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

1 風力發電機組的并網技術

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

1. 1 同步風力發電機組并網技術

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

1. 2 異步風力發電機組并網技術

異步風力發電機投入運行時, 由于靠轉差率來調整負荷, 因此對機組的調速精度要求不高, 不需要同步設備和整步操作, 只要轉速接近同步轉速時, 就可并網. 顯然, 風力發電機組配用異步發電機不僅控制裝置簡單, 而且并網后也不會產生振蕩和失步, 運行非常穩定.

然而, 異步風力發電機并網也存在一些特殊問題, 如直接并網時產生的過大沖擊電流會造成電壓大幅度下降, 對系統安全運行構成威脅; 本身不發無功功率, 需要無功補償; 過高的系統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, 功率因數大大下降; 不穩定系統的頻率過于上升, 會因同步轉速上升而引起異步發電機從發電狀態變成電動狀態, 不穩定系統的頻率過大下降, 又會使異步發電機電流劇增而過載等. 因此,必須嚴格監視并采取相應的有效措施才能保障風力發電機組的安全運行. 目前, 國內外采用的異步發電機的風力發電機組并網方式主要有直接并網法、準同期并網方式、降壓并網方法、捕捉式準同步快速并網和軟并網等.

2 風力發電機并網及運行試驗

國標GB /T 19070- 2003(風力發電機組控制器試驗方法)規定了并網型風力發電機組控制器試驗條件、試驗方法及與電網并聯運行相應的規范[ 2] . 發電機并網及運行試驗主要包括軟并網功能試驗、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)軟并網功能試驗 將機組主軸升速, 當異步發電機轉速接近同步速(約為同步速的92%~ 99% )時, 并網接觸器動作, 發電機經一組雙向晶閘管與電網連接, 控制晶閘管的觸發單元, 使雙向晶閘管的導通角由0b至180b逐漸增大, 調整晶閘管導通角打開的速率, 使并網過程中的沖擊電流不大于技術條件的規定值. 暫態過程結束時, 旁路開關閉合, 將晶閘管短接.

( 2)補償電容投切試驗 在機組并網運行時, 通過調整發電機輸出功率, 在不同負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 在機組并網運行時, 通過由小到大增加發電機負載功率, 觀察小電機大電機切換過程.

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

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

3 風電并網對電能質量的影響

隨著越來越多的風電機組并網運行, 風力發電對電網電能質量的影響引起了廣泛關注. 風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性使風電機組的輸出功率呈波動性, 可能會影響電網的電能質量, 如電壓偏差、電壓波動和閃變、諧波等. 風力發電機組大多采用軟并網方式, 但是在啟動時仍然會產生較大的沖擊電流. 當風速超過切出風速時, 風機會從額定出力狀態下自動退出運行. 如果整個風電場所有風機幾乎同時動作, 這種沖擊對配電網的影響十分明顯[ 3]. 不但如此, 風速的變化和風機的塔影效應都會導致風機出力的波動, 而其波動正好處在能夠產生電壓閃變的頻率范圍之內(低于25H z), 因此, 風機在正常運行時也會給電網帶來閃變問題[ 4] . 電壓波動和閃變是風力發電對電網電能質量的主要負面影響之一.

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)、動態電壓恢復器( DVR) , 以及配電系統電能質量統一控制器( 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, 閃變的嚴重程度與負荷變化引起的電壓變動相關, 在高電壓或中壓配電網中, 電壓波動主要與無功負荷的變化量及電網的短路容量有關. 在電網短路容量一定的情況下, 電壓閃變主要是由于無功負荷的劇烈變動所致. 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, 目前這方面的技術已相當成熟. 但是, 由于某些類型的SVC本身還產生低次諧波電流, 須與無源濾波器并聯使用, 實際運行時可能由于系統諧波諧振使某些諧波嚴重放大. 因此, 在進行補償時, 要求采用具有響應時間短、且能夠直接補償負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, 必須在負荷電流急劇波動的情況下, 跟隨負荷變化實時補償無功電流. 近年來, 采用電力晶體管( GTR ) 和可關斷晶閘管( GTO ) 及脈寬調制( PWM ) 技術等構成的有源濾波器, 可對負荷電流作實時補償. 有源電力濾波器的工作原理與傳統的SVC 完全不同, 它采用可關斷的電力電子器件, 基于坐標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電源向負荷提供所需的畸變電流, 從而保證系統只須向負荷提供正弦的基波電流.

有源電力濾波器與普通SVC 相比, 有以下優點: 響應時間快, 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, 運行穩定; 控制強, 能實現控制電壓波動、閃變和穩定電壓的作用, 同時也能有效地濾除高次諧波, 補償功率因數[ 9].

3. 1. 3 動態電壓恢復器( DVR )

在中低壓配電網中, 有功功率的快速波動同樣會導致電壓閃變, 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. 因而傳統的無功補償方法不能有效地改善這類電能的質量, 只有帶儲能單元的補償裝置才能滿足要求.

動態電壓恢復器( DVR ) 是將1臺由3 個單相電壓源變流器構成的三相變流器串聯接入電網與欲補償的負荷之間[ 10] . 這里的逆變器采用3個單相結構, 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, 當線路側電壓發生突變時, DVR 通過對直流側電源的逆變產生交流電壓, 再通過變壓器與原電網電壓相串聯, 以補償系統電壓的跌落或抵消系統電壓的浪涌. 由于DVR 通過自身的儲能單元, 能夠在m s級內向系統注入正常電壓與故障電壓之差, 可用于克服系統電壓波動對用戶的影響. 因此, 它是解決電壓波動、不對稱、諧波等動態電壓質量問題的有效工具, 是面向負荷的補償裝置, 起到將系統與負荷隔離的作用. 該裝置僅對特定負荷加以補償, 所以其容量僅取決于負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 統一電能質量控制器及其他補償裝置

統一電能質量控制器( UPFC ) 結合了串、并聯補償裝置的特點, 具有對電壓、電流質量問題統一補償的功能, 屬于綜合的補償裝置. 含有儲能單元的串、并聯組合的用戶電力綜合補償裝置,除了應用于配電系統的諧波補償外, 還可以解決瞬時供電中斷和電壓波動等動態電壓質量問題,提高供電的可靠性.

4 結束語

風力發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風電機組產生的功率波動, 從而減小電壓波動和閃變. 但由于風資源的不確定性、風電機組單機容量不斷增加,風力發電并網技術及其引起的電壓波動和閃變還有待于進一步的研究.