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(kāi)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(gè)新的解決方案。電力電子技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)扇片的調(diào)速。從而町得到更多的風(fēng)能。同時(shí)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(wú)功、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題提供解決方案?，F(xiàn)將分別對(duì)同定速度和凋速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。針對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理進(jìn)行比較與分析。并針對(duì)不同類(lèi)型的風(fēng)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用的是普通異步發(fā)電機(jī)。這種風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)正常T作在超同步狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率為負(fù)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(jī)組。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是恒速恒頻發(fā)電機(jī)組，但是電力電子裝置應(yīng)用較少。其中也有些機(jī)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(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這種風(fēng)電機(jī)組的主要缺點(diǎn)是：當(dāng)風(fēng)速迅速增大時(shí)。風(fēng)能將通過(guò)槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件。產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力。引起這些部件的疲勞損壞：同時(shí)在正常工作時(shí)這類(lèi)風(fēng)電機(jī)組無(wú)法對(duì)電壓穩(wěn)定進(jìn)行控制。不能和同步發(fā)電機(jī)一樣提供電壓支撐能力。闐此。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)會(huì)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(jī)的風(fēng)電機(jī)組的主要缺陷。其次。因?yàn)楹闼俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能是隨風(fēng)速波動(dòng)的。若風(fēng)速急劇變化?？赡軙?huì)引起風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的電能質(zhì)量有問(wèn)題，如電壓閃變、無(wú)功波動(dòng)等。通常在這類(lèi)風(fēng)電系統(tǒng)中采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC或TSC來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。并通過(guò)軟啟動(dòng)方法抑制啟動(dòng)時(shí)的發(fā)電機(jī)電流。

2.變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

隨著電機(jī)變頻凋速技術(shù)的不斷發(fā)展。采用雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁多極同步電機(jī)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(diǎn)：

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

減少了對(duì)風(fēng)力機(jī)等機(jī)械裝置的機(jī)械應(yīng)力：

b.通過(guò)對(duì)最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)能夠?qū)ψ兓娘L(fēng)速起到一定的緩沖。

使輸出功率的波動(dòng)變化減?。?/p>

d.通過(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組有功和無(wú)功輸出功率進(jìn)行解耦控制。并采用一定的控制策略。以分別單獨(dú)控制風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)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(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)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(jī)的風(fēng)電機(jī)組。該類(lèi)機(jī)組在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)很普及。困內(nèi)新建的風(fēng)場(chǎng)也大都采用這種機(jī)型。另外。采用永磁多極同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)已比較成熟。困外已開(kāi)始應(yīng)用。

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過(guò)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(jī)械頻率;P為電機(jī)的極對(duì)數(shù);f為轉(zhuǎn)子電流頻率。有下述3種情況：

a.凡

b.當(dāng)n>n.時(shí)，此時(shí)發(fā)電機(jī)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：

c.當(dāng)凡=凡。時(shí)，發(fā)電機(jī)處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)等效為同步電機(jī)運(yùn)行。變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。

雙饋電機(jī)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。此時(shí)轉(zhuǎn)子電路的功率只是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)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(duì)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(lì)磁的雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻榨制，還町以對(duì)有功、無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)單獨(dú)解耦控制。對(duì)電網(wǎng)而言可起到補(bǔ)償無(wú)功和穩(wěn)定電壓的作用。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有如下優(yōu)點(diǎn)：

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(jī)可在50%的同步轉(zhuǎn)速時(shí)正常工作：

b.雙饋電機(jī)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(guò)調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)出和吸收的無(wú)功功率。實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)和電壓控制。

3.永磁多極同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)

在永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間安裝有電力電子變流器?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的解耦控制。且當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)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(jī)發(fā)出頻率變化的交流電。然后通過(guò)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(guò)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(shí)沒(méi)有電流沖擊?？梢詫?duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是。所有的電能都要通過(guò)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(jī)相比。永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以更多地捕獲風(fēng)能和提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電力的電能質(zhì)量。雖然成本較大，但對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有利。

永磁多極同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)。無(wú)需外部提供勵(lì)磁電源。其變速恒頻控制是在定子電路實(shí)現(xiàn)的。把永磁發(fā)電機(jī)的交流電通過(guò)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(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合。省去了齒輪箱。即為n接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)?？纱蠓鶞p少系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于齒輪箱等機(jī)械裝置導(dǎo)致的故障。從而提高整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的可靠性H卜bj。

4.風(fēng)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)裝置和無(wú)功補(bǔ)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(jī)，如果直接并網(wǎng)會(huì)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(jìn)行軟并網(wǎng)。異步發(fā)電機(jī)通過(guò)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(gè)較為平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程，有效避免了保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的順利并網(wǎng)。

由于異步發(fā)電機(jī)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(jī)出13處接有無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。常用的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備有并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、靜止無(wú)功發(fā)生器等。

并聯(lián)電容器補(bǔ)償裝置采用接觸器或電力電子開(kāi)關(guān)在風(fēng)電運(yùn)行中按照一定的順序進(jìn)行分組投入或切出。能夠?qū)⒀a(bǔ)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(bǔ)償裝置成本低。囚此在無(wú)功補(bǔ)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(duì)風(fēng)機(jī)無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)快速補(bǔ)償。

靜止無(wú)功補(bǔ)償器由多臺(tái)(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(wú)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(wú)功發(fā)生器是采用特定的檢測(cè)方法獲得需補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流后再通過(guò)電力電子變流器產(chǎn)生該部分無(wú)功電流，以實(shí)現(xiàn)無(wú)功的迅速補(bǔ)償。靜止無(wú)功發(fā)生器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波與無(wú)功的綜合補(bǔ)償與抑制。補(bǔ)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(guò)采用電力電子技術(shù)。風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性大為改善;通過(guò)有功、無(wú)功控制，風(fēng)電機(jī)組叮以對(duì)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(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行。也將會(huì)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(duì)于風(fēng)電機(jī)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(gè)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(lái)匹配變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)：

b.增加無(wú)功動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置SVC或TsC有利于電網(wǎng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障恢復(fù)：

c.每個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都有自己的特征和適宦性。針對(duì)于不同的海上風(fēng)場(chǎng)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(chǎng)將廣泛應(yīng)用電力電子裝置。

6.結(jié)語(yǔ)

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(jìn)一步降低。其在電力市場(chǎng)中所占份額得以提高。具備了和常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)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。

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