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

引言

風(fēng)能資源是清潔的可再生能源。風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

隨著電力電子技術(shù)發(fā)展和成本降低。其在控制方面和電網(wǎng)接人方面為風(fēng)力發(fā)電的性能改善提供了一個新的解決方案。電力電子技術(shù)可以實現(xiàn)扇片的調(diào)速。從而町得到更多的風(fēng)能。同時電力電子裝置可以為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)中所出現(xiàn)的無功、諧波等電能質(zhì)量問題提供解決方案?，F(xiàn)將分別對同定速度和凋速風(fēng)力發(fā)電機。針對不同拓撲結(jié)構(gòu)的工作原理進行比較與分析。并針對不同類型的風(fēng)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題進行分析。

1.恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

恒速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)采用的是普通異步發(fā)電機。這種風(fēng)電機組的發(fā)電機正常T作在超同步狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率為負值。并且其變化范圍較小。所以被稱為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組。

目前，國內(nèi)應(yīng)用較多的是恒速恒頻發(fā)電機組，但是電力電子裝置應(yīng)用較少。其中也有些機組的轉(zhuǎn)子回路接入電阻。用電力電子器件控制轉(zhuǎn)子電流的大小來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn) 速。這種風(fēng)電機組的主要缺點是：當(dāng)風(fēng)速迅速增大時。風(fēng)能將通過槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件。產(chǎn)生很大的機械應(yīng)力。引起這些部件的疲勞損壞：同時在正常工作時這類風(fēng)電機組無法對電壓穩(wěn)定進行控制。不能和同步發(fā)電機一樣提供電壓支撐能力。闐此。當(dāng)電網(wǎng)故障時會影響系統(tǒng)電壓的恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定。這也是普 通異步發(fā)電機的風(fēng)電機組的主要缺陷。其次。因為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能是隨風(fēng)速波動的。若風(fēng)速急劇變化?？赡軙痫L(fēng)電機組發(fā)出的電能質(zhì)量有問題，如電壓閃變、無功波動等。通常在這類風(fēng)電系統(tǒng)中采用靜止無功補償器SVC或TSC來進行動態(tài)無功補償。并通過軟啟動方法抑制啟動時的發(fā)電機電流。

2.變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

隨著電機變頻凋速技術(shù)的不斷發(fā)展。采用雙饋異步發(fā)電機和永磁多極同步電機的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)得到了更加廣泛的研究與應(yīng)用。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有下列優(yōu)點：

a.根據(jù)風(fēng)速的變化。風(fēng)力機以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

減少了對風(fēng)力機等機械裝置的機械應(yīng)力：

b.通過對最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤。風(fēng)力發(fā)電機組在可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)均町獲得最佳功率輸出：

c.風(fēng)力機能夠?qū)ψ兓娘L(fēng)速起到一定的緩沖。

使輸出功率的波動變化減?。?/p>

d.通過對風(fēng)電機組有功和無功輸出功率進行解耦控制。并采用一定的控制策略。以分別單獨控制風(fēng)電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力。

岡此。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運行很有利。當(dāng)前的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較多的是采用雙饋異步發(fā)電機的風(fēng)電機組。該類機組在國外的應(yīng)用已 經(jīng)很普及。困內(nèi)新建的風(fēng)場也大都采用這種機型。另外。采用永磁多極同步發(fā)電機的風(fēng)電機組技術(shù)已比較成熟。困外已開始應(yīng)用。

在雙饋風(fēng)力發(fā) 電機組的控制方面。電力電子裝置起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機轉(zhuǎn)速變化時，通過變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的頻率f，可使定子頻率工恒定，即應(yīng)滿足： 工=p。其中，工為定子電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同;名為轉(zhuǎn)子機械頻率;P為電機的極對數(shù);f為轉(zhuǎn)子電流頻率。有下述3種情況：

當(dāng)

當(dāng)>n時此時發(fā)電機處于超同步狀態(tài)，由定子和轉(zhuǎn)子共同向電網(wǎng)提供電能。

當(dāng)=n時，發(fā)電機處于同步狀態(tài)，此時發(fā)電機等效為同步電機運行。變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵磁。

雙饋電機通過變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵磁電流實現(xiàn)變速恒頻控制。此時轉(zhuǎn)子電路的功率只是由交流勵磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范同決定轉(zhuǎn)差功率。該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定 功率的一小部分。所以對變頻器的容量要求、控制難度及成本大幅度降低。并且采用變頻器調(diào)節(jié)交流勵磁的雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現(xiàn)變速恒頻榨制，還町以對有功、無功功率實現(xiàn)單獨解耦控制。對電網(wǎng)而言可起到補償無功和穩(wěn)定電壓的作用。雙饋風(fēng)力發(fā)電機組有如下優(yōu)點：

a.轉(zhuǎn)子側(cè)儀傳遞轉(zhuǎn)羞能量。變頻器容量要求大幅降低。且發(fā)電機可在50%的同步轉(zhuǎn)速時正常工作：

b.雙饋電機中變頻器的諧波含量較少。減少了相應(yīng)的濾波器容量，降低了成本：

c.可以通過調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機發(fā)出和吸收的無功功率。實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)和電壓控制。

3.永磁多極同步發(fā)電機的風(fēng)電系統(tǒng)

在永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機組中。在發(fā)電機和電網(wǎng)之間安裝有電力電子變流器?？蓪崿F(xiàn)對有功和無功的解耦控制。且當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時也町以保證所發(fā)電能的電能 質(zhì)量。該系統(tǒng)的丁作原理如下：首先。采用永磁多極同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電。然后通過整流裝置將該頻率變化的交流電整流成為直流電。最后再通過逆變器將直流電變換為一lj頻的交流電送人電網(wǎng)。這種系統(tǒng)在并網(wǎng)時沒有電流沖擊?？梢詫Πl(fā)電機的無功功率進行調(diào)節(jié)。但是。所有的電能都要通過變流器送入電網(wǎng)。岡此變流器容量和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量相同。電力電子變流器設(shè)備成本較高。并且有高頻電流諧波注入電網(wǎng)。與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機相比。永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機組可以 更多地捕獲風(fēng)能和提高風(fēng)電機組發(fā)出電力的電能質(zhì)量。雖然成本較大，但對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有利。

永磁多極同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)。無需外部提供勵磁電源。其變速恒頻控制是在定子電路實現(xiàn)的。把永磁發(fā)電機的交流電通過變流器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電。因此變流器的容最與系統(tǒng)的額定容量相同。采用永磁發(fā)電機可做到風(fēng)力機與發(fā)電機的直接耦合。省去了齒輪箱。即為n接驅(qū)動式結(jié)構(gòu)?？纱蠓鶞p少系統(tǒng)運行時由于齒輪箱等機械裝置導(dǎo)致的故障。從而提高整個風(fēng)電機組的可靠性H卜bj。

4.風(fēng)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)裝置和無功補償設(shè)備

在直接與電網(wǎng)相連的風(fēng)電系統(tǒng)中常用鼠籠型異步發(fā)電機，如果直接并網(wǎng)會使得并網(wǎng)電流較大。因此常采用電力電子軟并網(wǎng)裝置進行軟并網(wǎng)。異步發(fā)電機通過晶閘管平穩(wěn)并網(wǎng)。叮以將并網(wǎng)電流限制在額定電流的1.5倍以下。從而得到一個較為平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程，有效避免了保護裝置的誤動作。實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機的順利并網(wǎng)。

由于異步發(fā)電機的功率因數(shù)一般較低。為了提高功率岡數(shù)。通常在異步發(fā)電機出13處接有無功補償設(shè)備。常用的無功補償設(shè)備有并聯(lián)電容器補償裝置、靜止無功補償器、靜止無功發(fā)生器等。

并聯(lián)電容器補償裝置采用接觸器或電力電子開關(guān)在風(fēng)電運行中按照一定的順序進行分組投入或切出。能夠?qū)⒀a償前較低的功率因數(shù)提高到約0.98。

由于并聯(lián)電容器補償裝置成本低。囚此在無功補償方面應(yīng)用廣泛。但因其調(diào)節(jié)不連續(xù)、響應(yīng)速度慢，很難對風(fēng)機無功功率實現(xiàn)快速補償。

靜止無功補償器由多臺(組)可投切電容器、快速可調(diào)整容最的電抗器以及各次諧波濾波裝置組成。裝置的響應(yīng)速度快。能迅速跟蹤變化的無功?？奢^大幅度調(diào)節(jié)由風(fēng)速變化引起的電壓變化。濾除諧波。從而提高電能質(zhì)量。

靜止無功發(fā)生器是采用特定的檢測方法獲得需補償?shù)臒o功電流后再通過電力電子變流器產(chǎn)生該部分無功電流，以實現(xiàn)無功的迅速補償。靜止無功發(fā)生器可以實現(xiàn)對諧波與無功的綜合補償與抑制。補償范圍較大。目前得到了較為廣泛的關(guān)注。

5.風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展前景

通過采用電力電子技術(shù)。風(fēng)電機組的運行特性大為改善;通過有功、無功控制，風(fēng)電機組叮以對系統(tǒng)的頻率和電壓控制起到一定作用：而大規(guī)模風(fēng)電場的并網(wǎng)運 行。也將會逐漸降低風(fēng)力發(fā)電的成本。使風(fēng)力發(fā)電更為普及。兇此?，F(xiàn)今的電力電子技術(shù)對于風(fēng)電機組的控制、電能的轉(zhuǎn)換以及電能質(zhì)量的改善都能起到關(guān)鍵作用，具體應(yīng)考慮以下幾個方面：

a.為增加風(fēng)能的利用效率和減小電力電子變換器的能耗。要選擇適合的電力電子變換器來匹配變速風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)：

b.增加無功動態(tài)補償裝置SVC或TsC有利于電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電機的故障恢復(fù)：

c.每個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都有自己的特征和適宦性。針對于不同的海上風(fēng)場要具體考慮。選擇最適合的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。大容量海上風(fēng)電場將廣泛應(yīng)用電力電子裝置。

6.結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。使得風(fēng)力發(fā)電的成本進一步降低。其在電力市場中所占份額得以提高。具備了和常規(guī)能源競爭的能力。加快了世界能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。然而， 如何更加有效地利用風(fēng)能、提高風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的效率，減小并網(wǎng)沖擊和電力諧波、提高功率因數(shù)也給風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)提出了更高的要求。是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究的重要課題之一。而電力電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展為解決這一課題提供了較好的技術(shù)方案。