摘要: 介紹了風(fēng)力機組并網(wǎng)技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)及運行試驗, 分析了風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響, 探討了引起波動和閃變的機理及閃變測量模型, 論述了電壓波動與閃變的抑制方法. 風(fēng)力發(fā)電是21世紀(jì)發(fā)展最快的一種可再生能源, 隨著風(fēng)電場的容量越來越大, 對系統(tǒng)的影響也越來越明顯, 研究風(fēng)電并網(wǎng)對系統(tǒng)的影響已成為重要課題. 早期風(fēng)電的單機容量較小, 大多采用結(jié)構(gòu)簡單、并網(wǎng)方便的異步發(fā)電機, 直接和配電網(wǎng)相連. 而風(fēng)電場所在地區(qū)往往人口稀少, 處于供電網(wǎng)絡(luò)的末端, 承受沖擊的能力很弱, 因此, 風(fēng)電很有可能給配電網(wǎng)帶來諧波污染、電壓波動及閃變問題, 風(fēng)電的隨機性給發(fā)電和運行計劃的制定帶來很多困難. 本文主要介紹了風(fēng)力機組并網(wǎng)技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)及運行試驗, 分析了風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響, 深入探討了引起波動與閃變的機理和閃變測量模型, 并詳細(xì)論述了電壓波動與閃變的抑制方法.

1 風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)

交流發(fā)電機并網(wǎng)條件是發(fā)電機輸出的電壓與電網(wǎng)電壓在幅值、頻率以及相位上完全相同. 隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量的增大, 在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越大. 這種沖擊嚴(yán)重時不僅會引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降, 還可能對發(fā)電機和機械部件(塔架、槳葉、增速器等)造成損壞. 如果并網(wǎng)沖擊時間持續(xù)過長, 還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機組的正常運行. 因此, 采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個不容忽視的問題[ 1] .

1. 1 同步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)技術(shù)

同步發(fā)電機在運行中, 既能輸出有功功率, 又能提供無功功率, 且周波穩(wěn)定, 電能質(zhì)量高, 已被電力系統(tǒng)廣泛采用. 然而, 將其移植到風(fēng)力發(fā)電機組上使用時卻不很理想. 這是因為風(fēng)速時大時小,隨機變化, 作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定, 并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機所要求的精度.并網(wǎng)后若不進行有效的控制, 常會發(fā)生無功振蕩與失步問題, 在重載下尤為嚴(yán)重. 因而在相當(dāng)長的時間內(nèi), 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機組很少采用同步發(fā)電機. 但近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間采用變頻裝置, 可從技術(shù)上解決這些問題, 因此, 采用同步發(fā)電機的方案又引起了人們的重視.

1. 2 異步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)技術(shù)

異步風(fēng)力發(fā)電機投入運行時, 由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷, 因此對機組的調(diào)速精度要求不高, 不需要同步設(shè)備和整步操作, 只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時, 就可并網(wǎng). 顯然, 風(fēng)力發(fā)電機組配用異步發(fā)電機不僅控制裝置簡單, 而且并網(wǎng)后也不會產(chǎn)生振蕩和失步, 運行非常穩(wěn)定.

然而, 異步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)也存在一些特殊問題, 如直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大沖擊電流會造成電壓大幅度下降, 對系統(tǒng)安全運行構(gòu)成威脅; 本身不發(fā)無功功率, 需要無功補償; 過高的系統(tǒng)電壓會使其磁路飽和, 無功激磁電流大量增加, 定子電流過載, 功率因數(shù)大大下降; 不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于上升, 會因同步轉(zhuǎn)速上升而引起異步發(fā)電機從發(fā)電狀態(tài)變成電動狀態(tài), 不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過大下降, 又會使異步發(fā)電機電流劇增而過載等. 因此,必須嚴(yán)格監(jiān)視并采取相應(yīng)的有效措施才能保障風(fēng)力發(fā)電機組的安全運行. 目前, 國內(nèi)外采用的異步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)方式主要有直接并網(wǎng)法、準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式、降壓并網(wǎng)方法、捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)和軟并網(wǎng)等.

2 風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)及運行試驗

國標(biāo)GB /T 19070- 2003(風(fēng)力發(fā)電機組控制器試驗方法)規(guī)定了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組控制器試驗條件、試驗方法及與電網(wǎng)并聯(lián)運行相應(yīng)的規(guī)范[ 2] . 發(fā)電機并網(wǎng)及運行試驗主要包括軟并網(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.

( 1)軟并網(wǎng)功能試驗 將機組主軸升速, 當(dāng)異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步速(約為同步速的92%~ 99% )時, 并網(wǎng)接觸器動作, 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(dǎo)通角由0b至180b逐漸增大, 調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角打開的速率, 使并網(wǎng)過程中的沖擊電流不大于技術(shù)條件的規(guī)定值. 暫態(tài)過程結(jié)束時, 旁路開關(guān)閉合, 將晶閘管短接.

( 2)補償電容投切試驗 在機組并網(wǎng)運行時, 通過調(diào)整發(fā)電機輸出功率, 在不同負(fù)載下觀察電容補償投切動作是否正常.

( 3)小電機大電機切換試驗 在機組并網(wǎng)運行時, 通過由小到大增加發(fā)電機負(fù)載功率, 觀察小電機大電機切換過程.

( 4)大電機小電機切換試驗 在機組并網(wǎng)運行時, 通過由大到小減少發(fā)電機負(fù)載功率, 觀察大電機小電機切換過程.

在上述試驗過程中, 通過瞬態(tài)記錄器記錄波形參數(shù)及并網(wǎng)過程中的沖擊電流值, 同時觀察并網(wǎng)接觸器和旁路接觸器及電容補償投切動作是否正常.

3 風(fēng)電并網(wǎng)對電能質(zhì)量的影響

隨著越來越多的風(fēng)電機組并網(wǎng)運行, 風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響引起了廣泛關(guān)注. 風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機組本身的運行特性使風(fēng)電機組的輸出功率呈波動性, 可能會影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量, 如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等. 風(fēng)力發(fā)電機組大多采用軟并網(wǎng)方式, 但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流. 當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時, 風(fēng)機會從額定出力狀態(tài)下自動退出運行. 如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機幾乎同時動作, 這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯[ 3]. 不但如此, 風(fēng)速的變化和風(fēng)機的塔影效應(yīng)都會導(dǎo)致風(fēng)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25H z), 因此, 風(fēng)機在正常運行時也會給電網(wǎng)帶來閃變問題[ 4] . 電壓波動和閃變是風(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一.

3. 1電壓波動與閃變的抑制

目前, 大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補償裝置都具有抑制電壓波動與閃變的功能[ 8], 如靜止無功補償器( SVC )、有源濾波器( APF)、動態(tài)電壓恢復(fù)器( DVR) , 以及配電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器( DS-U nicon)等.

3. 1. 1 靜止無功補償器( SVC)

電壓閃變是電壓波動的一種特殊反映, 閃變的嚴(yán)重程度與負(fù)荷變化引起的電壓變動相關(guān), 在高電壓或中壓配電網(wǎng)中, 電壓波動主要與無功負(fù)荷的變化量及電網(wǎng)的短路容量有關(guān). 在電網(wǎng)短路容量一定的情況下, 電壓閃變主要是由于無功負(fù)荷的劇烈變動所致. 因此, 對于電壓閃變的抑制,最常用的方法是安裝靜止無功補償裝置, 目前這方面的技術(shù)已相當(dāng)成熟. 但是, 由于某些類型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流, 須與無源濾波器并聯(lián)使用, 實際運行時可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴(yán)重放大. 因此, 在進行補償時, 要求采用具有響應(yīng)時間短、且能夠直接補償負(fù)荷的無功沖擊電流和諧波電流的補償器.

3. 1. 2 有源電力濾波器(APF)

要抑制電壓閃變, 必須在負(fù)荷電流急劇波動的情況下, 跟隨負(fù)荷變化實時補償無功電流. 近年來, 采用電力晶體管( GTR ) 和可關(guān)斷晶閘管( GTO ) 及脈寬調(diào)制( PWM ) 技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器, 可對負(fù)荷電流作實時補償. 有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)的SVC 完全不同, 它采用可關(guān)斷的電力電子器件, 基于坐標(biāo)變換原理的瞬時無功理論進行控制, 其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負(fù)荷提供所需的畸變電流, 從而保證系統(tǒng)只須向負(fù)荷提供正弦的基波電流.

有源電力濾波器與普通SVC 相比, 有以下優(yōu)點: 響應(yīng)時間快, 對電壓波動、閃變補償率高,可減少補償容量; 沒有諧波放大作用和諧振問題, 運行穩(wěn)定; 控制強, 能實現(xiàn)控制電壓波動、閃變和穩(wěn)定電壓的作用, 同時也能有效地濾除高次諧波, 補償功率因數(shù)[ 9].

3. 1. 3 動態(tài)電壓恢復(fù)器( DVR )

在中低壓配電網(wǎng)中, 有功功率的快速波動同樣會導(dǎo)致電壓閃變, 這就要求補償裝置在抑制電壓波動與閃變時, 除了進行無功功率補償使供電線路無功功率波動減小外, 還需提供瞬時有功功率補償. 因而傳統(tǒng)的無功補償方法不能有效地改善這類電能的質(zhì)量, 只有帶儲能單元的補償裝置才能滿足要求.

動態(tài)電壓恢復(fù)器( DVR ) 是將1臺由3 個單相電壓源變流器構(gòu)成的三相變流器串聯(lián)接入電網(wǎng)與欲補償?shù)呢?fù)荷之間[ 10] . 這里的逆變器采用3個單相結(jié)構(gòu), 目的是為了更靈活地對三相電壓和電流進行控制, 并提供對系統(tǒng)電壓不對稱情況的補償. 該裝置的核心部分為同步電壓源逆變器, 當(dāng)線路側(cè)電壓發(fā)生突變時, DVR 通過對直流側(cè)電源的逆變產(chǎn)生交流電壓, 再通過變壓器與原電網(wǎng)電壓相串聯(lián), 以補償系統(tǒng)電壓的跌落或抵消系統(tǒng)電壓的浪涌. 由于DVR 通過自身的儲能單元, 能夠在m s級內(nèi)向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差, 可用于克服系統(tǒng)電壓波動對用戶的影響. 因此, 它是解決電壓波動、不對稱、諧波等動態(tài)電壓質(zhì)量問題的有效工具, 是面向負(fù)荷的補償裝置, 起到將系統(tǒng)與負(fù)荷隔離的作用. 該裝置僅對特定負(fù)荷加以補償, 所以其容量僅取決于負(fù)荷的補償容量和要求的補償范圍.

目前, 大部分DVR 裝置的直流側(cè)采用電容來提供直流電壓, 只能提供有限的能量, 若要求DVR 長時間提供電壓補償, 則必須讓DVR 輸出的電壓和電流垂直, 這樣DVR 裝置不提供有功,只進行無功交換, 即可滿足長期工作的要求.

3. 1. 4 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器及其他補償裝置

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器( UPFC ) 結(jié)合了串、并聯(lián)補償裝置的特點, 具有對電壓、電流質(zhì)量問題統(tǒng)一補償?shù)墓δ? 屬于綜合的補償裝置. 含有儲能單元的串、并聯(lián)組合的用戶電力綜合補償裝置,除了應(yīng)用于配電系統(tǒng)的諧波補償外, 還可以解決瞬時供電中斷和電壓波動等動態(tài)電壓質(zhì)量問題,提高供電的可靠性.

4 結(jié)束語

風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動和閃變的研究已進行了很長時間, 取得了豐碩的成果. 采用靜止無功補償器和感性儲能裝置可以減小并網(wǎng)風(fēng)電機組產(chǎn)生的功率波動, 從而減小電壓波動和閃變. 但由于風(fēng)資源的不確定性、風(fēng)電機組單機容量不斷增加,風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及其引起的電壓波動和閃變還有待于進一步的研究.