魏 巍，關乃夫，徐 冰

（1.華北電力大學，北京 100000；2.國網(wǎng)白城供電公司，吉林 白城 137000）

風力發(fā)電是一種清潔環(huán)保的可再生能源。隨著風力發(fā)電場容量逐漸變大，對整個電網(wǎng)系統(tǒng)的影響也越來越大。因為風力發(fā)電場一般處在人口稀少的偏遠地區(qū)，不是供電網(wǎng)絡的中心，一般承受沖擊的能力不強，所以，風電有可能會給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動及閃變等問題，風電的隨機性也會給發(fā)電和運行計劃的制定帶來許多阻礙，研究風力發(fā)電并網(wǎng)技術也成為了廣泛關注的課題。本文介紹了風力發(fā)電并網(wǎng)技術和風力發(fā)電并網(wǎng)及運行試驗，討論分析了風力發(fā)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響，并介紹了控制電能質(zhì)量的方法［1］。

1 風力發(fā)電并網(wǎng)技術

風力發(fā)電并網(wǎng)技術要求發(fā)電機輸出的電壓在幅值、頻率以及相位上和電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓要完全相同。隨著風力發(fā)電機組容量的逐漸加大，風電在并網(wǎng)時對于電網(wǎng)的沖擊也越來越大。當并網(wǎng)沖擊十分嚴重的時候，不但會引起電力系統(tǒng)電壓下降，還會對發(fā)電機和機械部件（塔架、槳葉、增速器等）造成一定的損壞。如果并網(wǎng)沖擊時間持續(xù)過長，可能會出現(xiàn)系統(tǒng)瓦解或者威脅到其他掛網(wǎng)機組的正常運行，所以，必須要選擇合理的并網(wǎng)技術。

1.1 同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術

同步發(fā)電機在運行過程中，在輸出有功功率的同時，又可以提供無功功率，而且周波穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，所以已經(jīng)被電力系統(tǒng)廣泛采用。怎么讓這項技術和風力發(fā)電機并網(wǎng)技術實現(xiàn)完美融合就成為當今人們要研究的問題。在很多時候，由于風速不穩(wěn)定，會導致在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能將不能達到同步發(fā)電機所要求的精度，如果并網(wǎng)后不對其進行有效控制，特別是重載情況下，極可能會發(fā)生無功振蕩與失步問題，所以，過去的許多年里國內(nèi)外風力發(fā)電機組都很少會采用同步發(fā)電機。近些年來，伴隨著電力電子技術的高速發(fā)展，已經(jīng)可以通過技術在一定程度上避免這些問題，比如在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用變頻裝置就是有效的辦法，人們又重新開始重視同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術。

1.2 異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術

與同步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術相比，異步風力發(fā)電機在其運行過程中，由于是靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負荷的，所以對機組的調(diào)速精度要求不高，不需要同步設備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的時候，就可以進行并網(wǎng)。風力發(fā)電機組配用異步發(fā)電機，最顯著的優(yōu)點就是這項技術的控制裝置比較簡單，并網(wǎng)后不會產(chǎn)生無振蕩和失步問題，運行穩(wěn)定可靠；但是異步風力發(fā)電機組并網(wǎng)技術運行過程中也有一些問題，比如直接并網(wǎng)就有可能導致大沖擊電流，造成電壓下降，影響到系統(tǒng)的安全運行；系統(tǒng)本身沒有無功功率，需要進行無功補償；過高的系統(tǒng)電壓會使其磁路飽和，無功激磁電流大幅增加，定子電流過載，功率因數(shù)急劇下降；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于上升，會因為同步轉(zhuǎn)速的上升而導致異步發(fā)電機從發(fā)電狀態(tài)變成電動狀態(tài)，不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率下降，又會使異步發(fā)電機電流劇增而過載等，所以，必須要嚴格監(jiān)督并采取措施來保證異步風力發(fā)電機組安全運行［2］。

2 風力發(fā)電機并網(wǎng)及運行試驗

GB／T 19070—2003《風力發(fā)電機組控制器試驗方法》規(guī)定了并網(wǎng)型風力發(fā)電機組控制器的試驗條件、試驗方法及與電網(wǎng)并聯(lián)運行相應的規(guī)范。發(fā)電機并網(wǎng)及運行試驗主要包括了軟并網(wǎng)功能試驗、補償電容投切試驗、小電機－大電機切換試驗和大電機－小電機切換試驗。

2.1 軟并網(wǎng)功能試驗

將機組主軸升速，當異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到了同步速的92%到99%的時候，并網(wǎng)接觸器啟動，發(fā)電機經(jīng)一組雙向晶閘管與電網(wǎng)連接，控制晶閘管的觸發(fā)單元，使雙向晶閘管的導通角從0°遂漸增大到180°，調(diào)整晶閘管導通角打開的速率，使并網(wǎng)過程中的沖擊電流不會超過技術條件下的規(guī)定值。暫態(tài)過程結束的時候，旁路開關閉合，將晶閘管短接。

2.2 動態(tài)無功補償裝置功能特性測試試驗

在機組并網(wǎng)運行過程中，通過調(diào)整發(fā)電機的輸出功率，在不同負載情況下觀察電容補償投切動作是否正常。動態(tài)無功補償裝置功能特性測試試驗要選擇2種最惡劣工況進行，分別是風電小發(fā)工況和風電大發(fā)工況。

風電小發(fā)工況下，風電場送電線路充電功率較多，220kV 母線電壓達到較高水平。因此，該工況下只適合感性無功補償試驗。風電大發(fā)工況下，風電場送出線路重載，無功損耗最大，風電場220kV母線電壓達到較低水平。因此該工況下只適合容性無功補償試驗。兩種工況都要進行穩(wěn)態(tài)下電壓無功綜合控制試驗和暫態(tài)過程中裝置的快速響應試驗，以驗證無功補償控制策略的正確性及SVG 裝置的穩(wěn)定性。

2.3 風電機組低電壓穿越能力測試試驗

風機故障穿越能力檢測系統(tǒng)原理圖如圖1 所示。限流電抗用于限制電壓跌落對電網(wǎng)及風電場內(nèi)其他在運行風力發(fā)電機組的影響。測試時，應根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整限流電抗阻值的大小，確保電壓跌落測試不會對電網(wǎng)造成不可接受的影響，同時也不會顯著影響風力發(fā)電機組的暫態(tài)響應。在電壓跌落發(fā)生前后，限流電抗可利用旁路開關短接。短路電抗閉合短路開關，將短路電抗三相或兩相連接在一起，通過模擬電網(wǎng)故障在測試點產(chǎn)生要求的電壓跌落。限流電抗和短路電抗的阻值均可調(diào)，測試時通過調(diào)節(jié)電抗阻值可以產(chǎn)生不同深度的電壓跌落。

檢測方法如下：風機停機，箱變停電，將檢測設備DIPGEN 串聯(lián)接入被測風機與箱變低壓側(cè)之間。箱變上電，合DIPGEN 內(nèi)部變壓器、UPS開關及其他輔助開關，給DIPGEN 的控制開關、控制面板等供電。不帶風機進行空載試驗。合風機內(nèi)部斷路器，使風機并網(wǎng)運行。風機輸出功率（10%～30%）額定功率時，進行小風工況的測試。風機輸出功率大于90%額定功率時，進行大風工況的測試。

2.4 風電場電能質(zhì)量測試試驗

在風電場保護間計量屏取三相電壓、三相電流，對風電場并網(wǎng)點的電壓偏差、閃變、諧波等電能質(zhì)量指標進行檢測。風電場停運期間，檢測并網(wǎng)點的背景長時間閃變、各次諧波電壓及電壓總諧波畸變率。風電場正常運行時，檢測每個功率區(qū)間（輸出功率從0至額定功率的100%，以10%的額定功率為一個功率區(qū)間）并網(wǎng)點的長時間閃變、各次諧波電流、諧波電壓，給出風電場引起的諧波電流的95%值［3］。

圖1 風電機組低電壓穿越檢測原理圖

3 風電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

隨著風電機組并網(wǎng)運行的規(guī)模擴大，風力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響也越來越大，其中自然有一些負面影響，最常見的便是電壓波動和閃變。電壓風力資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率不穩(wěn)定，會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量?，F(xiàn)在的風力發(fā)電機組大多是采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動的時候仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當風速超過切出風速時，風機會從額定出力狀態(tài)下自動退出運行。加入整個風電場的風機同時工作，那這種情況下的沖擊必然會對配電網(wǎng)造成重大的影響。而且，風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動，而其波動正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)（低于25Hz），所以，風機在正常運行的時候也可能會給電網(wǎng)帶來閃變問題。

4 電能質(zhì)量控制策略分析

4.1 諧波的抑制

靜止無功補償器（SVC），是一種由多臺可投切電容器、電抗器以及諧波濾波裝置等組成的設備，這種設備裝置最主要的特點就是反應速度快，能夠?qū)ψ兓臒o功功率進行實時跟蹤，對于風速不穩(wěn)定引起的電壓變化能夠進行有效的大幅度調(diào)節(jié)，從而濾除諧波，提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

4.2 電壓波動和閃變的抑制

a.有源電力濾波器。要有效地抑制電壓閃變，就需要在負荷電流發(fā)生急劇波動的時候，對負荷變化發(fā)生的無功電流進行實時補償，使其能夠在一定程度上對負荷電流進行實時補償；同時，由于有源電力濾波器采用的是可關斷的電子器件，能夠利用電子控制器替代系統(tǒng)電源，向電壓負荷輸出畸變電流，以此確保系統(tǒng)僅僅向負荷提供正弦的基波電流即可。有源電力濾波器具有響應速度快、電壓波動大、閃變補償率高以及補償容量小的特點，而且運行穩(wěn)定可靠，控制能力強，在一定程度上控制了電壓波動并穩(wěn)定電壓。

b.動態(tài)電壓恢復器。中低壓配電網(wǎng)中，有功功率進行快速波動也會造成電壓閃變的情況，這樣就對補償裝置提出了更高的要求，除要進行無功功率補償之外，還要提供瞬時有功功率補償。因為帶儲能單元的補償裝置能夠有效地改善電能質(zhì)量，所以傳統(tǒng)的無功補償裝置被帶儲能單元的補償裝置取代。動態(tài)電壓恢復器自身就帶有儲能單元，能夠在ms級內(nèi)以正常電壓和故障電壓的差值，向系統(tǒng)注入電壓，這樣的實時補償方式可以有效地解決系統(tǒng)中電壓波動對客戶產(chǎn)生的影響。動態(tài)電壓恢復器是現(xiàn)在已知的解決電壓波動、諧波等動態(tài)電壓質(zhì)量問題的最佳方法。

c.統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器以及其他補償裝置。對電壓、電流質(zhì)量問題進行統(tǒng)一補償，需要綜合類補償裝置，要想實現(xiàn)統(tǒng)一的補償可以統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器，有效地結合其串、并聯(lián)補償裝置。這樣的補償裝置含有儲能單元的串、并聯(lián)組合，用戶電力綜合補償問題，一方面可以將其應用于配電系統(tǒng)的諧波補償；另一方面還能夠解決許多電能質(zhì)量上的問題［2］。

5 結語

先進的電力電子技術對于風電機組的控制，以及電能質(zhì)量的改善都可以在一定程度上起到十分重要的作用，但是在風力發(fā)電并網(wǎng)技術中還存在著一些困擾著風力發(fā)電發(fā)展普及的問題。本文對風力發(fā)電并網(wǎng)技術及其電能質(zhì)量控制策略進行的研究和探討，能夠?qū)︼L力發(fā)電技術的進步和普及起到一定的促進作用，有些問題的解決還需要進一步的研究探討。如何更加高效地利用風能，提高風力發(fā)電效率，減小風電并網(wǎng)時的沖擊和諧波，提高功率因數(shù)等，可通過將電力電子技術和現(xiàn)代控制技術結合解決。

［1］陳榮.直驅(qū)式風力發(fā)電技術及其發(fā)展［J］.鹽城工學院學報（自然科學版），2010，23（02）：1－6.

［2］胡勝.雙饋型風力發(fā)電機在電網(wǎng)故障和不平衡條件下控制技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2012.

［3］吳斌.風力發(fā)電系統(tǒng)的功率變換與控制［M］.衛(wèi)三民，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2012：11－28.