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(guī)模開發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電方式之一。

隨著電力電子技術(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(xiàn)扇片的調(diào)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(tǒng)中所出現(xiàn)的無(wú)功、諧波等電能質(zhì)量問題提供解決方案?，F(xiàn)將分別對(duì)同定速度和凋速風(fēng)力發(fā)電機(jī)。針對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理進(jìn)行比較與分析。并針對(duì)不同類型的風(fēng)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題進(jìn)行分析。

1.恒速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

恒速恒頻發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用的是普通異步發(fā)電機(jī)。這種風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)正常T作在超同步狀態(tài)。轉(zhuǎn)差率為負(fù)值。并且其變化范圍較小。所以被稱為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

目前，國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多的是恒速恒頻發(fā)電機(jī)組，但是電力電子裝置應(yīng)用較少。其中也有些機(jī)組的轉(zhuǎn)子回路接入電阻。用電力電子器件控制轉(zhuǎn)子電流的大小來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。這種風(fēng)電機(jī)組的主要缺點(diǎn)是：當(dāng)風(fēng)速迅速增大時(shí)。風(fēng)能將通過槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件。產(chǎn)生很大的機(jī)械應(yīng)力。引起這些部件的疲勞損壞：同時(shí)在正常工作時(shí)這類風(fēng)電機(jī)組無(wú)法對(duì)電壓穩(wěn)定進(jìn)行控制。不能和同步發(fā)電機(jī)一樣提供電壓支撐能力。闐此。當(dāng)電網(wǎng)故障時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)電壓的恢復(fù)和系統(tǒng)穩(wěn)定。這也是普通異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組的主要缺陷。其次。因?yàn)楹闼俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)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(jī)組發(fā)出的電能質(zhì)量有問題，如電壓閃變、無(wú)功波動(dòng)等。通常在這類風(fēng)電系統(tǒng)中采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器SVC或TSC來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償。并通過軟啟動(dòng)方法抑制啟動(dòng)時(shí)的發(fā)電機(jī)電流。

2.變速恒頻風(fēng)電系統(tǒng)

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

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：

a.根據(jù)風(fēng)速的變化。風(fēng)力機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

減少了對(duì)風(fēng)力機(jī)等機(jī)械裝置的機(jī)械應(yīng)力：

b.通過對(duì)最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在可發(fā)電風(fēng)速范圍內(nèi)均町獲得最佳功率輸出：

c.風(fēng)力機(jī)能夠?qū)ψ兓娘L(fēng)速起到一定的緩沖。

使輸出功率的波動(dòng)變化減小：

d.通過對(duì)風(fēng)電機(jī)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(dú)控制風(fēng)電機(jī)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(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行很有利。當(dāng)前的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中較多的是采用雙饋異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組。該類機(jī)組在國(guó)外的應(yīng)用已經(jīng)很普及。困內(nèi)新建的風(fēng)場(chǎng)也大都采用這種機(jī)型。另外。采用永磁多極同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)已比較成熟。困外已開始應(yīng)用。

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制方面。電力電子裝置起到了關(guān)鍵作用。當(dāng)風(fēng)速變化引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，通過變頻器調(diào)整轉(zhuǎn)子電流的頻率f，可使定子頻率工恒定，即應(yīng)滿足：工=p。其中，工為定子電流頻率，與電網(wǎng)頻率相同;名為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率;P為電機(jī)的極對(duì)數(shù);f為轉(zhuǎn)子電流頻率。有下述3種情況：

a.凡

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

c.當(dāng)凡=凡。時(shí)，發(fā)電機(jī)處于同步狀態(tài)，此時(shí)發(fā)電機(jī)等效為同步電機(jī)運(yùn)行。變頻器向轉(zhuǎn)子提供直流勵(lì)磁。

雙饋電機(jī)通過變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。此時(shí)轉(zhuǎn)子電路的功率只是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范同決定轉(zhuǎn)差功率。該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的一小部分。所以對(duì)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(diào)節(jié)交流勵(lì)磁的雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻榨制，還町以對(duì)有功、無(wú)功功率實(shí)現(xiàn)單獨(dú)解耦控制。對(duì)電網(wǎng)而言可起到補(bǔ)償無(wú)功和穩(wěn)定電壓的作用。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有如下優(yōu)點(diǎn)：

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

b.雙饋電機(jī)中變頻器的諧波含量較少。減少了相應(yīng)的濾波器容量，降低了成本：

c.可以通過調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機(jī)發(fā)出和吸收的無(wú)功功率。實(shí)現(xiàn)無(wú)功調(diào)節(jié)和電壓控制。

3.永磁多極同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電系統(tǒng)

在永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中。在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間安裝有電力電子變流器?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)有功和無(wú)功的解耦控制。且當(dāng)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(tǒng)的丁作原理如下：首先。采用永磁多極同步發(fā)電機(jī)發(fā)出頻率變化的交流電。然后通過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(tǒng)在并網(wǎng)時(shí)沒有電流沖擊?？梢詫?duì)發(fā)電機(jī)的無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。但是。所有的電能都要通過變流器送入電網(wǎng)。岡此變流器容量和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的容量相同。電力電子變流器設(shè)備成本較高。并且有高頻電流諧波注入電網(wǎng)。與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比。永磁多極同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以更多地捕獲風(fēng)能和提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)出電力的電能質(zhì)量。雖然成本較大，但對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行有利。

永磁多極同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子為永磁式結(jié)構(gòu)。無(wú)需外部提供勵(lì)磁電源。其變速恒頻控制是在定子電路實(shí)現(xiàn)的。把永磁發(fā)電機(jī)的交流電通過變流器轉(zhuǎn)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(tǒng)的額定容量相同。采用永磁發(fā)電機(jī)可做到風(fēng)力機(jī)與發(fā)電機(jī)的直接耦合。省去了齒輪箱。即為n接驅(qū)動(dòng)式結(jié)構(gòu)?？纱蠓鶞p少系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)由于齒輪箱等機(jī)械裝置導(dǎo)致的故障。從而提高整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的可靠性H卜bj。

4.風(fēng)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)裝置和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備

在直接與電網(wǎng)相連的風(fēng)電系統(tǒng)中常用鼠籠型異步發(fā)電機(jī)，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(jī)通過晶閘管平穩(wěn)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)過程，有效避免了保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的順利并網(wǎng)。