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风电机组并网问题研究

来源：抵帆知识网

第23卷第2期

2008年6月

电力科学与技术学报

JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGY

Vol.23No.2Jun.2008　

风电机组并网问题研究

黄守道,孙延昭,黄科元

(湖南大学电气与信息工程学院,湖南长沙　410012)

摘　要:针对不同的风力发电机采用不同的并网技术进行讨论和研究,对并网型风电机组对电网产生的影响进行

分析,提出相应的对策和解决办法.

关　键　词:风能;并网;电压波动;闪变

M315;TM614　　　中图分类号:T文献标识码:A　　　文章编号:167329140(2008)0220013206

Reviewoncutting2instrategiesofwindpowerHUANGShou2dao,SUNYan2zhao,HUANGKe2yuan

(CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410012,China)

Abstract:Thispapermadesomediscussionsandresearchesondifferentkindsofcutting2instrategieswhichusedindifferentkindsofwindpowergenerators,analyzedtheinfluenceofgridcausedbythegrid2connectedwindpower,andproposedthecorrespondingstrategiesandresolutions.Keywords:windpower;cutting2in;voltagefluctuation;flicker

　　随着全球化能源危机日益严重,资源短缺和环境恶化,使得世界各国开始重视开发和利用可再生、无污染的能源.风能作为一种绿色能源有着改善能源结构、经济环保等方面的优势,是未来能源发展的一个趋势.

近年来,风力发电在技术上日趋成熟,商业化应用不断提高,同时,风力发电的成本也在不断降低,这为充分利用风能提供了诸多有利条件.大规模风力发电必须要实现并网运行,然而,随着风电场的容

　　　　　　　　　　收稿日期:2008205228

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)(754202004)

量越来越大,对电网的影响也越来越明显,研究风力发电并网对系统的影响已成为重要课题.一般风力资源丰富的地区往往人口稀少,处于供电网络的末端,承受冲击的能力较弱,并网风电机组在持续运行和切换操作过程中都会产生电压波动和闪变,给当地电网的电能质量及稳定性造成不良影响.因此,风电机组的并网问题正逐渐成为新的研究热点,引起人们的广泛关注.本文对发电机的并网控制以及风电机组对电网的影响等问题进行了讨论.

作者简介:黄守道(1962-),男,博士,教授,博士生导师,主要从事风力发电技术研究.通讯作者:黄守道,男,教授,博士生导师;E2mail:shoudaohuang@tom.com

电力科学与技术学报　　　　　　　　　　　　　2008年6月

1　风电机组的并网

1.1　恒速恒频发电机的并网

③降压并网方式,为了抑制并网时的冲击电流,可在异步电机与电网之间串接电感器,使系统电压不致下跌过大,并网后稳定运行时,再将其短接.

对于较大型的风力发电机组,目前比较先进的并网方法是采用双向晶闸管控制的软切入法.当发电机达到同步速附近时,发电机输出端的短路器闭合,发电机组通过双向晶闸管与电网相连,双向晶闸管触发角由180°-0°逐渐打开,双向晶闸管的导通角由0°-180°通过电流反馈对双向晶闸管导通角控制,将并网时的冲击电流限定在额定电流1.5倍以内,从而得到一个比较平滑的并网过程.瞬态过程结束后,微处理机发出信号,利用一组开关将双向晶闸管短接,完成并网过程(图1).

早期的风力发电系统中,大多采用恒速恒频发电机组,对于恒速恒频发电机组的并网,根据发电机种类不同,采用不同的并网方法.

1)同步发电机的并网运行.

由于同步发电机本身固有的特性,将其移植到风电机组中使用时,效果不甚理想,这是由于风速随机变化,作用在转子上的转矩很不稳定,使得并网时其调速性能很难达到期望的精度,若不进行有效地控制,常会发生严重的无功振荡和失步,对系统造成严重影响

[1]

.同步发电机的并网控制如下:当风速

超过切入风速时,启动风电机组,当发电机被带到接近同步速时,启动励磁调节器,给发电机励磁,使发电机的端电压接近电网电压.在几乎达到同步速时,检测出断路器两侧电位差,当其为零或非常小时,合闸并网,此时只要接近同步转速,就可使并网瞬态电流减至最小,因而发电机组和电网受到的冲击也最小.但要求风力发电机组调节器调节转速,使发电机频率偏差达到容许值时方可并网,因此对调节器的要求较高.

2)异步发电机的并网运行.

图1　感应发电机软并网框图

Figure1　Diagramofinductiongeneratorsoftcut2in

1.2　变速恒频发电机组的并网

异步发电机运行时,靠转差率来调整负荷,对机组调速要求不高,可直接并网,也可通过晶闸管调压装置与电网相连接,然而,异步发电机并网存在一些特殊的问题,如直接并网会产生过大冲击电流,造成电压大幅度下降,会对系统安全构成威胁;本身不发无功功率,需要无功补偿;当输出功率超出其最大转矩所对应的功率会引起网上飞车等等.因此运行时必须严格监视并采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的安全运行.

目前国内外采用异步发电机的风电机组并网方式主要有以下几种:

①直接并网方式,采用这种方式时只要发电机转速接近同步转速时即可并网.

②准同期并网方式,在转速接近同步速时,先用电容励磁,建立额定电压,然后对已建立的发电机电压和频率进行调节和校正,使其与系统同步,当发电机的电压,频率,相位与系统一致时,将发电机投入电网运行.

随着风力发电技术的发展,变速恒频发电机组已成为大型并网风力发电机组的主流机型.相对于恒速恒频发电机组,变速恒频发电机组最为重要的一个优势就是能在很宽的风速范围内保持最佳叶尖速比,从而使风能利用系数CP保持最大值不变,以捕获最大风能,提高发电机组的效率.

1)双馈发电机系统的并网.

交流励磁双馈发电机变速恒频发电方案是通过在双馈电机转子侧施加三相交流电进行励磁,调节励磁电流幅值,频率和相位,以实现定子侧恒频恒压输出(图2).

在双馈风电系统中,发电机与网侧是柔性连接关系,可通过调节转子励磁电流实现软并网,避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动.

目前,变速恒频风力发电机组的并网方式主要有空载并网,带独立负载并网,孤岛并网

[2]

空载并网方式并网前发电机不带负载,不参与能量和转速的控制.为了防止在并网前发电机的能

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量失衡而引起的转速失控,应由原动机来控制发电机组的转速.文献[3]介绍了双馈电机空载并网控制,将矢量变换技术移植到发电机并网控制上,提出了一种基于定子磁链定向方式的空载并网控制策略.图3给出了该种控制策略的控制框图.

变器使双馈电机定子发电电压达到额定值.当定子电压达到额定值时,发电机定子输出和转子输入与双PWM逆变器分别连接,形成一个独立能量环路通道,控制器通过网侧逆变器将直流母线电压调节到额定值.当发电机转速达到并网转速,控制系统将调节发电机电压与电网电压同步,实现同步后,并网发电.

文献[4]详细介绍了孤岛并网方式的工作思路和原理,并分别给出了电机侧变流器和网侧变流器的具体控制方案.

2)同步发电机交-直-交系统并网.

由于风速的随机性,输入到发电机的能量也在不断地变化,然而,同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的,不可直接并网.现在一般采取的方法是在同步发电机和电网之间采用交-直-交变频系统,使得这一问题得到解决,该系统有以下优点:

①由于采用交-直-交变频系统,使发电机组工作频率与电网频率相互独立,因此不必担心并网时可能出现的失步问题.发电机可以运行在不同转速下,最大限度地捕捉风能.

②采用变频装置进行输出控制,并网时没有电流冲击,对系统几乎没有影响.

目前在变速恒频发电领域中,直驱永磁同步发电机组较受欢迎

[5]

(图4).永磁同步电机结构简单,

没有励磁绕组,节省了电机的用铜量,无电刷,无滑环,消除了转子损耗,运行可靠.直驱永磁同步发电

带独立负载并网方式并网前接有负载,发电机参与原动机的能量控制,表现在一方面改变发电机的负载、调节发电机的能量输出,另一方面在负载一定的情况下,改变发电机转速的同时,改变能量在电机内部的分配关系.前一种作用实现了发电机能量的粗调,后一种实现了发电机能量的细调.带独立负载并网方式,发电机具有一定的能量调节作用,可与原动机配合实现转速的控制,降低了对原动机调速能力的要求,但控制复杂,需要进行电压补偿和检测更多的电压、电流量.

孤岛并网方式工作过程如下:首先进行预充电过程,当风机启动后,而且发电机转速达到励磁范围时(可定为50%)开始励磁.电网从预充电变压器经直流整流器向双PWM变流器的直流母线电容充电,用以激励整个系统.控制器通过控制电机侧的逆

图4　采用交-直-交变频系统的直驱永磁同步发电系统框图

Figure4　Diagramofdirect2drivepermanentmagnetsynchronousgenerationsystemusingAC2DC2ACconverter

机与风力机直接耦合,省去了变速箱,提高可靠性,减少系统噪声,降低了维护成本.是未来风电机组发展的一个重要方向.

3)轻型直流输电技术(HVDCLight)在风力发

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电系统中的应用.

轻型直流输电(HVDCLight)技术是在电压源换流器(VSC)技术和全控型功率器件(GTO、IGBT、IGCT等)基础上发展起来的一种直流输电新技

引起电压波动和闪变的因素很多,如风速,风电机组类型,控制系统以及风电机组公共连接点的短路容量,电网线路X/R比和公共连接点所连的负荷特性等

[10]

术

[6,7]

,与传统直流输电比较,具有采用无源逆变工

风速,尤其是平均风速和湍流强度对电网波动和闪变影响很大.随着风速的增大,风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大.湍流强度对电压波动和闪变的影响几乎成正比例增长.

并网风电机组类型和控制系统对风电机组的电能质量影响很大.变速风电机组运行产生的电压波动和闪变水平远低于恒速风电机组,几乎是恒速风电机组的1/4.

并网风电机组公共连接点短路比和电网线路X/R比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的

作方式,克服了传统直流输电受端必须是有源网络的根本缺陷;可以实现有功和无功的独立控制,控制灵活方便;不需要交流侧无功功率,能够实现静止无功补偿功能;交流侧电流可控,不会增加系统短路容量;通过采用PWM控制技术,有效减少了滤波装置容量;易于构成与交流系统相同拓扑结构的多端直流系统,运行方式灵活多变等特点,是实现风电场(尤其是海上风电场)与电网或用户连接的理想输

电方式.

轻型直流输电作为一种经济、灵活、高质量的输电方式,已用于国外许多直流输电工程中,并产生了良好的输电及环保效益

[6]

重要因素.风电机组公共连接点短路比越大,风电机组引起的电压波动和闪变越小[11]

.合适的X/R比

.如在瑞典建成的历史上

可以使有功功率引起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉,从而使整个平均闪变值有所减轻.

并网风电机组在启动、停止、和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变.文献[12]分别计算了恒速定桨距和恒速变桨距风电机组在切换操作过程中产生的电压波动和闪变,并与持续运行过程中产生的电压波动和闪变作了比较.

2)谐波污染问题.

第1个实验性HVDCLight工程—赫尔斯扬(Hellsjon)试验工程,瑞典的果兰特(Gotland)工程,以及在丹麦、澳大利亚和美国建起的示范性工程.基于目前HVDCLight技术的不断成熟,以及风电的远距离传输的要求,将HVDCLight应用于风电的运送传输中具有很好的前景.

2　风电并网对电网的影响

随着越来越多的风电机组并网运行,风力发电对电网的影响也越来越受到人们的广泛关注.风力发电原动力是不可控的,它的出力大小决定于风速的状况.从电网的角度看,并网运行的风电机组相当于一个具有随机性的扰动源,会对电网电能质量和稳定性等方面造成影响.2.1　对电能质量的影响

谐波会造成供电质量变差,使得电网功率因数降低.风电系统中谐波的影响主要有:增加发电机的铜损和铁损,引起电容器组和变压器的发热故障,控制电路受影响,传感器测不准等.风电给系统中谐波产生的途径主要有2种

[13]

:一种是风力本身配备的

电力电子装置,可能带来谐波问题.对于直接和电网相连的恒速风机,软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连,因此会产生一定的谐波,不过因为过程很短,通常可以忽略.但是对于变速风机组,其转速控制系统采用了电力电子装置,当它将电能输送给电网时会产生谐波.随着电力电子器件的不断改进,脉宽调制技术(PWM)的采用有效地抑制了电力电子器件带来的谐波.另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振,产生谐波.2.2　对稳定性的影响

风资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的,会影响电网的电能质量,如电压波动和闪变,谐波污染等问题

1)电压波动和闪变.

[8]

电压波动和闪变是风力发电机组对电网电能质量的主要负面影响之一.并网风电机组在持续运行和切换操作过程中都会产生电压波动和闪变间引起的闪变值和相对电压变动的计算公式.

[9]

.文

献[10]给出了风电机组在持续运行和切换操作期风力发电系统通常接入电网的末端,改变了配电网功率单向流动的特点,使潮流流向和分布发生

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改变,这在原有电网的规划和设计时是没有预先考虑的.当风电注入功率增大时,风电场附近局部电网的电压和联络线功率可能会超出安全范围,严重时会导致电压崩溃.

在异步发电机并网系统中,风电系统在向电网注入功率的同时需要从电网吸收大量的无功功率.因此,为了补偿风电场的无功功率,每台风力发电机都配有功率因数校正装置,目前常用的是分组投切的并联电容器.电容器的无功补偿量的大小与接入点电压的平方成正比,当系统电压水平较低时,并联电容器的无功补偿量迅速下降,导致风电场对电网的无功需求上升,进一步恶化电压水平,严重时会造成电压崩溃.

由于异步发电机的功率恢复特性,当电网发生短路故障时,若故障排除不及时,也将容易导致暂态电压失稳.另外,随着风电场规模的不断扩大,风电场在系统中所占的比例不断增加,风电输出的不稳定性对电网的功率冲击效应也不断增大,对系统稳定性的影响就更加显著,严重情况下,将会使系统失去动态稳定性,导致整个系统的瓦解.用原理是利用电力电子控制器代替系统电源向负荷提供所需的畸变电流,从而保证系统只需向负荷提供正弦的基波电流.有源电力滤波器与普通SVC相比,有以下优点:响应时间快,对电压波动、闪变补偿率高,可减少补偿容量;没有谐波放大作用和谐振问题,运行稳定;控制强,能实现控制电压波动、闪变和稳定电压的作用,同时也能有效地滤除高次谐波,补偿功率因数.

3)超导储能装置(SMES).

通过采用基于GTO的双桥结构换流装置,SMES可以在四象限灵活地调节有功和无功功率,

为系统提供功率补偿,跟踪电气量的波动.充分利用SMES有功无功综合调节能力,可以降低风电场输出功率的波动,稳定风电场电压,提高系统的稳定性.SMES是一种有源的补偿装置,与SVC相比其无功补偿量对接入点电压的依赖程度小,在低电压时的补偿效果更好[14]

4　结　论由于风能的可再生性、无污染性,且资源丰富,在常规能源日趋紧张的今天,风能的开发和利用越来越受到人们的瞩目.风力发电是21世纪发展最快的一种可再生能源,风力发电技术在兴起的短短20多年时间里,已经取得了突飞猛进的发展,风力发电技术不断成熟,从早期的恒速恒频发展到现在的变速恒频,在电机的使用上,双馈电机已经取代感应电机,极大地提高了机组的效率,但双馈异步发电机要通过齿轮变速箱增速,这样也造成了风力发电机可靠性差、效率低等缺点,因此很多公司纷纷推出基于永磁低速同步电动机的风力发电机组.

当前风力发电机组正朝着大型化、直驱化、永磁化方向发展,机组大型化有利于减少占地,降低并网成本和单位功率造价;机组直驱化简化了系统结构,提高了风能转换效率,减少系统维护费用;机组永磁化可以减小体积,同时还可以省去电刷和集电环等易耗机械部件,提高了系统的可靠性.可以预见,直驱永磁发电机组是未来风电发展的一个重要方向.

随着风电场规模的不断增大,与风电场并网有关的电能质量问题,稳定性问题正逐渐成为新的研究热点,吸引着越来越多的研究机构和科研人员从事风电并网技术的研究和咨询工作.

3　改善风力发电并网性能的一些措施风力发电是一种新型的能源,具有广泛的社会效益和经济效益,但是风电系统的并网给电网的质量和稳定性等方面带来了诸多负面影响.因此,采取科学的方法来改善风电并网性能具有重要的现实意义和经济意义.

1)静止无功补偿器(SVC).

利用静止无功补偿器(SVC)减小风力发电功率波动对电网电压的影响.风电场是一个发出有功功率、吸收无功功率的特殊元件,风电场的电压往往很低,利用SVC改善系统电能质量和提高系统的稳定性是一个有效的措施.目前TRC2FC型SVC在国内外风电场已得到了广泛的应用.

2)有源电力滤波器(APF).

近年来,采用电力晶体管(GTR)和可关断晶闸管(GTO)及脉宽调制(PWM)技术等构成的有源滤波器,可对负荷电流作实时补偿,有效地抑制了电压波动和闪变.有源电力滤波器的工作原理与传统的SVC完全不同,它采用可关断的电力电子器件,基于坐标变换原理的瞬时无功理论进行控制,其作

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