风力发电并网技术及可靠度研究

风力发电并网技术及可靠度研究

张志国

（中广核风电有限公司内蒙古分公司内蒙古010020）

摘要：随着经济的日益发达，以及科技的进步，风能作为一种新型发电能源，它具有环保、节能、开发空间大等特点，风力发电并已经成为发电市场的重点开发项目。然而，考虑到风力发电的特征，其选址往往会在一些空旷、人类活动较少的区域。在实际发电运营过程之后，这些基础设施和配套装备极易遭受各种自然环境的侵害，进而在电力并网过程中诱发谐波污染等其他问题。本文就针对风力发电并网技术进行研究，并就相关的试验开展分析，以期提出实用性较强的电能质量保证策略。

关键词：风力发电；并网技术；质量控制

引言：目前，风力发电并网技术主要包含两种技术，一种是同步风力发电机组并网技术；另一种是异步风力发电机组并网技术。前者还处于研究阶段，只是大规模试用，而后者应用范围比较广，但是运用期间需要注意的问题比较多。中广核所属风电场的风力发电机组以上两类并网都有，因此以下两种并网方式从不同的方面进行分析：

一、风力发电并网技术

1同步风力发电机组并网技术

图1为采用交流同步发电机的典型风力发电并网系统。同步风力发电机组实际上，就是同步发电机与风力发电机的有机融合。同步发电机运行期间，不但可以输出有功功率，还能够提供无功功率，与此同时，还能够保证周波稳定，整体电能质量明显提升，因此我国很多电力系统中都选择应用同步发电机。如何能够将同步发电机与风力发电机有机融合，一直是电力专家学者重点研究的对象。绝大多数情况下，因为风速波动比较明显，会使得转子转矩出现大幅度波动，这就会使得并网调速无法满足同步发电机的精度要求。如果并网之后，工作人员未能充分的考虑到上述问题，尤其是重载运行时，整个系统会非常有可能出现无功振荡或者是失步现象。也正是因为如此，同步发电机一直都未得到大规模的应用。随着变频装置的研发与应用，上述问题已经得到了很好的解决。所以越来越多的专家学者同步风力发电机组并网技术又开始重视。

2异步风力发电机组并网技术

图2为早期采用交流异步发电机的典型风力发电并网系统。异步风力发电机对对调速精度没有过高，既不需要同步设备，也不需要整步操作，转速与同步转速基本上保持一致或者是不要相差过大即可。风力发电机与异步风力发电机有机融合之后，整体的控制装置并不复杂，并网之后基本上不会再出现无功振荡或者是失步问题，整体运行非常安全可靠。不过，异步发电机机组并网并不容易，需要解决很多问题。比如如果风力发电机与异步风力发电机直接并网，很有可能发生大冲击电流，此时电压会降低，这就导致电力系统容易出现运行隐患。与此同时，电力系统自身还存在无功补偿问题，而如果又发生磁路饱和现象，则无功激磁电流会进一步的增加，功率因素会因此明显降低。因此要想保证异步风力发电机组并网之后，安全可靠运行，有关部门务必要注重监督，采取预防策略。

二、风力发电机并网与运行试验

图3为风电机组并网示意，其中E为风电机组出口电压向量，U为电网电压向量，R、X分别为线路电阻和电抗，I为线路上流动的电流向量。

1软并网功能试验

工作人员提高机组主轴速度，如果异步风力发电机转速保持在92%~99%之间，可以启动并网接触器。此时发电机组与电网连接起来，只是两者之间是由双向晶闸管充当媒介。另外，还要对晶闸管进行一定的控制，主要是控制其在触发单元方面的问题，这样是为了能够保证晶闸管的导通角能够按照要求不断调整和变化，从而达到试验目的。一般来讲，在调整导通角时，其打开速率不能超出要求范围，且暂态过程在结束之后，还要将旁路开关接通，将晶闸管隔离开来。

2动态无功补偿装置功能特性测试试验

在该试验中，机组处于并网运行状态下，技术人员在对发电机进行相应的调整后，可以使其输出功率发生变化，从而使机组的负载情况发生变化，此时就可以通过观察来了解电容补偿投切的相关动作是否符合要求。在本试验的设计中，应当注意该试验应当在工况比较恶劣的情况下来完成，这样才能最大程度的保证试验的可靠性。一般应在风电大/小发工况的两种情况下进行。因为在风电小发工况下，充电功率比较多，这会导致220kV母线电压拥有比较高的水平。所以在小发工况下，工作人员只能够进行无功补偿试验。而在大发工况下，线路重载明显，会产生大量的无功损耗，母线电压则呈现出比较低的状态，所以在大发工况下，工作人员只能够进行容性无功补偿试验。但是无论哪一种工况下，都需要展开无功综合控制试验以及快速相应试验，以此确定无功补偿控制策略是否满足条件，同时检测SVG装置是否处于安全稳定的状态。

3风电场电能质量测试试验

风电场电能质量测试指标主要有电压偏差、谐波等。与此同时，还需要风电场停运过程中的各项并网点进行测试试验，试验主要的要点内容是各次谐波电压是否稳定以及电压总谐波是否发生畸变等。风电场如果处于正常的运行状态，则需要对各个功率区间进行测试试验，于此同时还需要对长时间闪变以及谐波电压等进行试验，以此确定风电场谐波电流是否符合要求，达到谐波值的95%。

三、风力发电机组发电系统并网可靠度分析

1可靠度计算数学模型

（1）随机变量及其分布函数

假设随机测试的结果可以归结为某一类型的变数，对于任意实数a<b，取样满足：{e|a≤X(e)≤b}，假设函数连续，极限存在，则概率密度函数定义为：

介于a与b之间的随机变量概率为：

（2）随机变量的数值变动

存在密度函数f（x）的连续随机变量x，其期望为：

2可靠度基本概念

电力系统可靠度，通常为发电机组故障时，用户端电力供应的减少程度，即供电端不受故障因素影响持续供电的程度。

（1）元件故障特性

许多原因造成的元件突发故障，元件连续运行时间T可视为一随机变量，其概率可表示为：

通过积分得到故障概率函数呈“浴缸状”，且分为初期阶段、特殊阶段和退化阶段，在特殊阶段，故障率维持不变，即λ（t）=λ

平均运行时间MTBF亦可作为可靠度指标，假如故障密度函数f（t）已知，则：

（2）元件修复特性

当元件发生故障后，其修复过程相当复杂，主要是因为受多因素影响，如：故障原因、故障位置、元件受损程度及修复能力，故修复时间TD亦为随机变量，修复率为：

3发电机组可靠度模型

（1）单一发电机模型

机组因无预警故障而使机组无法运转的机率，称为强迫停机率，发电机概率模型有运转和故障两种状态，而这两种状态的累积概率为：

（2）发电机组模型

当发电机组增加至n台时，Cn为其可用容量，qn为强迫停机率，Pn(x)为第n台机组增加后系统失载容量X的概率，可推得下式

4结束语

综上所述，可知虽然风力发电并网技术十分先进，但是因为还有些技术问题未能解决，所以我国的风力发电发展受到瓶颈制约。本文介绍基本的概率理论与可靠度分析方法，进而建立了电力系统发电机组的模型，根据发电机组资料，求出系统的失载表，建立了单一发电机模型和发电机组模型的可靠度计算公式。

参考文献

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