風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能質(zhì)量控制策略

董書俊 吳 昊

（江蘇海上龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司，江蘇 南通 226014）

作為可再生資源的代表之一，風(fēng)能資源能夠有效緩解我國傳統(tǒng)資源短缺的壓力，協(xié)調(diào)了資源應(yīng)用與生態(tài)環(huán)境改善的關(guān)系。目前風(fēng)能技術(shù)研究逐漸成熟，風(fēng)能發(fā)電規(guī)模擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展市場與前景十分廣闊。電力電子技術(shù)的不斷升級，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)成本降低，為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)性能的優(yōu)化創(chuàng)造了有利條件。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，解決了風(fēng)力發(fā)電中存在的無功、諧波問題，提升了風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性。文章研究旨在加大對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能控制的研究力度，為風(fēng)力發(fā)電未來發(fā)展積累更多經(jīng)驗(yàn)。

1 剖析風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)研究重要性

風(fēng)力發(fā)電改變了熱能轉(zhuǎn)變電能的傳統(tǒng)發(fā)電模式，降低了電能生產(chǎn)過程中對環(huán)境的危害，對比傳統(tǒng)發(fā)電模式，污染處理成本更低。作為典型的綠色可再生資源，在滿足發(fā)電條件基礎(chǔ)上不會產(chǎn)生附加污染物，有效實(shí)現(xiàn)生態(tài)發(fā)展綠色環(huán)保目標(biāo)，為經(jīng)濟(jì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展提供助力[1]。目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)逐漸成熟，國家對風(fēng)力發(fā)電量的需求也在不斷增加以及政府對風(fēng)能方面資金與技術(shù)的側(cè)重，使風(fēng)力發(fā)電廠覆蓋規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。為了更好地發(fā)展風(fēng)力發(fā)電，提高電能的利用效率，應(yīng)積極采取風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，通過有效并網(wǎng)處理，打造離網(wǎng)型發(fā)展結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮出風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢。風(fēng)力發(fā)電廠的建設(shè)成本低，施工周期較短，占地面積少，這些都為風(fēng)力發(fā)電電網(wǎng)建設(shè)提供了有利條件[2]。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，為風(fēng)力電能有效利用奠定了基礎(chǔ)，便于深度開發(fā)風(fēng)力潔凈能源價值。直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)

2 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)詳細(xì)介紹

2.1 同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電中同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠做到無功功率、有功功率同步實(shí)現(xiàn)形成與輸出，整體運(yùn)行周波穩(wěn)定，有效提高了風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量，提高了風(fēng)力電網(wǎng)終端用電設(shè)備的穩(wěn)定性，維持正常運(yùn)行的同時保證了風(fēng)力發(fā)電的安全性。同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在部分薄弱環(huán)節(jié)，風(fēng)速控制方面效果不夠理想，運(yùn)行轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定性較差，電力系統(tǒng)應(yīng)用同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)期間，系統(tǒng)會受到明顯沖擊，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備損耗增加，壽命縮短[3]。同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)中還存在精度、轉(zhuǎn)矩不符等現(xiàn)象，電能質(zhì)量受到直接影響，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓與系統(tǒng)運(yùn)行最終電壓之間存在差異性。同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用掌握能力有待提高，若技術(shù)控制不到位，將產(chǎn)生無功振蕩情況，導(dǎo)致電能質(zhì)量降低。為了更好地發(fā)揮出同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，擴(kuò)大應(yīng)用范圍，采用變頻裝置，協(xié)調(diào)電機(jī)與電網(wǎng)關(guān)系，進(jìn)一步提升技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展速度。

2.2 異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)

異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)與同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)存在差別。高精度機(jī)組調(diào)速方面，異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)對高精度機(jī)組調(diào)速要求嚴(yán)格度不高，并網(wǎng)操作簡潔，通過對基本轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速的控制即可實(shí)現(xiàn)。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)能夠有效提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，控制裝置復(fù)雜度較低[4]。實(shí)際應(yīng)用中存在的難點(diǎn)包括并網(wǎng)技術(shù)處理時，電力系統(tǒng)將受到較大沖擊，系統(tǒng)的安全性易受到威脅；受磁路飽和現(xiàn)象干擾，勵磁電流增加，系統(tǒng)功率出現(xiàn)明顯波動。異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用有效性的提高，應(yīng)妥善了解實(shí)際應(yīng)用難點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上打造完善的監(jiān)督體系，實(shí)時觀察并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。科學(xué)梳理異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用思路，采取有效措施緩解系統(tǒng)沖擊電流，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖2 異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)系統(tǒng)原理

結(jié)合圖2內(nèi)容，電子電力裝置尤為關(guān)鍵。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速受到風(fēng)速變化影響，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為n，變頻器會及時對轉(zhuǎn)子電流頻率fr進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到并網(wǎng)系統(tǒng)要求的定子頻率恒定狀態(tài)，即fs，滿足fs=pfm+fr。定子電流頻率必須保持風(fēng)力電網(wǎng)頻率同步狀態(tài)，轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率為fm，轉(zhuǎn)子電流頻率為fr，電極極對數(shù)為p。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(n1)之間關(guān)系為n＜n1時，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)狀態(tài)為亞同步，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)行所需要的交流勵磁電流主要由變頻器提供，發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)提供電能主要依靠定子實(shí)現(xiàn)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(n1)之間關(guān)系為n＞n1時，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)狀態(tài)為超同步狀態(tài)，電網(wǎng)電能主要通過定子、轉(zhuǎn)子共同提供；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與定子旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速(n1)之間為n=n1關(guān)系，則風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)狀態(tài)為同步，變頻器通過轉(zhuǎn)子直接向系統(tǒng)提供直流勵磁。借助變頻器對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子勵磁電流進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到變速恒頻的有效控制，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)轉(zhuǎn)速的調(diào)整，有效控制機(jī)械應(yīng)力的消耗。實(shí)時跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化，保證發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)期間始終處于最佳功率輸出狀態(tài)。減少沖擊力，提高輸出功率穩(wěn)定性。

3 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用電能質(zhì)量受到的影響

3.1 諧波的引入

諧波對于風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的使用具有一定的影響，使用風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)時，涉及的逆變器通常會形成諧波；接通風(fēng)力電源后，開展工作時也會形成諧波。二者均會引入一定量的諧波，對于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電能質(zhì)量產(chǎn)生直接影響[5]。受客觀因素影響，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)在使用時，多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時主要是使用軟并網(wǎng)技術(shù)，技術(shù)應(yīng)用過程中會形成大量的沖擊電流，若外界風(fēng)速大于切入風(fēng)速，風(fēng)機(jī)將無法達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)，對使用風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的電網(wǎng)供電質(zhì)量影響較為嚴(yán)重。

3.2 電壓閃變與波動

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)對于風(fēng)力發(fā)電電壓有直接影響，會產(chǎn)生電壓閃變、電壓波動等問題。連接風(fēng)電發(fā)電并網(wǎng)時，配電變壓器與連接位置若較為接近，此處的接入工作會導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生較小的電壓閃變[6]。若配電變壓器與連接位置極為接近，將對電流產(chǎn)生極大影響，會使饋線的電壓出現(xiàn)較大波動，影響電機(jī)設(shè)備的正常使用。風(fēng)力發(fā)電的使用，也會提升電網(wǎng)電壓，現(xiàn)階段多數(shù)風(fēng)力發(fā)電電機(jī)均為異步電機(jī)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場構(gòu)建使用大量的無功功率，無功功率會對電網(wǎng)的整體電壓產(chǎn)生直接影響，通過風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)對發(fā)電進(jìn)行入網(wǎng)處理，會減少大量無功功率，達(dá)到降壓的目的[7]。

4 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電能質(zhì)量控制的有效措施

4.1 科學(xué)有效地控制諧波

風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，電能質(zhì)量會受到諧波影響，為了提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用效果與風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定性，應(yīng)采取有效率措施對諧波進(jìn)行控制。從電能質(zhì)量控制角度出發(fā)，有效抑制諧波，保證風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)的安全性[8]。以靜止無功補(bǔ)償設(shè)備為載體，引入風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中，及時對無功功率進(jìn)行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)一步了解，跟蹤無功功率，掌握功率變化狀態(tài)。靜止無功補(bǔ)償設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)迅速，控制能力較強(qiáng)，能夠有效調(diào)節(jié)電壓起伏情況，快速鎖定電壓起伏原因，據(jù)此制定針對性措施，有效消除諧波，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性和電能質(zhì)量。

4.2 加大電壓閃變與波動控制力度

（1）增設(shè)優(yōu)良補(bǔ)償裝置、動態(tài)電壓恢復(fù)設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用中，電能質(zhì)量控制主要表現(xiàn)為電壓閃變控制、波動控制。可增設(shè)優(yōu)良補(bǔ)償裝置，搭配動態(tài)電壓恢復(fù)設(shè)備，及時對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中的能量進(jìn)行儲存，設(shè)置儲存單元，實(shí)時對無功功率進(jìn)行存儲，根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)為系統(tǒng)提供無功功率，結(jié)合運(yùn)行需求對有功功率進(jìn)行補(bǔ)償，使電能質(zhì)量實(shí)現(xiàn)單元化、階段性控制，提高穩(wěn)定性。

（2）科學(xué)設(shè)置有源電力濾波設(shè)備。閃變現(xiàn)象的出現(xiàn)，需確定控制切入點(diǎn)，對負(fù)荷電流劇烈波動狀態(tài)，有效補(bǔ)償無功電流，達(dá)到并網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性與負(fù)荷電流補(bǔ)償、安全性提高的目的。有源電力濾波設(shè)備的設(shè)置，需要引入可關(guān)斷電子設(shè)備零件，通過電子控制設(shè)備功能，及時對風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)中不穩(wěn)定系統(tǒng)電源進(jìn)行替換，為電壓負(fù)荷輸送平滑穩(wěn)定的電流，確保風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷電流僅接觸正弦基波電流。對系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性方面，有源電力濾波設(shè)備應(yīng)用優(yōu)勢明顯，其反應(yīng)能力迅速，能夠根據(jù)系統(tǒng)異常情況快速作出應(yīng)對；設(shè)備可靠性高；閃變補(bǔ)償率極高；電壓波動狀態(tài)控制效果好。

（3）加大優(yōu)化電能質(zhì)量的力度。電能質(zhì)量的理想狀態(tài)是形成正弦波，受各種因素影響，電波波形通常會出現(xiàn)偏離現(xiàn)象。對當(dāng)前的電能狀態(tài)進(jìn)行分析可知，多數(shù)地區(qū)均有電能質(zhì)量不高的狀況，需針對電能質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化與控制。不斷優(yōu)化電功率，保證形成無功就地平衡狀態(tài)，確保供電半徑具有較強(qiáng)的合理性；根據(jù)實(shí)際需求選擇合理的供電線路導(dǎo)線截面，對變電與配電設(shè)備的配置進(jìn)行科學(xué)設(shè)計，防止超負(fù)荷問題出現(xiàn)；合理設(shè)置調(diào)壓措施，調(diào)壓措施的應(yīng)用能夠有效解決變壓器加裝存在的各種問題。

（4）風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)智能調(diào)控技術(shù)。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)智能調(diào)控技術(shù)，是電能質(zhì)量控制的重要措施。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)智能化水平不斷提高，為電能質(zhì)量控制提供了有利條件。

智能調(diào)控技術(shù)主要表現(xiàn)包括科學(xué)整合傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)以及智能感應(yīng)技術(shù)的有效控制。傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合應(yīng)用，以自動化控制系統(tǒng)為載體，保證傳輸安全基礎(chǔ)上及時傳輸，嵌入智能化技術(shù)，科學(xué)利用ICP/TP傳輸協(xié)議打造共享傳輸系統(tǒng)，解決不同系統(tǒng)通信不及時的問題。以風(fēng)力發(fā)電用戶端設(shè)備為主，借助寬帶路由器輔助與公共局域網(wǎng)的支持，對電能質(zhì)量進(jìn)行智能化控制；風(fēng)力發(fā)電電能質(zhì)量控制應(yīng)用到智能感應(yīng)技術(shù)，打造系統(tǒng)化的智能電網(wǎng)，控制電網(wǎng)中的設(shè)備，通過全過程電網(wǎng)監(jiān)測，實(shí)時提取設(shè)備信息，掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；科學(xué)應(yīng)用無線感應(yīng)器，提高智能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，科學(xué)調(diào)整變動電器，充分發(fā)揮智能感應(yīng)技術(shù)的功能優(yōu)勢。

5 結(jié)語

對風(fēng)力發(fā)電而言，并網(wǎng)技術(shù)是智能化與技術(shù)性發(fā)展的重要支撐，關(guān)系著風(fēng)力發(fā)電的可持續(xù)性。風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用過程中電能質(zhì)量易受影響，為了保證電能質(zhì)量，必須制定有效的控制措施。新能源開發(fā)已經(jīng)進(jìn)入新的階段，科學(xué)技術(shù)的支持以及風(fēng)力發(fā)電量需求的增加，標(biāo)志著風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用研究力度將進(jìn)一步上升。結(jié)合機(jī)組并網(wǎng)容量變化與電能質(zhì)量穩(wěn)定性要求，深層次剖析不同并網(wǎng)技術(shù)下風(fēng)力發(fā)電效率變化。同步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)、異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)具體應(yīng)用中存在很多差異性，并且在不同程度上體現(xiàn)出應(yīng)用薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)根據(jù)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)情況，做出針對性地優(yōu)化調(diào)整，及時規(guī)避并網(wǎng)技術(shù)問題。制定更完善的電能質(zhì)量控制方案，有效提高風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用以及電能質(zhì)量。