風(fēng)力發(fā)電中的電能質(zhì)量問(wèn)題分析

引言

風(fēng)能是一種清潔的、有可靠成本效益的發(fā)電資源,具有很高的環(huán)境效益和社會(huì)效益。全球市場(chǎng)對(duì)于風(fēng)力發(fā)電這樣的具有很高環(huán)保效益和社會(huì)效益的技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長(zhǎng)的需求。隨著風(fēng)電技術(shù)發(fā)展,我國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量不斷上升,風(fēng)力發(fā)電將逐步成為電力系統(tǒng)重要的電力來(lái)源。但受自然、技術(shù)等因素影響,風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動(dòng)、閃變和諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題阻礙了其發(fā)展。因此,如何控制好風(fēng)力發(fā)電中的電能質(zhì)量就顯得十分重要。

1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類型與特點(diǎn)

1.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),通過(guò)保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變,獲得與電網(wǎng)頻率一致的電能。其構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單,主要采用同步電機(jī)與鼠籠型感應(yīng)電機(jī)作為其發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于極對(duì)數(shù)和頻率,鼠籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速則稍高于同步轉(zhuǎn)速。其特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠,造價(jià)低,維護(hù)量小:缺點(diǎn)是氣動(dòng)效率低,結(jié)構(gòu)負(fù)荷高,只能在同步轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,并網(wǎng)操作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,當(dāng)風(fēng)速改變會(huì)使其偏離最佳運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

1.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其風(fēng)力機(jī)采取變速運(yùn)行,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化,通過(guò)電力電子變換裝置得到恒頻電能。在風(fēng)速變化情況下,通過(guò)此系統(tǒng)可以在捕獲最大風(fēng)能的同時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,使其輸出最大功率。同時(shí),變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率和無(wú)功功率,能補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外,該技術(shù)還能使發(fā)電機(jī)組與電力系統(tǒng)之間形成柔性連接。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),更易實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)操作,具有明顯的優(yōu)越性。

2風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

2.1電壓波動(dòng)和閃變

電壓波動(dòng)指電壓方均根值一系列相對(duì)快速變動(dòng)或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動(dòng)大小可由相對(duì)電壓變動(dòng)特性d來(lái)描述:

式中AU一線路首末端電壓差:

UN一線路額定電壓。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是風(fēng)電場(chǎng)引起電壓波動(dòng)的主要因素。當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行時(shí),向系統(tǒng)送出有功功率(P>0),風(fēng)電場(chǎng)出線上的壓降為:

式中P一線路有功功率損耗:

O一一線路無(wú)功功率損耗:

R一線路電阻:

X一一線路電抗:

U1一線路首端電壓。

由式(2)可以看出,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率,特別是無(wú)功功率波動(dòng),風(fēng)電場(chǎng)出線上的壓降會(huì)產(chǎn)生波動(dòng),導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組端電壓以及并網(wǎng)電壓波動(dòng),從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)。而閃變現(xiàn)象則是風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)較大時(shí)產(chǎn)生。風(fēng)電機(jī)組的輸出功率計(jì)算式:

式中P一一輸出功率:

p一空氣密度:

a一風(fēng)輪掃風(fēng)面積:

⑦一風(fēng)速:

cP(入,8)一風(fēng)能利用系數(shù),是葉尖速比入和獎(jiǎng)距角8的函數(shù)。

由式(3)可知,風(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速、空氣密度有關(guān),其值隨風(fēng)況在零功率和額定功率之間不斷波動(dòng),其中風(fēng)速影響更大。由于風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速的隨機(jī)性大,風(fēng)機(jī)功率頻繁變化會(huì)引起電壓頻繁波動(dòng)和閃變。此外,受塔影效應(yīng)、偏航誤差等因素影響,風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)會(huì)造成風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)。

2.2諧波

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中沒(méi)有電力電子元件參與,故沒(méi)有諧波產(chǎn)生。軟并網(wǎng)裝置含有電力電子元件,當(dāng)機(jī)組在工作狀態(tài)時(shí),將產(chǎn)生部分諧波電流,但因?yàn)闀r(shí)間很短可以忽略不計(jì)。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)因要產(chǎn)生恒頻電能,采用了大容量電力電子元件,給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染,諧波干擾的程度取決于電力電子元件裝置的整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其安裝的濾波裝置性能,同時(shí)也與電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。此外,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償裝置與線路電抗產(chǎn)生諧振,對(duì)諧波會(huì)起到嚴(yán)重的放大作用。

3提高電能質(zhì)量的措施

3.1電壓波動(dòng)與閃變的抑制技術(shù)

供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性以及電力系統(tǒng)短路容量大小是決定電壓波動(dòng)與閃變程度的重要因素。同時(shí),頻繁啟動(dòng)功率

較大的電機(jī)也會(huì)給系統(tǒng)造成很大沖擊。因而,抑制電壓波動(dòng)與閃變必然要從選擇補(bǔ)償裝置、改善設(shè)備性能、提高供電能力等幾方面來(lái)采取相應(yīng)措施。一般可通過(guò)降壓、加設(shè)斬波器、串接電阻等方式實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性的改善。通過(guò)如架設(shè)專用供電線路之類的供電方式的改造,可以有效降低電壓波動(dòng)和閃變問(wèn)題的嚴(yán)重程度,但需從經(jīng)濟(jì)性角度衡量投資與效益的關(guān)系。采用快速無(wú)功功率補(bǔ)償裝置也能很好抑制電壓波動(dòng)和閃變。

3.2電力諧波抑制技術(shù)

隨著越來(lái)越多敏感負(fù)荷對(duì)濾波效果要求的提高以及全控型功率器件技術(shù)的進(jìn)步,有源電力濾波器開(kāi)始受到人們的重視。有源電力濾波器相對(duì)于無(wú)源濾波器被動(dòng)吸收固定諧波而言,其能動(dòng)態(tài)產(chǎn)生與補(bǔ)償諧波形狀一致、相位相反的電流,以抵消非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流,達(dá)到抑制諧波的目的。有源電力濾波器響應(yīng)速度快,能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償,濾波效果不受系統(tǒng)參數(shù)影響的特點(diǎn),使其成為抑制電力諧波的良好選擇。除此之外,電抗器、電容器等其他靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置也能對(duì)諧波起到較好的抑制效果。

4結(jié)語(yǔ)

風(fēng)力發(fā)電規(guī)模迅速擴(kuò)大,風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)。但風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的電力諧波、電壓波動(dòng)及閃變等問(wèn)題,嚴(yán)重影響著風(fēng)力發(fā)電的效率。只有這些問(wèn)題得到有效解決,才能發(fā)揮風(fēng)力發(fā)電效能,使整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。