风力发电并网技术及电能质量控制

魏 巍，关乃夫，徐 冰

（1.华北电力大学，北京 100000；2.国网白城供电公司，吉林 白城 137000）

风力发电是一种清洁环保的可再生能源。随着风力发电场容量逐渐变大，对整个电网系统的影响也越来越大。因为风力发电场一般处在人口稀少的偏远地区，不是供电网络的中心，一般承受冲击的能力不强，所以，风电有可能会给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变等问题，风电的随机性也会给发电和运行计划的制定带来许多阻碍，研究风力发电并网技术也成为了广泛关注的课题。本文介绍了风力发电并网技术和风力发电并网及运行试验，讨论分析了风力发电并网对电能质量的影响，并介绍了控制电能质量的方法［1］。

1 风力发电并网技术

风力发电并网技术要求发电机输出的电压在幅值、频率以及相位上和电网系统的电压要完全相同。随着风力发电机组容量的逐渐加大，风电在并网时对于电网的冲击也越来越大。当并网冲击十分严重的时候，不但会引起电力系统电压下降，还会对发电机和机械部件（塔架、桨叶、增速器等）造成一定的损坏。如果并网冲击时间持续过长，可能会出现系统瓦解或者威胁到其他挂网机组的正常运行，所以，必须要选择合理的并网技术。

1.1 同步风力发电机组并网技术

同步发电机在运行过程中，在输出有功功率的同时，又可以提供无功功率，而且周波稳定，电能质量高，所以已经被电力系统广泛采用。怎么让这项技术和风力发电机并网技术实现完美融合就成为当今人们要研究的问题。在很多时候，由于风速不稳定，会导致在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能将不能达到同步发电机所要求的精度，如果并网后不对其进行有效控制，特别是重载情况下，极可能会发生无功振荡与失步问题，所以，过去的许多年里国内外风力发电机组都很少会采用同步发电机。近些年来，伴随着电力电子技术的高速发展，已经可以通过技术在一定程度上避免这些问题，比如在同步发电机与电网之间采用变频装置就是有效的办法，人们又重新开始重视同步风力发电机组并网技术。

1.2 异步风力发电机组并网技术

与同步风力发电机组并网技术相比，异步风力发电机在其运行过程中，由于是靠转差率来调整负荷的，所以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的时候，就可以进行并网。风力发电机组配用异步发电机，最显著的优点就是这项技术的控制装置比较简单，并网后不会产生无振荡和失步问题，运行稳定可靠；但是异步风力发电机组并网技术运行过程中也有一些问题，比如直接并网就有可能导致大冲击电流，造成电压下降，影响到系统的安全运行；系统本身没有无功功率，需要进行无功补偿；过高的系统电压会使其磁路饱和，无功激磁电流大幅增加，定子电流过载，功率因数急剧下降；不稳定系统的频率过于上升，会因为同步转速的上升而导致异步发电机从发电状态变成电动状态，不稳定系统的频率下降，又会使异步发电机电流剧增而过载等，所以，必须要严格监督并采取措施来保证异步风力发电机组安全运行［2］。

2 风力发电机并网及运行试验

GB／T 19070—2003《风力发电机组控制器试验方法》规定了并网型风力发电机组控制器的试验条件、试验方法及与电网并联运行相应的规范。发电机并网及运行试验主要包括了软并网功能试验、补偿电容投切试验、小电机－大电机切换试验和大电机－小电机切换试验。

2.1 软并网功能试验

将机组主轴升速，当异步发电机转速达到了同步速的92%到99%的时候，并网接触器启动，发电机经一组双向晶闸管与电网连接，控制晶闸管的触发单元，使双向晶闸管的导通角从0°遂渐增大到180°，调整晶闸管导通角打开的速率，使并网过程中的冲击电流不会超过技术条件下的规定值。暂态过程结束的时候，旁路开关闭合，将晶闸管短接。

2.2 动态无功补偿装置功能特性测试试验

在机组并网运行过程中，通过调整发电机的输出功率，在不同负载情况下观察电容补偿投切动作是否正常。动态无功补偿装置功能特性测试试验要选择2种最恶劣工况进行，分别是风电小发工况和风电大发工况。

风电小发工况下，风电场送电线路充电功率较多，220kV 母线电压达到较高水平。因此，该工况下只适合感性无功补偿试验。风电大发工况下，风电场送出线路重载，无功损耗最大，风电场220kV母线电压达到较低水平。因此该工况下只适合容性无功补偿试验。两种工况都要进行稳态下电压无功综合控制试验和暂态过程中装置的快速响应试验，以验证无功补偿控制策略的正确性及SVG 装置的稳定性。

2.3 风电机组低电压穿越能力测试试验

风机故障穿越能力检测系统原理图如图1 所示。限流电抗用于限制电压跌落对电网及风电场内其他在运行风力发电机组的影响。测试时，应根据现场情况调整限流电抗阻值的大小，确保电压跌落测试不会对电网造成不可接受的影响，同时也不会显著影响风力发电机组的暂态响应。在电压跌落发生前后，限流电抗可利用旁路开关短接。短路电抗闭合短路开关，将短路电抗三相或两相连接在一起，通过模拟电网故障在测试点产生要求的电压跌落。限流电抗和短路电抗的阻值均可调，测试时通过调节电抗阻值可以产生不同深度的电压跌落。

检测方法如下：风机停机，箱变停电，将检测设备DIPGEN 串联接入被测风机与箱变低压侧之间。箱变上电，合DIPGEN 内部变压器、UPS开关及其他辅助开关，给DIPGEN 的控制开关、控制面板等供电。不带风机进行空载试验。合风机内部断路器，使风机并网运行。风机输出功率（10%～30%）额定功率时，进行小风工况的测试。风机输出功率大于90%额定功率时，进行大风工况的测试。

2.4 风电场电能质量测试试验

在风电场保护间计量屏取三相电压、三相电流，对风电场并网点的电压偏差、闪变、谐波等电能质量指标进行检测。风电场停运期间，检测并网点的背景长时间闪变、各次谐波电压及电压总谐波畸变率。风电场正常运行时，检测每个功率区间（输出功率从0至额定功率的100%，以10%的额定功率为一个功率区间）并网点的长时间闪变、各次谐波电流、谐波电压，给出风电场引起的谐波电流的95%值［3］。

图1 风电机组低电压穿越检测原理图

3 风电并网对电能质量的影响

随着风电机组并网运行的规模扩大，风力发电对电网电能质量的影响也越来越大，其中自然有一些负面影响，最常见的便是电压波动和闪变。电压风力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不稳定，会影响电网的电能质量。现在的风力发电机组大多是采用软并网方式，但是在启动的时候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。加入整个风电场的风机同时工作，那这种情况下的冲击必然会对配电网造成重大的影响。而且，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25Hz），所以，风机在正常运行的时候也可能会给电网带来闪变问题。

4 电能质量控制策略分析

4.1 谐波的抑制

静止无功补偿器（SVC），是一种由多台可投切电容器、电抗器以及谐波滤波装置等组成的设备，这种设备装置最主要的特点就是反应速度快，能够对变化的无功功率进行实时跟踪，对于风速不稳定引起的电压变化能够进行有效的大幅度调节，从而滤除谐波，提高电网的电能质量。

4.2 电压波动和闪变的抑制

a.有源电力滤波器。要有效地抑制电压闪变，就需要在负荷电流发生急剧波动的时候，对负荷变化发生的无功电流进行实时补偿，使其能够在一定程度上对负荷电流进行实时补偿；同时，由于有源电力滤波器采用的是可关断的电子器件，能够利用电子控制器替代系统电源，向电压负荷输出畸变电流，以此确保系统仅仅向负荷提供正弦的基波电流即可。有源电力滤波器具有响应速度快、电压波动大、闪变补偿率高以及补偿容量小的特点，而且运行稳定可靠，控制能力强，在一定程度上控制了电压波动并稳定电压。

b.动态电压恢复器。中低压配电网中，有功功率进行快速波动也会造成电压闪变的情况，这样就对补偿装置提出了更高的要求，除要进行无功功率补偿之外，还要提供瞬时有功功率补偿。因为带储能单元的补偿装置能够有效地改善电能质量，所以传统的无功补偿装置被带储能单元的补偿装置取代。动态电压恢复器自身就带有储能单元，能够在ms级内以正常电压和故障电压的差值，向系统注入电压，这样的实时补偿方式可以有效地解决系统中电压波动对客户产生的影响。动态电压恢复器是现在已知的解决电压波动、谐波等动态电压质量问题的最佳方法。

c.统一电能质量控制器以及其他补偿装置。对电压、电流质量问题进行统一补偿，需要综合类补偿装置，要想实现统一的补偿可以统一电能质量控制器，有效地结合其串、并联补偿装置。这样的补偿装置含有储能单元的串、并联组合，用户电力综合补偿问题，一方面可以将其应用于配电系统的谐波补偿；另一方面还能够解决许多电能质量上的问题［2］。

5 结语

先进的电力电子技术对于风电机组的控制，以及电能质量的改善都可以在一定程度上起到十分重要的作用，但是在风力发电并网技术中还存在着一些困扰着风力发电发展普及的问题。本文对风力发电并网技术及其电能质量控制策略进行的研究和探讨，能够对风力发电技术的进步和普及起到一定的促进作用，有些问题的解决还需要进一步的研究探讨。如何更加高效地利用风能，提高风力发电效率，减小风电并网时的冲击和谐波，提高功率因数等，可通过将电力电子技术和现代控制技术结合解决。

［1］陈荣.直驱式风力发电技术及其发展［J］.盐城工学院学报（自然科学版），2010，23（02）：1－6.

［2］胡胜.双馈型风力发电机在电网故障和不平衡条件下控制技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2012.

［3］吴斌.风力发电系统的功率变换与控制［M］.卫三民，译.北京：机械工业出版社，2012：11－28.