風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)及電能質(zhì)量控制策略

引言

風(fēng)能資源是清潔的可再生能源。風(fēng)力發(fā)電是新能源中技術(shù)最成熟、最具規模開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

隨著(zhù)電力電子技術(shù)發(fā)展和成本降低。其在控制方面和電網(wǎng)接人方面為風(fēng)力發(fā)電的性能改善提供了一個(gè)新的解決方案。電力電子技術(shù)可以實(shí)現扇片的調速。從而町得到更多的風(fēng)能。同時(shí)電力電子裝置可以為風(fēng)電并網(wǎng)系統中所出現的無(wú)功、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題提供解決方案?，F將分別對同定速度和凋速風(fēng)力發(fā)電機。針對不同拓撲結構的工作原理進(jìn)行比較與分析。并針對不同類(lèi)型的風(fēng)電系統的電能質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行分析。

1.恒速恒頻風(fēng)電系統

恒速恒頻發(fā)電機系統采用的是普通異步發(fā)電機。這種風(fēng)電機組的發(fā)電機正常T作在超同步狀態(tài)。轉差率為負值。并且其變化范圍較小。所以被稱(chēng)為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組。

目前，國內應用較多的是恒速恒頻發(fā)電機組，但是電力電子裝置應用較少。其中也有些機組的轉子回路接入電阻。用電力電子器件控制轉子電流的大小來(lái)調節轉速。這種風(fēng)電機組的主要缺點(diǎn)是：當風(fēng)速迅速增大時(shí)。風(fēng)能將通過(guò)槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件。產(chǎn)生很大的機械應力。引起這些部件的疲勞損壞：同時(shí)在正常工作時(shí)這類(lèi)風(fēng)電機組無(wú)法對電壓穩定進(jìn)行控制。不能和同步發(fā)電機一樣提供電壓支撐能力。闐此。當電網(wǎng)故障時(shí)會(huì )影響系統電壓的恢復和系統穩定。這也是普通異步發(fā)電機的風(fēng)電機組的主要缺陷。其次。因為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統發(fā)出的電能是隨風(fēng)速波動(dòng)的。若風(fēng)速急劇變化?？赡軙?huì )引起風(fēng)電機組發(fā)出的電能質(zhì)量有問(wèn)題，如電壓閃變、無(wú)功波動(dòng)等。通常在這類(lèi)風(fēng)電系統中采用靜止無(wú)功補償器SVC或TSC來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補償。并通過(guò)軟啟動(dòng)方法抑制啟動(dòng)時(shí)的發(fā)電機電流。

2.變速恒頻風(fēng)電系統

隨著(zhù)電機變頻凋速技術(shù)的不斷發(fā)展。采用雙饋異步發(fā)電機和永磁多極同步電機的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統得到了更加廣泛的研究與應用。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統有下列優(yōu)點(diǎn)：

a.根據風(fēng)速的變化。風(fēng)力機以不同的轉速旋轉。

減少了對風(fēng)力機等機械裝置的機械應力：

b.通過(guò)對最佳轉速的跟蹤。風(fēng)力發(fā)電機組在可發(fā)電風(fēng)速范圍內均町獲得最佳功率輸出：

c.風(fēng)力機能夠對變化的風(fēng)速起到一定的緩沖。

使輸出功率的波動(dòng)變化減?。?/p>

d.通過(guò)對風(fēng)電機組有功和無(wú)功輸出功率進(jìn)行解耦控制。并采用一定的控制策略。以分別單獨控制風(fēng)電機組有功、無(wú)功的輸出，具備電壓的控制能力。

岡此。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統對電網(wǎng)的穩定安全運行很有利。當前的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統中較多的是采用雙饋異步發(fā)電機的風(fēng)電機組。該類(lèi)機組在國外的應用已經(jīng)很普及。困內新建的風(fēng)場(chǎng)也大都采用這種機型。另外。采用永磁多極同步發(fā)電機的風(fēng)電機組技術(shù)已比較成熟。困外已開(kāi)始應用。

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機組的控制方面。電力電子裝置起到了關(guān)鍵作用。當風(fēng)速變化引起發(fā)電機轉速變化時(shí)，通過(guò)變頻器調整轉子電流的頻率f，可使定子頻率工恒定，即應滿(mǎn)足：工=p。其中，工為定子電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同;名為轉子機械頻率;P為電機的極對數;f為轉子電流頻率。有下述3種情況：

a.凡

b.當n>n.時(shí)，此時(shí)發(fā)電機處于超同步狀態(tài)，由定子和轉子共同向電網(wǎng)提供電能：

c.當凡=凡。時(shí)，發(fā)電機處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機等效為同步電機運行。變頻器向轉子提供直流勵磁。

雙饋電機通過(guò)變頻器調節轉子的勵磁電流實(shí)現變速恒頻控制。此時(shí)轉子電路的功率只是由交流勵磁發(fā)電機的轉速運行范同決定轉差功率。該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分。所以對變頻器的容量要求、控制難度及成本大幅度降低。并且采用變頻器調節交流勵磁的雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實(shí)現變速恒頻榨制，還町以對有功、無(wú)功功率實(shí)現單獨解耦控制。對電網(wǎng)而言可起到補償無(wú)功和穩定電壓的作用。雙饋風(fēng)力發(fā)電機組有如下優(yōu)點(diǎn)：

a.轉子側儀傳遞轉羞能量。變頻器容量要求大幅降低。且發(fā)電機可在50%的同步轉速時(shí)正常工作：

b.雙饋電機中變頻器的諧波含量較少。減少了相應的濾波器容量，降低了成本：

c.可以通過(guò)調節雙饋發(fā)電機發(fā)出和吸收的無(wú)功功率。實(shí)現無(wú)功調節和電壓控制。

3.永磁多極同步發(fā)電機的風(fēng)電系統

在永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機組中。在發(fā)電機和電網(wǎng)之間安裝有電力電子變流器?？蓪?shí)現對有功和無(wú)功的解耦控制。且當風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)也町以保證所發(fā)電能的電能質(zhì)量。該系統的丁作原理如下：首先。采用永磁多極同步發(fā)電機發(fā)出頻率變化的交流電。然后通過(guò)整流裝置將該頻率變化的交流電整流成為直流電。最后再通過(guò)逆變器將直流電變換為一lj頻的交流電送人電網(wǎng)。這種系統在并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電流沖擊?？梢詫Πl(fā)電機的無(wú)功功率進(jìn)行調節。但是。所有的電能都要通過(guò)變流器送入電網(wǎng)。岡此變流器容量和風(fēng)力發(fā)電系統的容量相同。電力電子變流器設備成本較高。并且有高頻電流諧波注入電網(wǎng)。與傳統的風(fēng)力發(fā)電機相比。永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機組可以更多地捕獲風(fēng)能和提高風(fēng)電機組發(fā)出電力的電能質(zhì)量。雖然成本較大，但對系統的穩定運行有利。

永磁多極同步發(fā)電機的轉子為永磁式結構。無(wú)需外部提供勵磁電源。其變速恒頻控制是在定子電路實(shí)現的。把永磁發(fā)電機的交流電通過(guò)變流器轉變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率的交流電。因此變流器的容最與系統的額定容量相同。采用永磁發(fā)電機可做到風(fēng)力機與發(fā)電機的直接耦合。省去了齒輪箱。即為n接驅動(dòng)式結構?？纱蠓鶞p少系統運行時(shí)由于齒輪箱等機械裝置導致的故障。從而提高整個(gè)風(fēng)電機組的可靠性H卜bj。

4.風(fēng)電系統的軟并網(wǎng)裝置和無(wú)功補償設備

在直接與電網(wǎng)相連的風(fēng)電系統中常用鼠籠型異步發(fā)電機，如果直接并網(wǎng)會(huì )使得并網(wǎng)電流較大。因此常采用電力電子軟并網(wǎng)裝置進(jìn)行軟并網(wǎng)。異步發(fā)電機通過(guò)晶閘管平穩并網(wǎng)。叮以將并網(wǎng)電流限制在額定電流的1.5倍以下。從而得到一個(gè)較為平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程，有效避免了保護裝置的誤動(dòng)作。實(shí)現風(fēng)力發(fā)電機的順利并網(wǎng)。