风电并网对电网电能质量的影响

1、风电并网对电网电能质量的影响王昊，电气-4班（河海大学能源与电气学院，江苏南京） 摘要：现阶段由于我国绝大多数风电场都是接入电网运行，随着风电上网电量的增加，风电的电能质量日益受到关注，风电场的电能质量必须要满足电力系统的电能质量要求。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是波动的，会影响电网的电能质量， 如电压偏差、电压波动和闪变、谐波。风电对电力系统频率稳定性也会造成较大的影响。在电网发生短路故障导致电压骤降时，风力发电机组如果纷纷解列会带来系统暂态不稳定。本文对风电并网对电能质量的影响定性分析。关键词：电能质量；电压波动和闪变；谐波；电压骤降0引言在众多可再生能源发

2、电技术中，风力发电是目前技术最成熟、最具有规模化开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。随着国家发改委近几年对风电特许权示范项目的不断推出，风力发电正以前所未有的速度高速发展。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是波动的，可能影响电网的电能质量，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等。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。影响风力发电产生波动和闪变的因素有很多：随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。并网风电机组在启动、停止和发电机切换过程中也产生电压波动和闪变。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。另外，风电机

3、组中的电力电子控制装置如果设计不当，将会向电网注人谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发由谐振带来的潜在问题。1 风力发电系统组成及原理1.1 风力发电原理风能发电的原理是利用风轮将风能转变为机械能，风轮带动发电机再将机械能转变为电能。大型风力发电机组发出的电能直接并到电网上，向电网馈电，小型风力发电机一般将风力发电机组发出的电能用储能设备储存起来(一般用蓄电池)，需要时再提供给负载(可直流供电，亦可用逆变器变换为交流供给用户)。1.1.1 风力机工作原理(1)风力发电机风力发电机可以分为两种类型，一种是主要靠和风向方向一致的空气动力产生的力矩来驱动；另外一种是主要靠和风向方向垂

4、直的空气动力产生的力矩来驱动。前者的功率系数很小，能量变换效率低下，所以逐渐被淘汰。后者又可包括水平轴的风力机和垂直轴的风力机，垂直轴的风力机主要缺点是转矩脉动大，在遇到强风时不易调速，在 80 年代后期各国己经停止了对这种风车的研制和开发，现在的风力机主要是水平轴螺旋桨推进器型的。水平轴风力机主要风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件所组成。风轮的作用是将风能转换为机械能，它由气动性能优异的叶片(目前商业机组一般为 23 个叶片)装在轮毅上所组成，风轮采用定桨距或变桨距两种，以定桨距居多。低速转动的风轮通过传动系统由增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机。上述这些部件都安装在机

5、舱平面上，整个机舱由高大的搭架举起，由于风向经常变化，为了有效地利用风能，必须要有迎风装置，它根据风向传感器测得的风向信号，由控制器控制偏航电机，驱动与塔架上大齿轮咬合的小齿轮转动，使机舱始终对风。风力发电机组的调向装置大部分是上风向尾翼调向。调速装置采用风轮偏置和尾翼铰接轴倾斜式调速、变桨距调速机构或风轮上仰式调速，在风速较大，达到风车的额定功率时，调节桨距可进行失速调节来限制负荷的大小，以限制负荷的大小保护风车。发电装置主要由塔楼和安装在塔顶的引擎舱组成。水平轴的风力机通常根据风力机不同的使用目的使用不同数目的叶片。风力发电主要使用 2 到 3 个桨叶的风力机，20 个或更多桨叶的风力机主

6、要用于水泵等机械装置的驱动。桨叶数目少的风车启动力矩小，叶片端速比大，因此可工作的风速范围较大，主要应用在风力发电中。风车中还包括许多控制装置功率较大的机组还装有手动刹车机构，以确保风力机在大风或台风情况下的安全。(2)风力机的功率由于实际上风力机械不可能将桨叶旋转的风能全部转变为轴的机械能，因而风力机的实际功率应为风轮所接受风的动能与通过风轮扫掠面积的全部风的动能比值。以水平轴风力机械为例，理论上最大风能利用系数为 0.593 左右，这是贝兹极限，但再考虑到风速变化和桨叶空气动力损失等因素，风能利用系数能达到0.4 就相当高了。通过以上的分析我们知道，风力发电系统包括风车、发电机、电力变换及

7、其控制系统。其中基于空气动力学设计的风车，其技术发展水平己经比较成熟，各种各样的发电机，如感应电机、同步电机、永磁电机可以满足不同情况下的需求。风力机和发电机将风能转化为电能的效率大约为 35%。风电机组的功率调节有两种方式，一种是失速调节，另一种是变桨距调节，即叶片可以绕叶片上的轴转动，改变叶片气动数据，实现功率调节；整台机组由电控系统进行监视与控制，可以实现无人操作管理。1.2 风电系统使用小型风力发电机多是偏远地区。由于风速的多变，使得风力发电机的电压及频率变化，不易于直接被负载利用，这就出现了储能环节，以便从储能设备中提取能源。一般小型风力发电机使用蓄电池储能，先用整流器将发电机的交流

8、电变成直流电向蓄电池充电，然后用逆变器将蓄电池的直流电变换成交流电，供给负载。整流器和逆变器可以做成两个装置，也可以合为一体。1KW 10KW 的风力发电机组主要应用于小型风电系统。该系统适用于远离电网，有一定用电量的家庭农场，公路、铁路养路站、小型微波发射站、移动通讯发射站、光纤通讯信号放大站、输油管线阴级保护站等用户。系统原理图包括:风力机、控制器、储能设备及逆变器等。并网型风力发电机组由传动系统、偏航系统、液压系统、制动系统、发电机、控制及安全等系统组成。发电机将风轮的机械能转换为电能，并入电网。1.3 风力发电技术风力机和发电机是风力发电系统实现机电能量转换的两大主要部分，有限的机械强

9、度和电气性能必然使其受到功率和速度的限制，因此，风力机和发电机的功率和速度控制是风力发电的关键之一。国内目前装机的电机一般分为二类：（1）异步型笼型异步发电机；功率为 600/125kW、750kW、800kW、1250180kW 定子向电网输送不同功率的 50Hz 交流电；绕线式双馈异步发电机；功率为 1500kW 定子向电网输送 50Hz 交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。（2）同步型永磁同步发电机；功率为 750kW、1200kW、1500kW 由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场

10、，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送 50Hz 交流电。目前风力发电机组按照风电机的调节技术分主要有以下 2种：1、变速恒频双馈风力发电机组；2、恒速恒频风力发电机组。1.4变速恒频风力发电技术发电机及其控制系统是风力发电系统的另一大核心部分，它负责将机械能转换为电能，风力发电机及其控制系统的运行状况和控制技术，也决定着整个系统的性能、效率和输出电能质量。根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术可分为恒速恒频(Constant Speed Constant Frequency，简称 CSCF)风力发电技术和变速恒频(Variable Speed Constant Frequency，简称

11、 VSCF)风力发电技术。（1） 恒速恒频风力发电技术恒速运行的风力机转速不变，而风速经常变化，cp值往往偏离其最大值，使风力机常常运行于低效状态。恒速恒频发电系统中，多采用笼型异步电机作为并网运行的发电机，并网后在电机机械特性曲线的稳定区内运行，异步发电机的转子速度高于同步转速。当风力机传给发电机的机械功率随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大。当转子速度高于同步转速3%-5%时达到最大值，若超过这个转速，异步发电机进入不稳定区，产生的反转矩减小，导致转速迅速升高，引起飞车，这是十分危险的。（2） 变速恒频风力发电技术虽然目前大多数采用异步发电机的风力发电系统属于恒速恒频发电系

12、统，但作为一种新型发电技术，变速恒频发电是一种新型的发电技术，非常适用于风力、水力等绿色能源开发领域，尤其是在风力发电方面，变速恒频体现出了显著的优越性和广阔的应用前景。 1)风能是一种具有随机性、爆发性、不稳定性特征的能源。传统的恒速恒频发电方式由于只能固定运行在同步转速上，当风速改变时风力机就会偏离最佳运行转速，导致运行效率下降，不但浪费风力资源，而且增大风力机的磨损。采用变速恒频发电方式，就可按照捕获最大风能的要求，在风速变化的情况下实时地调节风力机转速，使之始终运行在最佳转速上，从而提高了机组发电效率，优化了风力机的运行条件。2)变速恒频发电可以在异步发电机的转子侧施加三相低频电流实现

13、交流励磁，控制励磁电流的幅值、频率、相位实现输出电能的恒频恒压。同时采用矢量变换控制技术，实现发电机输出有功功率、无功功率解藕(简称 P、Q 解藕)控制。控制有功功率可调节风力发电机组转速，实现最大风能捕获的追踪控制；调节无功功率可调节电网功率因数，提高风力发电机组及电力系统运行的动、静态稳定性。 3)采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，比传统的恒速恒频发电系统更易实现并网操作及运行。变速恒频发电技术的诸多优点使其受到了人们的广泛关注，它越来越多地被应用到风力发电中。变速恒频发电风力发电系统有多种形式，有的是通过发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频，有的是通过

14、改造发电机本身结构而实现变速恒频。4）新型变速恒频双馈风力发电机组对电能质量的影响优于传统的恒速恒频风力发电机组。新型变速恒频双馈风力发电机组，与传统的恒速恒频风力发电系统有较大的不同。风力发电机的转速不受发电机输出频率的限制，其输出电压的频率、幅值和相位也不受转子转速的影响。风力机通过励磁控制和变桨距调节，可运行于最佳工作状态，从而提高了运行效率和系统的稳定性。双馈电机的最大特点是转子通过一个背靠背脉冲宽度调制（PWM）变流器与电网相连。电网侧变流器的主要功能是控制电容电压使其恒定，从而为转子侧变流器提供电源支撑，转子侧变流器为转子提供幅值、相位和频率可变的励磁电流。通过变速恒频风力发电机的

15、励磁控制，可以实现无电流冲击的软并网。由于风能是随机、不可控的，所以风电机组发出的电能是波动的、随机的，这会引起风电机组电压的波动和闪变。另外，异步电机以及电力电子装置的使用，可能带来谐波和间谐波。大容量风电机组的并网必然对电网的电能质量造成一定的影响。2 风电并网对电能质量的影响定性分析2.1 电压波动和闪变分析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是波动的， 会影响电网的电能质量， 如电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性电压脉动等。风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动。电网电压的变化受风电系统有功和无功功率的影响。风电机组输出的有功功率

16、主要依赖于风速；在无功功率方面，恒速风电机组吸收的无功功率随有功功率波动而波动，双馈电机一般采用恒功率因数控制方式，因而无功功率波动较小。 并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。2.2 谐波分析 一般来讲，风电场电能质量首先要保证满足电压和频率的要求，而由谐波导致的电压和电流的畸变同样也是影响电能质量的重要方面。 风电装置中电力电子器件

17、是风电装置中最重要的谐波源；在风电系统中，由于异步机、变压器、电容器等设备均为三相，且采用三角型或Y型连接方式，故不存在偶次或3的倍数次谐波，即风电系统中存在的谐波次数为5、7、11、13、17等。风机本身配备的电力电子装置， 可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风机， 软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连， 因此会产生一定的谐波， 不过因为过程很短， 发生的次数也不多，通常可以忽略。但是对于变速风机则不然， 因为变速风机通过整流和逆变装置接入系统， 如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内， 则会产生很严重的谐波问题。2.3 频率稳定分析 风电出力波动一般较大，当其与其它发电

18、方式组成一个小型的孤立电网时，可能会对孤立系统的频率造成较大影响。但在现在的电力系统中，大型电网具有足够的备用容量和调节能力，一般不必考虑风电接入引起的频率稳定性问题。目前的研究结果表明，风电接入系统后对系统频率的影响十分有限，故不作为重点问题。3 改善风电并网影响电能质量的措施3.1 风电开发与电网接纳风电的能力相适应 风电场宜以分散方式接入系统。公共连接点短路比越大,风电机组引起的电压波动和闪变越小。并网风电机组的公共连接点短路比和电网的线路XR比是影响风电机组引起的电压波动和闪变的重要因素。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。合适的电网线路XR比可使有功功率引

19、起的电压波动被无功功率引起的电压波动补偿掉，从而使整个平均闪变值有所减轻。风电场接入点的短路容量反映了该节点的电压对风电注入功率变化的敏感程度，风电场短路容量比小表明系统承受风电扰动的能力强。对于风电场的短路容量比这一指标， 欧洲国家给出的经验数据为3.35.0，日本学者认为短路比在10左右也是允许的。 3.2 采用新型的风力发电机组变速恒频双馈风电机组一般采用恒功率因数控制运行方式，可保持发电机定子侧输出功率的功率因数为恒定值。3.3 采用快速响应的动态无功补偿装置SVC可快速平滑的调节无功补偿功率的大小，提供动态的电压支撑， 改善系统的运行性能。将SVC安装在风电场的出口， 根据风电场接入点的电压偏差量来控制SVC补偿的无功功率， 能够稳定风电场节点电压， 降低风电功率波动对电网电压的影响。在安 装 SVC 装置后， 风电场节点电压的波动会明显降低；当发生故障后，SVC的动态无功调节能力可以加快故障切除后风电场节点电压的恢复过程， 改善系统的稳定性。3.4 利用超导储能装置（SMES）在风电场出口安装 SMES 装置， 充分利用 SMES 有功无功综合调节的能力， 可降低风电场输出功率的波动， 稳定风电场电压。同时 SMES 是一种有源的补偿装置， 与 SVC相比其