风力发电并网技术及电能质量控制策略

引言

风能资源是清洁的可再生能源。风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。

随着电力电子技术发展和成本降低。其在控制方面和电网接人方面为风力发电的性能改善提供了一个新的解决方案。电力电子技术可以实现扇片的调速。从而町得到更多的风能。同时电力电子装置可以为风电并网系统中所出现的无功、谐波等电能质量问题提供解决方案。现将分别对同定速度和凋速风力发电机。针对不同拓扑结构的工作原理进行比较与分析。并针对不同类型的风电系统的电能质量问题进行分析。

1.恒速恒频风电系统

恒速恒频发电机系统采用的是普通异步发电机。这种风电机组的发电机正常T作在超同步状态。转差率为负值。并且其变化范围较小。所以被称为恒速恒频风力发电机组。

目前，国内应用较多的是恒速恒频发电机组，但是电力电子装置应用较少。其中也有些机组的转子回路接入电阻。用电力电子器件控制转子电流的大小来调节转速。这种风电机组的主要缺点是：当风速迅速增大时。风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件。产生很大的机械应力。引起这些部件的疲劳损坏：同时在正常工作时这类风电机组无法对电压稳定进行控制。不能和同步发电机一样提供电压支撑能力。阗此。当电网故障时会影响系统电压的恢复和系统稳定。这也是普通异步发电机的风电机组的主要缺陷。其次。因为恒速恒频风力发电系统发出的电能是随风速波动的。若风速急剧变化。可能会引起风电机组发出的电能质量有问题，如电压闪变、无功波动等。通常在这类风电系统中采用静止无功补偿器SVC或TSC来进行动态无功补偿。并通过软启动方法抑制启动时的发电机电流。

2.变速恒频风电系统

随着电机变频凋速技术的不断发展。采用双馈异步发电机和永磁多极同步电机的变速恒频风力发电系统得到了更加广泛的研究与应用。

变速恒频风力发电系统有下列优点：

a.根据风速的变化。风力机以不同的转速旋转。

减少了对风力机等机械装置的机械应力：

b.通过对最佳转速的跟踪。风力发电机组在可发电风速范围内均町获得最佳功率输出：

c.风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲。

使输出功率的波动变化减小：

d.通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制。并采用一定的控制策略。以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力。

冈此。变速恒频风力发电系统对电网的稳定安全运行很有利。当前的变速恒频风力发电系统中较多的是采用双馈异步发电机的风电机组。该类机组在国外的应用已经很普及。困内新建的风场也大都采用这种机型。另外。采用永磁多极同步发电机的风电机组技术已比较成熟。困外已开始应用。

在双馈风力发电机组的控制方面。电力电子装置起到了关键作用。当风速变化引起发电机转速变化时，通过变频器调整转子电流的频率f，可使定子频率工恒定，即应满足：工=p。其中，工为定子电流频率，与电网频率相同；名为转子机械频率；P为电机的极对数；f为转子电流频率。有下述3种情况：

a.凡

b.当n>n.时，此时发电机处于超同步状态，由定子和转子共同向电网提供电能：

c.当凡=凡。时，发电机处于同步状态，此时发电机等效为同步电机运行。变频器向转子提供直流励磁。

双馈电机通过变频器调节转子的励磁电流实现变速恒频控制。此时转子电路的功率只是由交流励磁发电机的转速运行范同决定转差功率。该转差功率仅为定子额定功率的一小部分。所以对变频器的容量要求、控制难度及成本大幅度降低。并且采用变频器调节交流励磁的双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频榨制，还町以对有功、无功功率实现单独解耦控制。对电网而言可起到补偿无功和稳定电压的作用。双馈风力发电机组有如下优点：

a.转子侧仪传递转羞能量。变频器容量要求大幅降低。且发电机可在50％的同步转速时正常工作：

b.双馈电机中变频器的谐波含量较少。减少了相应的滤波器容量，降低了成本：

c.可以通过调节双馈发电机发出和吸收的无功功率。实现无功调节和电压控制。

3.永磁多极同步发电机的风电系统

在永磁多极同步风力发电机组中。在发电机和电网之间安装有电力电子变流器。可实现对有功和无功的解耦控制。且当风速发生变化时也町以保证所发电能的电能质量。该系统的丁作原理如下：首先。采用永磁多极同步发电机发出频率变化的交流电。然后通过整流装置将该频率变化的交流电整流成为直流电。最后再通过逆变器将直流电变换为一lj频的交流电送人电网。这种系统在并网时没有电流冲击。可以对发电机的无功功率进行调节。但是。所有的电能都要通过变流器送入电网。冈此变流器容量和风力发电系统的容量相同。电力电子变流器设备成本较高。并且有高频电流谐波注入电网。与传统的风力发电机相比。永磁多极同步风力发电机组可以更多地捕获风能和提高风电机组发出电力的电能质量。虽然成本较大，但对系统的稳定运行有利。

永磁多极同步发电机的转子为永磁式结构。无需外部提供励磁电源。其变速恒频控制是在定子电路实现的。把永磁发电机的交流电通过变流器转变为与电网同频率的交流电。因此变流器的容最与系统的额定容量相同。采用永磁发电机可做到风力机与发电机的直接耦合。省去了齿轮箱。即为n接驱动式结构。可大幅减少系统运行时由于齿轮箱等机械装置导致的故障。从而提高整个风电机组的可靠性H卜bj。

4.风电系统的软并网装置和无功补偿设备

在直接与电网相连的风电系统中常用鼠笼型异步发电机，如果直接并网会使得并网电流较大。因此常采用电力电子软并网装置进行软并网。异步发电机通过晶闸管平稳并网。叮以将并网电流限制在额定电流的1.5倍以下。从而得到一个较为平滑的并网暂态过程，有效避免了保护装置的误动作。实现风力发电机的顺利并网。

由于异步发电机的功率因数一般较低。为了提高功率冈数。通常在异步发电机出13处接有无功补偿设备。常用的无功补偿设备有并联电容器补偿装置、静止无功补偿器、静止无功发生器等。

并联电容器补偿装置采用接触器或电力电子开关在风电运行中按照一定的顺序进行分组投入或切出。能够将补偿前较低的功率因数提高到约0.98。

由于并联电容器补偿装置成本低。囚此在无功补偿方面应用广泛。但因其调节不连续、响应速度慢，很难对风机无功功率实现快速补偿。

静止无功补偿器由多台（组）可投切电容器、快速可调整容最的电抗器以及各次谐波滤波装置组成。装置的响应速度快。能迅速跟踪变化的无功。可较大幅度调节由风速变化引起的电压变化。滤除谐波。从而提高电能质量。

静止无功发生器是采用特定的检测方法获得需补偿的无功电流后再通过电力电子变流器产生该部分无功电流，以实现无功的迅速补偿。静止无功发生器可以实现对谐波与无功的综合补偿与抑制。补偿范围较大。目前得到了较为广泛的关注。

5.风电并网技术的发展前景

通过采用电力电子技术。风电机组的运行特性大为改善；通过有功、无功控制，风电机组叮以对系统的频率和电压控制起到一定作用：而大规模风电场的并网运行。也将会逐渐降低风力发电的成本。使风力发电更为普及。凶此。现今的电力电子技术对于风电机组的控制、电能的转换以及电能质量的改善都能起到关键作用，具体应考虑以下几个方面：

a.为增加风能的利用效率和减小电力电子变换器的能耗。要选择适合的电力电子变换器来匹配变速风力发电机系统：

b.增加无功动态补偿装置SVC或TsC有利于电网和风力发电机的故障恢复：

c.每个系统结构都有自己的特征和适宦性。针对于不同的海上风场要具体考虑。选择最适合的系统结构。大容量海上风电场将广泛应用电力电子装置。

6.结语

风力发电技术的发展。使得风力发电的成本进一步降低。其在电力市场中所占份额得以提高。具备了和常规能源竞争的能力。加快了世界能源结构的优化。然而，如何更加有效地利用风能、提高风力发电系统的效率，减小并网冲击和电力谐波、提高功率因数也给风力发电系统的控制技术提出了更高的要求。是目前风力发电系统研究的重要课题之一。而电力电子技术及现代控制技术的发展为解决这一课题提供了较好的技术方案。