引言

風能是一種清潔的、有可靠成本效益的發(fā)電資源,具有很高的環(huán)境效益和社會效益。全球市場對于風力發(fā)電這樣的具有很高環(huán)保效益和社會效益的技術有著巨大且持續(xù)增長的需求。隨著風電技術發(fā)展,我國風電裝機容量不斷上升,風力發(fā)電將逐步成為電力系統(tǒng)重要的電力來源。但受自然、技術等因素影響,風力發(fā)電引起的電壓波動、閃變和諧波等電能質量問題阻礙了其發(fā)展。因此,如何控制好風力發(fā)電中的電能質量就顯得十分重要。

1風力發(fā)電系統(tǒng)類型與特點

1.1恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng),通過保持發(fā)電機的轉速不變,獲得與電網(wǎng)頻率一致的電能。其構成相對簡單,主要采用同步電機與鼠籠型感應電機作為其發(fā)電機。同步電機轉速取決于極對數(shù)和頻率,鼠籠型感應電機轉速則稍高于同步轉速。其特點是設計簡單可靠,造價低,維護量小:缺點是氣動效率低,結構負荷高,只能在同步轉速下運行,并網(wǎng)操作實現(xiàn)復雜,當風速改變會使其偏離最佳運行轉速。

1.2變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)是主流的風力發(fā)電系統(tǒng),其風力機采取變速運行,發(fā)電機轉速隨風速變化,通過電力電子變換裝置得到恒頻電能。在風速變化情況下,通過此系統(tǒng)可以在捕獲最大風能的同時調節(jié)發(fā)電機轉速,使其輸出最大功率。同時,變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)可以調節(jié)發(fā)出的有功功率和無功功率,能補償電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外,該技術還能使發(fā)電機組與電力系統(tǒng)之間形成柔性連接。變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)相比恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng),更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作,具有明顯的優(yōu)越性。

2風力發(fā)電對電網(wǎng)電能質量的影響

2.1電壓波動和閃變

電壓波動指電壓方均根值一系列相對快速變動或連續(xù)改變的現(xiàn)象。電壓波動大小可由相對電壓變動特性d來描述:

式中AU一線路首末端電壓差:

UN一線路額定電壓。

風力發(fā)電機組本身與電網(wǎng)結構特點是風電場引起電壓波動的主要因素。當風電場運行時,向系統(tǒng)送出有功功率(P>0),風電場出線上的壓降為:

式中P一線路有功功率損耗:

O一一線路無功功率損耗:

R一線路電阻:

X一一線路電抗:

U1一線路首端電壓。

由式(2)可以看出,當風力發(fā)電機輸出功率,特別是無功功率波動,風電場出線上的壓降會產(chǎn)生波動,導致風電機組端電壓以及并網(wǎng)電壓波動,從而引起電網(wǎng)電壓波動。而閃變現(xiàn)象則是風電機組輸出功率波動較大時產(chǎn)生。風電機組的輸出功率計算式:

式中P一一輸出功率:

p一空氣密度:

a一風輪掃風面積:

⑦一風速:

cP(入,8)一風能利用系數(shù),是葉尖速比入和獎距角8的函數(shù)。

由式(3)可知,風電機組的輸出功率與風速、空氣密度有關,其值隨風況在零功率和額定功率之間不斷波動,其中風速影響更大。由于風電場風速的隨機性大,風機功率頻繁變化會引起電壓頻繁波動和閃變。此外,受塔影效應、偏航誤差等因素影響,風機葉輪的轉矩波動會造成風機輸出功率的波動。

2.2諧波

恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)在運行過程中沒有電力電子元件參與,故沒有諧波產(chǎn)生。軟并網(wǎng)裝置含有電力電子元件,當機組在工作狀態(tài)時,將產(chǎn)生部分諧波電流,但因為時間很短可以忽略不計。

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)因要產(chǎn)生恒頻電能,采用了大容量電力電子元件,給電網(wǎng)造成了嚴重的諧波污染,諧波干擾的程度取決于電力電子元件裝置的整體設計結構及其安裝的濾波裝置性能,同時也與電網(wǎng)的短路容量有關。此外,當風力發(fā)電機的無功補償裝置與線路電抗產(chǎn)生諧振,對諧波會起到嚴重的放大作用。

3提高電能質量的措施

3.1電壓波動與閃變的抑制技術

供電網(wǎng)絡結構、負荷特性以及電力系統(tǒng)短路容量大小是決定電壓波動與閃變程度的重要因素。同時,頻繁啟動功率

較大的電機也會給系統(tǒng)造成很大沖擊。因而,抑制電壓波動與閃變必然要從選擇補償裝置、改善設備性能、提高供電能力等幾方面來采取相應措施。一般可通過降壓、加設斬波器、串接電阻等方式實現(xiàn)電動機啟動特性的改善。通過如架設專用供電線路之類的供電方式的改造,可以有效降低電壓波動和閃變問題的嚴重程度,但需從經(jīng)濟性角度衡量投資與效益的關系。采用快速無功功率補償裝置也能很好抑制電壓波動和閃變。

3.2電力諧波抑制技術

隨著越來越多敏感負荷對濾波效果要求的提高以及全控型功率器件技術的進步,有源電力濾波器開始受到人們的重視。有源電力濾波器相對于無源濾波器被動吸收固定諧波而言,其能動態(tài)產(chǎn)生與補償諧波形狀一致、相位相反的電流,以抵消非線性負荷產(chǎn)生的諧波電流,達到抑制諧波的目的。有源電力濾波器響應速度快,能實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補償,濾波效果不受系統(tǒng)參數(shù)影響的特點,使其成為抑制電力諧波的良好選擇。除此之外,電抗器、電容器等其他靜止無功補償裝置也能對諧波起到較好的抑制效果。

4結語

風力發(fā)電規(guī)模迅速擴大,風電場并網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢。但風力發(fā)電過程中產(chǎn)生的電力諧波、電壓波動及閃變等問題,嚴重影響著風力發(fā)電的效率。只有這些問題得到有效解決,才能發(fā)揮風力發(fā)電效能,使整個發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。