證電網的頻率保持在一個相對穩定的數值，電網頻率的變化跟電網的有功功率的變化有關系。風力發電機由于風速等因素的波動，會導致輸入電網的有功率的波動，功率的波動又會造成電網頻率的波動，最終造成系統調頻的難度加大。

3 帶變頻器的變速恒頻風力發電機

3.1 變速恒頻風力發電機的結構和工作原理

在風力發電過程中讓風車的轉速隨風速的變化而變化，通過其他控制方法來得到恒頻電能的方法稱為變速恒頻發電。變速恒頻風力發電系統在并網時可以定子直接上網，通過改變轉子電流的相位和幅值來調節有功功率和無功功率，它采用雙向變頻器通過對發電機的轉子側進行勵磁，定子側直接輸出與電網電壓頻率和相位相同的電能，無需在接入電網之前加變頻轉換裝置。另一種并網方式是發電機的定子繞組通過變頻器與電網相連接，當風速變化時，風力機和發電機的轉速隨著變化，發電機發出的為變頻交流電，必須通過變頻器的轉換后才能與電網相連，交—直—交變頻器可以用來進行頻率轉換，以直接驅動的風力同步發電機為例，在變頻恒速風力發電系統中，風力機直接與發電機相連，不需要通過齒輪機升速，同步發電機的定子繞組通過變頻器與電網相連。交-直-交變頻器的主電路包括整流和逆變兩部分。整流電路把來自交流發電機的交流電變成直流，經電容或電感濾波，再由逆變電路將直流電轉換為交流電送給電網，其基本結構如圖1所示。

3.2 脈沖寬度調制技術

PWM技術是通過控制半導體開關器件的導通與關斷，把直流電壓變為一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖，按一定的規則對各脈沖的寬度和脈沖序列周期進行調制，從而控制逆變器的輸出電壓和頻率。

由于電力電子技術的不斷發展和電力電子器件制作水平的不斷成熟，變頻器在風電并網中的應用也越來越廣泛。

3.3 變速恒頻風力發電機的特點

在變速恒頻的風力發電系統中，當風速變化時，可以實現最大風能捕捉，發電機的轉速隨風速的變化而變化，發電機發出的交流電為變頻交流電，通過變頻器變頻后獲得可以與電網直接相連的恒頻交流電，需要變頻器作為一個轉換裝置接入系統，由于同步發電機通過變頻器與電網相連，并網時不會產生較大的電流沖擊，由于發電機的頻率和電網的頻率是相互獨立的，因此并網過程比較平坦，不會對電網的穩態運行造成太大影響，但是由于變頻器的接入，就會向電網注入高次諧波，這會對電網的電能質量產生一定影響，另外，電力電子裝置的價格一般較高，控制較為復雜，這就需要電力電子技術的更加進步和電力電子器件制作水平的不斷提高來完善。

4 結論

風力發電作為一種傳統化石能源的替代能源，具有很大的發展前景和必要性，由于現在風力發電并網的發展還受到技術資源等因素的制約，要想提高風電并網的穩定性，有效控制風電并網對電網造成的影響，除了協調好風電并網的容量和接入點之外，還應該加強對風電并網處電網的實時監測和反饋，這就需要軟件和硬件的共同支持，所以技術要先行，風電并網的發展空間很大，未來會吸引更多的人投入到風電并網的建設中來。

［1］孫自珂.風電并網對電力系統可靠性影響研究［D］.濟南：山東大學，2015.

［2］王旭光，房緒鵬.電力電子技術［M］.東營：中國石油大學出版社，2009.

TM43

A

1674-6708（2016）168-0237-02

王玲，山東科技大學。

范遵濤，山東科技大學。