风力发电机组并网对电网电能质量的影响,引起波动和闪变.风力发电是21世纪发展Z快的一种可再生能源, 随着风电场的容量越来越大, 对系统的影响也越来越明显.早期风电的单机容量较小, 大多采用结构简单、并网方便的异步发电机, 直接和配电网相连. 而风电场所在地区往往人口稀少, 处于供电网络的末端, 承受冲击的能力很弱, 因此, 风电很有可能给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变问题, 风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难。

风力发电机组的并网技术

　　交流发电机并网条件是发电机输出的电压与电网电压在幅值、频率以及相位上完全相同. 随着风力发电机组单机容量的增大, 在并网时对电网的冲击也越大. 这种冲击严重时不仅会引起电力系统电压的大幅度下降, 还可能对发电机和机械部件(塔架、桨叶、增速器等)造成损坏. 如果并网冲击时间持续过长,还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行. 因此, 采用合理的并网技术是一个不容忽视的问题。

同步风力发电机组并网技术

　　同步发电机在运行中, 既能输出有功功率, 又能提供无功功率, 且周波稳定, 电能质量高, 已被电力系统广泛采用. 然而, 将其移植到风力发电机组上使用时却不很理想. 这是因为风速时大时小,随机变化, 作用在转子上的转矩极不稳定, 并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度.并网后若不进行有效的控制, 常会发生无功振荡与失步问题, 在重载下尤为严重. 因而在相当长的时间内, 国内外风力发电机组很少采用同步发电机. 但近年来随着电力电子技术的发展, 在同步发电机与电网之间采用变频装置, 可从技术上解决这些问题, 因此, 采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。

异步风力发电机组并网技术

　　异步风力发电机投入运行时, 由于靠转差率来调整负荷, 因此对机组的调速精度要求不高, 不需要同步设备和整步操作, 只要转速接近同步转速时, 就可并网. 显然, 风力发电机组配用异步发电机不仅控制装置简单, 而且并网后也不会产生振荡和失步, 运行非常稳定.

　　然而, 异步风力发电机并网也存在一些特殊问题, 如直接并网时产生的过大冲击电流会造成电压大幅度下降, 对系统安全运行构成威胁; 本身不发无功功率, 需要无功补偿; 过高的系统电压会使其磁路饱和, 无功激磁电流大量增加, 定子电流过载,功率因数大大下降; 不稳定系统的频率过于上升, 会因同步转速上升而引起异步发电机从发电状态变成电动状态, 不稳定系统的频率过大下降, 又会使异步发电机电流剧增而过载等. 因此,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, 国内外采用的异步发电机的风力发电机组并网方式主要有直接并网法、准同期并网方式、降压并网方法、捕捉式准同步快速并网和软并网等。

风电并网对电能质量的影响

　　随着越来越多的风电机组并网运行, 风力发电对电网电能质量的影响引起了广泛关注. 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呈波动性, 可能会影响电网的电能质量, 如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等. 风力发电机组大多采用软并网方式, 但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流. 当风速超过切出风速时, 风机会从额定出力状态下自动退出运行. 如果整个风电场所有风机几乎同时动作, 这种冲击对配电网的影响十分明显. 不但如此, 风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动, 而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内(低于25H z), 因此, 风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题. 电压波动和闪变是风力发电对电网电能质量的主要负面影响之一。

电压波动与闪变的机理分析

风力发电引起电压波动和闪变的根本原因在于并网风电机组输出功率的波动。

目前，国际上有三种代表性原理的闪变测量仪器，分别是日本的闪变仪、英国的ERA电弧炉闪变仪和由IEC和UIE推荐的闪变仪。而我国照明电压为220V，与IEC/UIE推荐的采用230V照明电压、60W白炽灯的闪变试验接近，且在IEC标准中应用短时间闪变和长时间闪变来评估闪变严重程度也更加科学和准确。

波动和闪变的数学分析方法：

1、相对电压波动

相对电压波动值电压均方根值的两个极值Umax和Umin之差ΔU,常以额定电压UN的百分数表示其相对百分值,即

电压波动值为以电压均方根值或峰值的包络线作为时间函数的波形。分析时抽象地将工频电压U看作载波,将波动电压ΔU看作调幅波。

2、闪变觉察率F（%）

根据IEC推荐的实验条件，采用不同波形、频度、幅值的调幅波工频电压为载波向工频230V、60W白炽灯供电照明，并对观察者的闪变视感实验进行统计可得到有明显觉察和难以忍受者的数量占观察者总数量的比，即

式中，A：没有觉察的人数，B：略有觉察的人数，C：有明显觉察的人数，D：难以忍受的人数。

　　如果该比值超过50%，说明半数以上的实验观察者有明显的或难以忍受的视觉反映，若把F（%）大于50%定为闪变限值，则对应的电压变动值为该实验条件下电压波动允许值。

电压波动与闪变的抑制

目前, 大部分用于改善和提高电能质量的补偿装置都具有抑制电压波动与闪变的功能, 如静止无功补偿器( SVG )、有源滤波器( APF)。

静止无功补偿器( SVG)

　　电压闪变是电压波动的一种特殊反映, 闪变的严重程度与负荷变化引起的电压变动相关, 在高电压或中压配电网中, 电压波动主要与无功负荷的变化量及电网的短路容量有关。在电网短路容量一定的情况下, 电压闪变主要是由于无功负荷的剧烈变动所致。 因此, 对于电压闪变的抑制,Z常用的方法是安装静止无功补偿装置, 目前这方面的技术已相当成熟。但是,由于某些类型的SVC本身还产生低次谐波电流, 须与无源滤波器并联使用, 实际运行时可能由于系统谐波谐振使某些谐波严重放大。 因此, 在进行补偿时, 要求采用具有响应时间短、且能够直接补偿负荷的无功冲击电流和谐波电流的补偿器。

有源电力滤波器(APF)

　　要抑制电压闪变, 必须在负荷电流急剧波动的情况下, 跟随负荷变化实时补偿无功电流. 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, 从而保证系统只须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。