風力發(fā)電并網(wǎng)技術及電能質量控制策略

引言

風能資源是清潔的可再生能源。風力發(fā)電是新能源中技術最成熟、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。

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

1.恒速恒頻風電系統(tǒng)

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

目前，國內應用較多的是恒速恒頻發(fā)電機組，但是電力電子裝置應用較少。其中也有些機組的轉子回路接入電阻。用電力電子器件控制轉子電流的大小來調節(jié)轉速。這種風電機組的主要缺點是：當風速迅速增大時。風能將通過槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件。產生很大的機械應力。引起這些部件的疲勞損壞：同時在正常工作時這類風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。當電網(wǎng)故障時會影響系統(tǒng)電壓的恢復和系統(tǒng)穩(wěn)定。這也是普通異步發(fā)電機的風電機組的主要缺陷。其次。因為恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能是隨風速波動的。若風速急劇變化。可能會引起風電機組發(fā)出的電能質量有問題，如電壓閃變、無功波動等。通常在這類風電系統(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.變速恒頻風電系統(tǒng)

隨著電機變頻凋速技術的不斷發(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力發(fā)電系統(tǒng)得到了更加廣泛的研究與應用。

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有下列優(yōu)點：

a.根據(jù)風速的變化。風力機以不同的轉速旋轉。

減少了對風力機等機械裝置的機械應力：

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

c.風力機能夠對變化的風速起到一定的緩沖。

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

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

a.凡

b.當n>n.時，此時發(fā)電機處于超同步狀態(tài)，由定子和轉子共同向電網(wǎng)提供電能：

c.當凡=凡。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。變頻器向轉子提供直流勵磁。

雙饋電機通過變頻器調節(jié)轉子的勵磁電流實現(xiàn)變速恒頻控制。此時轉子電路的功率只是由交流勵磁發(fā)電機的轉速運行范同決定轉差功率。該轉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。雙饋風力發(fā)電機組有如下優(yōu)點：

a.轉子側儀傳遞轉羞能量。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。減少了相應的濾波器容量，降低了成本：

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

3.永磁多極同步發(fā)電機的風電系統(tǒng)

在永磁多極同步風力發(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。且當風速發(fā)生變化時也町以保證所發(fā)電能的電能質量。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力發(fā)電系統(tǒng)的容量相同。電力電子變流器設備成本較高。并且有高頻電流諧波注入電網(wǎng)。與傳統(tǒng)的風力發(fā)電機相比。永磁多極同步風力發(fā)電機組可以更多地捕獲風能和提高風電機組發(fā)出電力的電能質量。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)電機的轉子為永磁式結構。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)電機可做到風力機與發(fā)電機的直接耦合。省去了齒輪箱。即為n接驅動式結構。可大幅減少系統(tǒng)運行時由于齒輪箱等機械裝置導致的故障。從而提高整個風電機組的可靠性H卜bj。

4.風電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)裝置和無功補償設備

在直接與電網(wǎng)相連的風電系統(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處接有無功補償設備。常用的無功補償設備有并聯(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在風電運行中按照一定的順序進行分組投入或切出。能夠將補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用廣泛。但因其調節(jié)不連續(xù)、響應速度慢，很難對風機無功功率實現(xiàn)快速補償。

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

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注。

5.風電并網(wǎng)技術的發(fā)展前景

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

a.為增加風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)和風力發(fā)電機的故障恢復：

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

6.結語

風力發(fā)電技術的發(fā)展。使得風力發(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。加快了世界能源結構的優(yōu)化。然而，如何更加有效地利用風能、提高風力發(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)也給風力發(fā)電系統(tǒng)的控制技術提出了更高的要求。是目前風力發(fā)電系統(tǒng)研究的重要課題之一。而電力電子技術及現(xiàn)代控制技術的發(fā)展為解決這一課題提供了較好的技術方案。