摘要: 介紹了風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及運(yùn)行試驗(yàn), 分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響, 探討了引起波動(dòng)和閃變的機(jī)理及閃變測量模型, 論述了電壓波動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的影響也越來越明顯, 研究風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響已成為重要課題. 早期風(fēng)電的單機(jī)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(jī), 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(dòng)及閃變問題, 風(fēng)電的隨機(jī)性給發(fā)電和運(yùn)行計(jì)劃的制定帶來很多困難. 本文主要介紹了風(fēng)力機(jī)組并網(wǎng)技術(shù)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及運(yùn)行試驗(yàn), 分析了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響, 深入探討了引起波動(dòng)與閃變的機(jī)理和閃變測量模型, 并詳細(xì)論述了電壓波動(dòng)與閃變的抑制方法.

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)技術(shù)

交流發(fā)電機(jī)并網(wǎng)條件是發(fā)電機(jī)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(jī)組單機(jī)容量的增大, 在并網(wǎng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊也越大. 這種沖擊嚴(yán)重時(shí)不僅會(huì)引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降, 還可能對(duì)發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件(塔架、槳葉、增速器等)造成損壞. 如果并網(wǎng)沖擊時(shí)間持續(xù)過長, 還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行. 因此, 采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個(gè)不容忽視的問題[ 1] .

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

同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)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(jī)組上使用時(shí)卻不很理想. 這是因?yàn)轱L(fēng)速時(shí)大時(shí)小,隨機(jī)變化, 作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定, 并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精度.并網(wǎng)后若不進(jìn)行有效的控制, 常會(huì)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(shí)間內(nèi), 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī). 但近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展, 在同步發(fā)電機(jī)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(jī)的方案又引起了人們的重視.

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

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時(shí), 由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷, 因此對(duì)機(jī)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(shí), 就可并網(wǎng). 顯然, 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配用異步發(fā)電機(jī)不僅控制裝置簡單, 而且并網(wǎng)后也不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步, 運(yùn)行非常穩(wěn)定.

然而, 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)也存在一些特殊問題, 如直接并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的過大沖擊電流會(huì)造成電壓大幅度下降, 對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行構(gòu)成威脅; 本身不發(fā)無功功率, 需要無功補(bǔ)償; 過高的系統(tǒng)電壓會(huì)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(huì)因同步轉(zhuǎn)速上升而引起異步發(fā)電機(jī)從發(fā)電狀態(tài)變成電動(dòng)狀態(tài), 不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過大下降, 又會(huì)使異步發(fā)電機(jī)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(jī)組的安全運(yùn)行. 目前, 國內(nèi)外采用的異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)并網(wǎng)及運(yùn)行試驗(yàn)

國標(biāo)GB /T 19070- 2003(風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器試驗(yàn)方法)規(guī)定了并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制器試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法及與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行相應(yīng)的規(guī)范[ 2] . 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)及運(yùn)行試驗(yàn)主要包括軟并網(wǎng)功能試驗(yàn)、補(bǔ)償電容投切試驗(yàn)、小電機(jī)大電機(jī)切換試驗(yàn)和大電機(jī)小電機(jī)切換試驗(yàn).

( 1)軟并網(wǎng)功能試驗(yàn) 將機(jī)組主軸升速, 當(dāng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步速(約為同步速的92%~ 99% )時(shí), 并網(wǎng)接觸器動(dòng)作, 發(fā)電機(jī)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(shí), 旁路開關(guān)閉合, 將晶閘管短接.

( 2)補(bǔ)償電容投切試驗(yàn) 在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 通過調(diào)整發(fā)電機(jī)輸出功率, 在不同負(fù)載下觀察電容補(bǔ)償投切動(dòng)作是否正常.

( 3)小電機(jī)大電機(jī)切換試驗(yàn) 在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 通過由小到大增加發(fā)電機(jī)負(fù)載功率, 觀察小電機(jī)大電機(jī)切換過程.

( 4)大電機(jī)小電機(jī)切換試驗(yàn) 在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí), 通過由大到小減少發(fā)電機(jī)負(fù)載功率, 觀察大電機(jī)小電機(jī)切換過程.

在上述試驗(yàn)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(shí)觀察并網(wǎng)接觸器和旁路接觸器及電容補(bǔ)償投切動(dòng)作是否正常.

3 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電能質(zhì)量的影響

隨著越來越多的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行, 風(fēng)力發(fā)電對(duì)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(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率呈波動(dòng)性, 可能會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量, 如電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波等. 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式, 但是在啟動(dòng)時(shí)仍然會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流. 當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時(shí), 風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)下自動(dòng)退出運(yùn)行. 如果整個(gè)風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作, 這種沖擊對(duì)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(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng), 而其波動(dòng)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(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)給電網(wǎng)帶來閃變問題[ 4] . 電壓波動(dòng)和閃變是風(fēng)力發(fā)電對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的主要負(fù)面影響之一.

3. 1電壓波動(dòng)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(bǔ)償裝置都具有抑制電壓波動(dòng)與閃變的功能[ 8], 如靜止無功補(bǔ)償器( SVC )、有源濾波器( APF)、動(dòng)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(bǔ)償器( SVC)

電壓閃變是電壓波動(dòng)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(dòng)相關(guān), 在高電壓或中壓配電網(wǎng)中, 電壓波動(dòng)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(dòng)所致. 因此, 對(duì)于電壓閃變的抑制,最常用的方法是安裝靜止無功補(bǔ)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(shí)際運(yùn)行時(shí)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(jìn)行補(bǔ)償時(shí), 要求采用具有響應(yīng)時(shí)間短、且能夠直接補(bǔ)償負(fù)荷的無功沖擊電流和諧波電流的補(bǔ)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(dòng)的情況下, 跟隨負(fù)荷變化實(shí)時(shí)補(bǔ)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(duì)負(fù)荷電流作實(shí)時(shí)補(bǔ)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(shí)無功理論進(jìn)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(diǎn): 響應(yīng)時(shí)間快, 對(duì)電壓波動(dòng)、閃變補(bǔ)償率高,可減少補(bǔ)償容量; 沒有諧波放大作用和諧振問題, 運(yùn)行穩(wěn)定; 控制強(qiáng), 能實(shí)現(xiàn)控制電壓波動(dòng)、閃變和穩(wěn)定電壓的作用, 同時(shí)也能有效地濾除高次諧波, 補(bǔ)償功率因數(shù)[ 9].

3. 1. 3 動(dòng)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(dòng)同樣會(huì)導(dǎo)致電壓閃變, 這就要求補(bǔ)償裝置在抑制電壓波動(dòng)與閃變時(shí), 除了進(jìn)行無功功率補(bǔ)償使供電線路無功功率波動(dòng)減小外, 還需提供瞬時(shí)有功功率補(bǔ)償. 因而傳統(tǒng)的無功補(bǔ)償方法不能有效地改善這類電能的質(zhì)量, 只有帶儲(chǔ)能單元的補(bǔ)償裝置才能滿足要求.

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器( DVR ) 是將1臺(tái)由3 個(gè)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(bǔ)償?shù)呢?fù)荷之間[ 10] . 這里的逆變器采用3個(gè)單相結(jié)構(gòu), 目的是為了更靈活地對(duì)三相電壓和電流進(jìn)行控制, 并提供對(duì)系統(tǒng)電壓不對(duì)稱情況的補(bǔ)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(shí), DVR 通過對(duì)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(bǔ)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(chǔ)能單元, 能夠在m s級(jí)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(dòng)對(duì)用戶的影響. 因此, 它是解決電壓波動(dòng)、不對(duì)稱、諧波等動(dòng)態(tài)電壓質(zhì)量問題的有效工具, 是面向負(fù)荷的補(bǔ)償裝置, 起到將系統(tǒng)與負(fù)荷隔離的作用. 該裝置僅對(duì)特定負(fù)荷加以補(bǔ)償, 所以其容量僅取決于負(fù)荷的補(bǔ)償容量和要求的補(bǔ)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(shí)間提供電壓補(bǔ)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(jìn)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(bǔ)償裝置

統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器( UPFC ) 結(jié)合了串、并聯(lián)補(bǔ)償裝置的特點(diǎn), 具有對(duì)電壓、電流質(zhì)量問題統(tǒng)一補(bǔ)償?shù)墓δ? 屬于綜合的補(bǔ)償裝置. 含有儲(chǔ)能單元的串、并聯(lián)組合的用戶電力綜合補(bǔ)償裝置,除了應(yīng)用于配電系統(tǒng)的諧波補(bǔ)償外, 還可以解決瞬時(shí)供電中斷和電壓波動(dòng)等動(dòng)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(dòng)和閃變的研究已進(jìn)行了很長時(shí)間, 取得了豐碩的成果. 采用靜止無功補(bǔ)償器和感性儲(chǔ)能裝置可以減小并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的功率波動(dòng), 從而減小電壓波動(dòng)和閃變. 但由于風(fēng)資源的不確定性、風(fēng)電機(jī)組單機(jī)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(dòng)和閃變還有待于進(jìn)一步的研究.