風力發電并網技術及電能質量控制探討

劉明宇

摘 要：現階段，風能是非常關鍵的一種新能源，而且屬于可再生能源，風能環保性能非常優良，而且風力發電技術在我國電力系統發展中也逐漸完善和成熟。但是，風力發電并網技術在實際應用過程中依舊存在諸多問題，造成風力發電不能在發電企業中廣泛應用。該研究首先系統性介紹風力發電并網技術，闡述風力發電并網影響電能質量的相關機制，并提出電能質量的有效控制路徑。

關鍵詞：風力發電；并網技術；電能；質量控制

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）23-0123-02

風力發電是環保清潔的一種可再生能源，隨著近些年風力發電場容量不斷擴大，在影響電網系統方面的范圍也隨之變大。由于通常風力發電場的位置在地廣人稀的偏遠區域，而非供電網絡中心，所受沖擊能力比較弱[1]。因此，風能往往會帶給配電網電壓波動、諧波污染和閃變等相關問題，而且風電隨機性同樣會給制定發電與運行計劃帶來諸多阻礙，而風力發電并網技術的研究逐漸成為目前電力界所關注的普遍問題。該研究首先系統性介紹風力發電并網技術，闡述風力發電并網影響電能質量的相關機制，并提出電能質量的有效控制路徑。

1 風力發電并網技術

從根本上說，風力發電并網技術需要發電機輸出頻率、幅值和香味方面等同于電網系統電壓。近些年，隨著風力發電機組容量不斷增加，并網過程中風電沖擊電網的力度也會隨之增大。在并網沖擊比較嚴重的情況下，一方面會導致電力系統電壓的降低，另一方面還會損壞發電機與增速器、塔架以及槳葉等機械部件。若并網沖擊時間比較長，那么則會發生系統瓦解的情況，甚至會對其他掛網機組平穩運行產生威脅，因此，應該對并網技術進行合理選擇[2]。

1.1 異步風力發電機組并網技術

相比于同步風力發電機組并網技術，運行異步風力發電機期間，因為是通過轉差率對負荷進行調整，因此，對機組調速具有較低的精度要求，無需整步操作與同步設備，僅僅需要在轉速與同步轉速相接近的過程中，實現并網目的。異步發電機與風力發電機組兩者聯合應用的主要優點在于，該技術具有較為簡單的控制裝置，并網后也能有效避免失步與無震蕩問題的發生，運行可靠且穩定[3]。然而，異步風力發電機組并網技術在實際運行期間也存在很多問題，比方說，直接并網會有引發大沖擊電流的可能性，導致電壓降低，對系統安全運行產生直接性影響。系統本身不存在無功功率，必須實施無功補償。系統電壓過高情況下會導致其發生磁路飽和，由此增加無功激磁電流，功率因數降低，定子電流過載。如果過于提升不穩定系統頻率，則會由于同步轉速提高而引發異步發電機自以往的發電狀態向電動狀態轉變，進而降低不穩定系統頻率，導致異步發電機電流因為劇增而發生過載問題。因此，應該嚴格監督或者采取有效措施確保異步風力發電機組實現平穩、安全運行。

1.2 同步風力發電機組并網技術

運行同步發電機期間，對有功功率進行輸出的同時，還能夠提供相應的無功功率，且周波也比較穩定，具有較高電能質量，因此被廣泛應用于電力系統中。如何使項風力發電機并網技術與該項技術實現有效融合，是現階段大眾所探討的重點問題。多數情況下，因為風速缺乏穩定性，往往會造成轉子環節轉矩的不穩定，而且并網過程中，鉆子調速性能無法滿足同步發電機所需精度，若并網后不能夠有效控制鉆子轉矩，尤其是在重載狀況下，往往會出現失步和無功震蕩等問題[4]。因此，以往的數十年中，國內外的風力發電機組幾乎不會應用到同步發電機。隨著近些年電力電子技術的迅猛發展，可利用技術有效避免以上問題。比方說，電網和同步發電機組間選擇變頻裝置能夠有效解決以上問題，此時的同步風力發電機組并網技術重新受到重視。

2 風力發電機并網運行試驗分析

2.1 動態無償補償裝置功能測試試驗

發電機組并網運行過程中，有效調整發電機組輸出功率，認真觀察電容補償投切動作在不同載荷下的狀態。在測試動態無功補償裝置性能方面，需要選擇惡劣工況的情況，比方說，風電大發、風電小發等惡劣工況。

風力發電廠在風電小發情況下具有較高送電線路充電功率，由此就會增加母線的電壓負荷。因此，風電小發時有利于展開感性無功補償試驗。而在風電大發的情況中，風力發電廠則具有較大送電線路載荷，存在嚴重的無功損耗，進而降低母線電壓水平。因此，風電大發時比較適合展開容性無功補償試驗[5]。以上兩種情況均必須展開暫態期間裝置響應試驗和無功綜合控制試驗，以此對SVG裝置平穩性有所了解。

2.2 軟并網功能試驗

首先對異步發電機組的主軸轉速進行提升，在轉速超過同步轉速概率92%的情況下，將并網接觸器啟動開，發電機會利用雙向機晶閘管連接整個電網，有效控制晶閘管觸發單元，使雙向晶閘管內部導通角得以增大，角度范圍為0°到180°，由此對導通角打開速率進行調整，確保異步發電機組并網過程中所形成的沖擊電流比規定值低。完成暫態期間，將旁路開關閉合，進而接通晶閘管。

2.3 風電場電能質量測試試驗

計量屏在風電場保護過程中主要選取三相電流與電壓，并檢測并網點電壓諧波、偏差以及閃變等相關指標，以對電能質量予以明確。風電場暫停運行過程中，需要檢測并網點總諧波畸變率、諧波電壓和時間閃變等相關指標。在常規運行風電場期間，檢測各功率區間并網點電壓、諧波電流和長時間閃變，同時測定風電場所形成諧波電流95%數值[6]。

3 風力發電并網技術影響電能質量的相關機制

近年來，因為風力發電機組并網技術實際應用規模逐漸增大，在影響電能質量的范圍方面也隨之得到增加，且很多影響對提升電網電能質量極為不利。比較常見的是電壓閃變和波動。電壓風力資源存在不穩定性特征，再加上風力發電機組運行特征，造成風力發電機組輸出功率缺乏穩定性，由此就會直接影響到電網電能質量?，F階段，風力發電機組通常會選擇軟并網方式[7]，然而，啟動設備期間仍然會產生沖擊電流，電流值相對也比較大。如果切出風速比風速低，那么出力工作情況下，風機就會暫停運行。此外，風速很難控制和風機所產生塔影效應會嚴重影響到風機處理，導致風機出力發生波動現象，波動值也會處在電壓閃變范圍內。所以，就算風機正常運行，同樣會導致電網發生閃變情況。endprint

4 電能質量控制策略

4.1 諧波的抑制

相關工作人員可利用抑制諧波法有效控制電能質量，也就是說，在系統中添加靜止無功補償設備，該靜止無功補償設備內存在多個裝置，具體包括可投切電容器、電抗器等，這一設備的優勢主要在于較快的反應速度，可以及時明確無功功率變化與否，對變化狀態下的相關無功功率予以適時跟蹤?；陲L速不穩定導致的電壓起伏情況，這一設備能夠有效調節電壓，以使諧波得以消除，保證風力發電機組在實際運行過程中不會受到電網電能質量的影響。

4.2 電壓波動和閃變的抑制

4.2.1 動態電壓恢復器

如果配電網為中低壓類型的配電網，那么高速波動有功功率過程中，也會出現電壓閃變等相關問題。在這種情況下，所需補償裝置性能則比較優秀，一方面補償裝置必須提供相應的無功功率補償，另一方面還應該補償相應有功功率。所以，多數企業都會通過存在儲能單元的相關補償裝置取締以往無償補償設備。而動態電壓恢復器本身具備儲能單元，能夠在固定范圍中根據常規電壓和故障電壓差額，向系統內輸入電壓。這一類補償方法可以有效避免系統內部電壓波動的形成，確?？蛻裟軌驅﹄娔苓M行正常應用[8]。就現階段情況來說，將動態電壓恢復設備添置到系統中是電壓波動、諧波等電能質量問題得以解決的一種有效方式。

4.2.2 有源電力濾波器

在系統內部添加有源電力濾波設備，也就是說，工作人員在工作期間若想有效避免發生電壓閃變問題，就應該在負荷電流波動劇烈的情況下，及時補償因為負荷變化所導致的無功電流，確保其能夠對負荷電流進行及時性補償。而且由于有源電力濾波設備內電子零件屬于可關斷電子設備。因此，工作人員應以電子控制設備取代系統電源，同時向電壓負荷中傳輸畸變電流，從而確保系統能夠向負荷提供正弦基波電流。從根本上說，有源電力濾波設備優點包括：①反應速度比較快，可以在短期內發出響應信號；②所產生電壓波動范圍比較大；③閃變補償率比較高；④設備具有較強的可靠性，可以平穩運行。

4.2.3 統一電能質量控制器和其它補償裝置

如果想實現統一補償目的，應該將綜合類補償設備添加在系統內部，工作人員應該統一電能質量控制設備，同時有機結合并聯補償設備和串聯補償設備。由此補償設備中不僅包含儲能單元并聯組合，同時還包含儲能單元串聯組合，迎面能夠在配電系統中添加補償設備，確保其補償諧波功能得到充分發揮，另一方面還有助于電能質量的提升。

5 結語

總而言之，近些年電力電子技術得到迅猛發展，企業通過電力電子技術有效控制風電機組，并使電能整體質量得到有效改善，對國內電能發展與進步極具重要意義。但是，風力發電并網技術在實際應用過程中依舊存在諸多問題，造成風力發電不能在發電企業中廣泛應用。而發電企業必須進一步增加研究風能力度，使風力設備工作效率得到不斷提升，防止風力發電并網中諧波與沖擊電流的形成，不斷提升風力發電水平，從而為國內風力發電事業發展提供更多電力能源。

參考文獻

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