风力发电并网技术及电能质量控制策略

风力发电并网技术及电能质量控制策略

朱元超

大唐河南清洁能源有限责任公司 河南省郑州市 450007

摘要：随着电学技术的不断进步以及成本的不断降低，电力电子学的出现为提高风电场的控制性能以及电网接入性能提供了一种全新的途径。利用电力电子技术对风机进行速度调节，以获取更大的风能。同时，电力电子装置还能解决风电并网系统中的无功、谐波等电能质量问题。我们在将对定速和变速风力涡轮机在不同拓扑构造下的功能特点进行比较研究,以及对不同种类风能设备的能源效率情况的研究。

关键词：自然资源；风力发电；电能质量控制；发展

风能资源具有可再生性，清洁无污染等特点，被认为是最具开发价值的能源之一。随着中国风电技术水平的不断提高，中国风电已由小型化向大型化、并网化发展。在发电过程中，利用大型风力涡轮机进行电网运行，能够提高风资源的利用率，提高发电效率，节省发电成本。最重要的是，它对电能质量会有比较好的影响，在电能质量控制方面取得了优异的效果，缓解了我国的电力短缺，提高了电能质量，为人民的生命提供了安全保障。

一、风力发电并网技术

(一)异步并网技术

异步风电机组在运行时，采用滑移率对负载进行调节，因而转速控制精度不高。在此条件下，不需安装同步装置，也不需全步运行，只需系统的运行速度与系统的同步速度相近即可实现并网。异步发电机的主要特点是控制设备比较简单，并网时无异步振荡、无功振荡、稳定可靠。但是，世界上没有十全十美的事情，异步风机并网技术在实际运行中仍有许多不足之处。如直接接入电网时，可能产生较大的浪涌电流，引起电压骤降，对整个电网的安全运行构成严重威胁。同时，由于电力系统本身不存在无功，所以总需要对无功进行补偿。

(二)同步并网技术

相对于异步风电机组，同步风电机组正常运行时，既有有功，又有无功。同时，该系统还具有较强的稳定性，从而大大提高系统的电能质量。这也是为什么现在很多电力系统都采用同步发电机的原因。近年来，同步风电机组（即同步发电机与风电机组一体化）逐渐成为电力领域的研究热点。由于风速波动较大，电机转子转矩波动较大，使得同步发电机难以满足并网调速时的精度要求。并网后，若有关人员未充分考虑上述因素，将极易引起系统失步或无功振荡（特别是重负荷运行时）。由于以上原因，目前同步发电机的应用还不够广泛。随着变频设备的发展，这些问题得到了一定程度的改善，所以，同步并网技术的应用值得我们再一次关注。

二、风力发电并网技术及电能质量的影响

（一）电压闪变与波动

风电并网技术直接影响到风电系统的电压，并可能引起电压闪烁、波动等故障。当风电并网时，若配变与接线地点距离较近，则该处的接线工作将使电网发生小幅度的电压闪烁现象。如果配变与接线位置距离过近，则会产生较大的电流影响，引起供电线路电压较大的波动，从而影响电机设备的正常运行。利用风能还可以提高电网的电压。目前，风电机组多采用感应电机。电机的旋转磁场需要消耗大量的无功，无功直接影响到整个电网的电压。风电技术的接入，将会降低大量的无功功率，以实现电压的降低。

(二)引入谐波

在使用风电并网技术时，会产生一系列的谐波，其中主要有：①逆变器与风电并网时产生的谐波；②风电并网后运行时，风电场自身构成谐波源。上述各方面均有可能造成谐波的引入，进而对电网结构的整体电能质量产生影响。另外，在现有风电技术中，大部分风电机组采用的是软并网方式，极易产生较大的冲击电流。在并网技术中，当切割风速小于外部风速时，风力涡轮机将处于额定运行状态，严重影响供电质量。

三、风力发电并网技术及电能质量控制策略

(一)科学有效地控制谐波

在风电并网技术应用过程中，由于谐波的存在，对电能质量产生了很大的影响。为提高风电并网技术应用效果及风电系统稳定运行，必须采取有效措施对谐波进行抑制。在此基础上，提出了一种有效抑制谐波的方法，以保证风电接入电网的安全性。将静态无功补偿设备作为载体，引入风电并网，对无功功率进行及时判断。根据判断结果，进一步了解设备的状态，对无功功率进行跟踪，并掌握功率的变化情况。实践证明，静态无功补偿装置具有响应速度快、控制能力强等优点，能够对电压波动进行有效的调节，并能迅速地对电压波动进行识别。根据这些分析结果，制定了有针对性的措施来有效地消除谐波，从而保证风机系统的稳定运行以及电能质量。

(二)加大电压闪变与波动控制力度

1.增设优良补偿装置、动态电压恢复设备

在风电并网技术应用过程中，电压闪变与波动是影响电能质量的两个主要因素。可增加优良的补偿装置，配合动态电压恢复装置，实现风电并网时储能。存储单元可用于实时存储无功功率.可根据实际情况，适当地向系统提供无功功率，并可根据运行需要对有功功率进行补偿，实现对电能质量的模块化、分阶段控制，提高系统的稳定性。

2.科学设置有源电力滤波设备

在出现闪变现象的时候，需要确定控制切入点，在负荷电流剧烈波动的情况下，对无功电流进行有效补偿，达到并网系统稳定性与负荷电流补偿、安全性提高的目的。在有源滤波装置中，引入可关闭电子器件，利用电子器件的功能，及时替换风电并网中不稳定的系统电源，为电压负载提供平稳、稳定的电流，确保风电并网系统的负载电流只与正弦基波电流相接触。在系统的稳定性和安全性方面，有源电力滤波设备的应用具有明显的优势。它的反应能力很快，可以对系统的异常情况做出快速的反应；设备可靠性高；闪变补偿率极高；良好的电压波动状况控制。

四、风电并网技术的发展前景

电力电子技术的应用，极大地改善了风电机组的工作特性：通过对风电机组的有功、无功控制，使风电机组对系统的电压、频率起到了一定的调节作用。大规模风电场接入电网后，风电成本将逐步降低，风电将更加普及。因此，电力电子技术对风电机组的控制、电能的转换以及电能质量的改善具有重要意义。应当考虑到下列问题：

一是为提高风力利用效率和降低功率电子变换器的能量消耗，必须选择与变速风机系统相匹配的功率电子变换器；二是增加无功动态补偿设备，如 SVC或 TSC，对电网和风轮机的故障恢复有利；三是每一种体系结构都有其自身的特点和适用范围，在选择体系结构时，应根据具体情况，结合实际情况来选择最适合体系结构。大功率海上风电场在电力电子装置上的应用。

五、结束语

虽然传统风电在我国并没有被完全淘汰，但是受社会市场需求的制约，传统风电在我国的应用受到了极大的限制。风电并网技术既能满足社会对风电的要求，又能极大地改善电力系统的电能质量。这是一项很有价值的技术。这种方法既可节约发电成本，又可提高风电利用率，还可节省大量的人力物力。无论在时效性和质量方面，传统的风力发电都无法与之相比，所以，风电并网技术是中国发电领域中的一项新的突破，具有积极的意义。

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