風力發電并網技術及電能質量控制策略

董書俊 吳 昊

（江蘇海上龍源風力發電有限公司，江蘇 南通 226014）

作為可再生資源的代表之一，風能資源能夠有效緩解我國傳統資源短缺的壓力，協調了資源應用與生態環境改善的關系。目前風能技術研究逐漸成熟，風能發電規模擴大，風力發電的發展市場與前景十分廣闊。電力電子技術的不斷升級，風力發電技術成本降低，為風力發電技術性能的優化創造了有利條件。風力發電并網技術的應用，解決了風力發電中存在的無功、諧波問題，提升了風力發電穩定性。文章研究旨在加大對風力發電并網技術及電能控制的研究力度，為風力發電未來發展積累更多經驗。

1 剖析風力發電并網研究重要性

風力發電改變了熱能轉變電能的傳統發電模式，降低了電能生產過程中對環境的危害，對比傳統發電模式，污染處理成本更低。作為典型的綠色可再生資源，在滿足發電條件基礎上不會產生附加污染物，有效實現生態發展綠色環保目標，為經濟與生態環境可持續發展提供助力[1]。目前風力發電技術逐漸成熟，國家對風力發電量的需求也在不斷增加以及政府對風能方面資金與技術的側重，使風力發電廠覆蓋規模持續擴大。為了更好地發展風力發電，提高電能的利用效率，應積極采取風電并網技術，通過有效并網處理，打造離網型發展結構，充分發揮出風力發電優勢。風力發電廠的建設成本低，施工周期較短，占地面積少，這些都為風力發電電網建設提供了有利條件[2]。風力發電并網技術的應用，為風力電能有效利用奠定了基礎，便于深度開發風力潔凈能源價值。直驅型風電機組系統如圖1所示。

圖1 直驅型風電機組系統

2 風力發電并網技術詳細介紹

2.1 同步發電機組并網技術

風力發電中同步發電機組并網技術的應用，能夠做到無功功率、有功功率同步實現形成與輸出，整體運行周波穩定，有效提高了風力發電電能質量，提高了風力電網終端用電設備的穩定性，維持正常運行的同時保證了風力發電的安全性。同步發電機組并網技術在實際應用中還存在部分薄弱環節，風速控制方面效果不夠理想，運行轉矩穩定性較差，電力系統應用同步發電機組并網技術期間，系統會受到明顯沖擊，導致風力發電系統設備損耗增加，壽命縮短[3]。同步發電機組并網技術中還存在精度、轉矩不符等現象，電能質量受到直接影響，導致電網電壓與系統運行最終電壓之間存在差異性。同步發電機組并網技術的應用掌握能力有待提高，若技術控制不到位，將產生無功振蕩情況，導致電能質量降低。為了更好地發揮出同步發電機組并網技術應用優勢，擴大應用范圍，采用變頻裝置，協調電機與電網關系，進一步提升技術應用與發展速度。

2.2 異步發電機組并網技術

異步發電機組并網技術與同步發電機組并網技術存在差別。高精度機組調速方面，異步發電機組并網技術對高精度機組調速要求嚴格度不高，并網操作簡潔，通過對基本轉速和同步轉速的控制即可實現。風力發電系統中異步風力發電機組并網技術能夠有效提高風力發電系統的穩定性，控制裝置復雜度較低[4]。實際應用中存在的難點包括并網技術處理時，電力系統將受到較大沖擊，系統的安全性易受到威脅；受磁路飽和現象干擾，勵磁電流增加，系統功率出現明顯波動。異步發電機組并網技術應用有效性的提高，應妥善了解實際應用難點，在此基礎上打造完善的監督體系，實時觀察并網運行狀態。科學梳理異步發電機組并網技術應用思路，采取有效措施緩解系統沖擊電流，提高電力系統運行的穩定性與安全性。異步發電機組并網系統原理如圖2所示。

圖2 異步發電機組并網系統原理

結合圖2內容，電子電力裝置尤為關鍵。風力發電系統中，發電機轉速受到風速變化影響，發電機轉速為n，變頻器會及時對轉子電流頻率fr進行調整，達到并網系統要求的定子頻率恒定狀態，即fs，滿足fs=pfm+fr。定子電流頻率必須保持風力電網頻率同步狀態，轉子機械頻率為fm，轉子電流頻率為fr，電極極對數為p。當發電機轉速與定子旋轉磁場轉速(n1)之間關系為n＜n1時，風力發電并網系統中的發電機狀態為亞同步，發電機轉子運行所需要的交流勵磁電流主要由變頻器提供，發電機向電網提供電能主要依靠定子實現；當發電機轉速與定子旋轉磁場轉速(n1)之間關系為n＞n1時，風力發電并網系統中的發電機狀態為超同步狀態，電網電能主要通過定子、轉子共同提供；當發電機轉速與定子旋轉磁場轉速(n1)之間為n=n1關系，則風力發電并網系統中的發電機狀態為同步，變頻器通過轉子直接向系統提供直流勵磁。借助變頻器對風力發電系統中的轉子勵磁電流進行調整，達到變速恒頻的有效控制，可以實現根據轉速的調整，有效控制機械應力的消耗。實時跟蹤風力發電機轉速變化，保證發電機運轉期間始終處于最佳功率輸出狀態。減少沖擊力，提高輸出功率穩定性。

3 風力發電并網技術應用電能質量受到的影響

3.1 諧波的引入

諧波對于風力發電并網技術的使用具有一定的影響，使用風力發電并網技術時，涉及的逆變器通常會形成諧波；接通風力電源后，開展工作時也會形成諧波。二者均會引入一定量的諧波，對于電網結構的電能質量產生直接影響[5]。受客觀因素影響，風力發電并網技術在使用時，多數風力發電機組并網時主要是使用軟并網技術，技術應用過程中會形成大量的沖擊電流，若外界風速大于切入風速，風機將無法達到額定運行狀態，對使用風力發電并網技術的電網供電質量影響較為嚴重。

3.2 電壓閃變與波動

風力發電并網技術對于風力發電電壓有直接影響，會產生電壓閃變、電壓波動等問題。連接風電發電并網時，配電變壓器與連接位置若較為接近，此處的接入工作會導致電網產生較小的電壓閃變[6]。若配電變壓器與連接位置極為接近，將對電流產生極大影響，會使饋線的電壓出現較大波動，影響電機設備的正常使用。風力發電的使用，也會提升電網電壓，現階段多數風力發電電機均為異步電機，電機的旋轉磁場構建使用大量的無功功率，無功功率會對電網的整體電壓產生直接影響，通過風力發電并網技術對發電進行入網處理，會減少大量無功功率，達到降壓的目的[7]。

4 風力發電并網電能質量控制的有效措施

4.1 科學有效地控制諧波

風力發電并網技術應用中，電能質量會受到諧波影響，為了提高風力發電并網技術的應用效果與風力發電系統穩定性，應采取有效率措施對諧波進行控制。從電能質量控制角度出發，有效抑制諧波，保證風力發電并網的安全性[8]。以靜止無功補償設備為載體，引入風力發電并網中，及時對無功功率進行判斷，根據判斷結果對設備狀態進一步了解，跟蹤無功功率，掌握功率變化狀態。靜止無功補償設備在實際應用中，反應迅速，控制能力較強，能夠有效調節電壓起伏情況，快速鎖定電壓起伏原因，據此制定針對性措施，有效消除諧波，保證風力發電機組系統運行穩定性和電能質量。

4.2 加大電壓閃變與波動控制力度

（1）增設優良補償裝置、動態電壓恢復設備。風力發電并網技術應用中，電能質量控制主要表現為電壓閃變控制、波動控制。可增設優良補償裝置，搭配動態電壓恢復設備，及時對風力發電并網系統中的能量進行儲存，設置儲存單元，實時對無功功率進行存儲，根據實際情況適當為系統提供無功功率，結合運行需求對有功功率進行補償，使電能質量實現單元化、階段性控制，提高穩定性。

（2）科學設置有源電力濾波設備。閃變現象的出現，需確定控制切入點，對負荷電流劇烈波動狀態，有效補償無功電流，達到并網系統穩定性與負荷電流補償、安全性提高的目的。有源電力濾波設備的設置，需要引入可關斷電子設備零件，通過電子控制設備功能，及時對風力發電并網中不穩定系統電源進行替換，為電壓負荷輸送平滑穩定的電流，確保風力發電并網系統負荷電流僅接觸正弦基波電流。對系統穩定性與安全性方面，有源電力濾波設備應用優勢明顯，其反應能力迅速，能夠根據系統異常情況快速作出應對；設備可靠性高；閃變補償率極高；電壓波動狀態控制效果好。

（3）加大優化電能質量的力度。電能質量的理想狀態是形成正弦波，受各種因素影響，電波波形通常會出現偏離現象。對當前的電能狀態進行分析可知，多數地區均有電能質量不高的狀況，需針對電能質量進行優化與控制。不斷優化電功率，保證形成無功就地平衡狀態，確保供電半徑具有較強的合理性；根據實際需求選擇合理的供電線路導線截面，對變電與配電設備的配置進行科學設計，防止超負荷問題出現；合理設置調壓措施，調壓措施的應用能夠有效解決變壓器加裝存在的各種問題。

（4）風力發電并網智能調控技術。風力發電并網智能調控技術，是電能質量控制的重要措施。風力發電并網智能化水平不斷提高，為電能質量控制提供了有利條件。

智能調控技術主要表現包括科學整合傳輸系統數據以及智能感應技術的有效控制。傳輸系統的數據整合應用，以自動化控制系統為載體，保證傳輸安全基礎上及時傳輸，嵌入智能化技術，科學利用ICP/TP傳輸協議打造共享傳輸系統，解決不同系統通信不及時的問題。以風力發電用戶端設備為主，借助寬帶路由器輔助與公共局域網的支持，對電能質量進行智能化控制；風力發電電能質量控制應用到智能感應技術，打造系統化的智能電網，控制電網中的設備，通過全過程電網監測，實時提取設備信息，掌握設備運行狀態；科學應用無線感應器，提高智能風力發電系統的穩定性，科學調整變動電器，充分發揮智能感應技術的功能優勢。

5 結語

對風力發電而言，并網技術是智能化與技術性發展的重要支撐，關系著風力發電的可持續性。風力發電并網技術應用過程中電能質量易受影響，為了保證電能質量，必須制定有效的控制措施。新能源開發已經進入新的階段，科學技術的支持以及風力發電量需求的增加，標志著風力發電并網技術應用研究力度將進一步上升。結合機組并網容量變化與電能質量穩定性要求，深層次剖析不同并網技術下風力發電效率變化。同步發電機組并網技術、異步發電機組并網技術具體應用中存在很多差異性，并且在不同程度上體現出應用薄弱環節，應根據風力發電系統情況，做出針對性地優化調整，及時規避并網技術問題。制定更完善的電能質量控制方案，有效提高風力發電并網技術應用以及電能質量。