【风力发电并网的稳定性控制探究4800字（论文）】

风力发电并网的稳定性控制研究摘要当前，人们的环保意识越来越强，而能源危机却日益严重，因此找到以后总可以替代能源成了一个非常重要的课题。风力，从大自然中来，用之不竭、取之不尽。通过风力发电，不能可以使能源不足的状况得意缓解，还具有一定的经济效益，同时也不会导致温室效应和环境污染问题的出现。风力发电容易受到天气的影响，所以具有间歇性和不稳定性的特征，导致发电机转子的效率以及发电量都受到影响，所以，在对风力发电系统进行设计时，应该充分利用软硬件设备使得风力发电可以获取稳定的电能。本文介绍了风电并网电压稳定性，并从电容控制、静止无功补偿器控制和有源电力滤波器控制三方面分析电网控制方式。关键词：风力发电；并网；稳定性；控制；方式目录TOC\o"1-2"\h\u第1章双馈感应电动机概述 双馈感应电动机概述双馈感应电动机是用变速恒频的控制方式以获取最大的风能，当风速变化时，其通过叶片的转角来控制输出功率，提高了风能的利用率，由于其有功和无功功率均可控，且输出功率平滑等优越的电气性能，而倍受世界各国高度重视。它能够在维持定子输出电压和频率不变的情况下，通过调节转子交流励磁的频率，改变电动机的转速，不但可以调节系统的功率因数，而且可以提高系统运行的稳定性，因而在风力发电系统中得到广泛的应用，也因此越来越受到电网的认可，逐步成为并网风电场的优先选择。双馈感应风力发电机的原理图第2章风电并网电压稳定性概述如果把风电场作为电力系统中的一个特殊的无功“负荷”，那么该系统电压稳定性情况是电力系统规划与运行需要考虑的一个重要问题，它是整个电力系统稳定的一个重要方面。近年来电力系统因电压失稳而导致系统崩溃、造成停电事故的问题日益受到人们的重视，该领域的研究工作十分活跃。年国际大电网会议组织的研究报告中曾明确提出了电压稳定性的定义和分类。电力系统的电压稳定性是指系统在满足负荷功率需求的前提下，经受一定的扰动后各负荷节点维持负荷电压在其容许范围内的能力。当系统具有这种能力时系统电压稳定，反之系统电压失稳。根据研究的扰动大小及时域范围，电压稳定性又可分为小干扰电压稳定性、暂态电压稳定性和长期电压稳定性。报告还指出元件的动态特性如发电机组动态特性及有载调压变压器动态特性及负荷的动态特性对系统电压稳定都有着重要影响。近十几年来，电力系统电压稳定性的研究在电压失稳机理、电压稳定问题的模型、电压稳定分析方法、电压稳定判据和裕度指标以及控制电压失稳的措施等方面都已经取得了一定的进展。2.1风电并网稳态电压稳定性对于常规的电力系统电压稳定性研究而言，电压失稳或电压崩溃的现象都是从受端系统的负荷点开始的，由于负荷需求超出电力网络传输功率的极限，系统已经不能维持负荷的功率与负荷所需吸收的功率之间的平衡，系统丧失了平衡点，引起电压失稳现象的发生。而对于并网风电场的地区电网而言，在风电场处于高出力运行状态时，本来是受端负荷的系统转化称为送端系统，但根据世界各国实际的风电场运行经验，其电压稳定性降低的问题仍然出现，这是由于风电场的无功特性引起的：风电场的无功仍可以看作是一个正的无功负荷，由于电压稳定性与无功功率的强相关性，因此风电场引起的电压稳定性降低或电压崩渍现象在本质上与常规电力系统电压失稳的机理是一致的。国内外有大量文献对风电并网的电压稳定性问题进行过研究。有的研究了采用基于普通异步发电机的恒速风电机组接入对电网电压稳定的影响，研究表明恒速风电机组运行中发出有功功率的同时需吸收无功功率，整个风电场的无功需求较大，导致接入风电地区电网电压稳定性降低；并指出电压稳定问题还与并网点的短路容量，风电场的无功补偿措施有一定的关系。也有文献研究了基于双馈感应电机的变速风电机组的交流励磁控制技术及其对电网电压稳定性的贡献，指出双馈电机的有功、无功使得变速风电机组具有一定的无功调节能力，按照系统运行方式的要求及所采用的不同控制策略，风电机组可以吸收或发出无功功率进行电压控制。2.2风电并网暂态电压稳定性由于基于普通异步发电机的恒速风电机组的电压稳定问题比较突出，且当前恒速风电机组仍然是绝大多数风电场中的主流机型，因此对于如何改善基于恒速风电机组风电场的电压稳定性尤其是暂态电压稳定性尤为值得关注和研究。在电力系统中为了改善电网暂态电压稳定性，研究了动态无功补偿设备在电力系统中的应用，上述动态无功补偿设备同样可以在风电场中应用，发挥其动态无功补偿的作用支撑电压；而对于双馈风电机组的暂态电压稳定性的研究文献中，提出了一种电网对称故障下保持双馈感应风力发电机不脱网运行的新型励磁控制策略，以实现电网故障期间风电机组的不间断运行，但是之前的各种研究未对故障期间变速风电机组如何发挥动态无功支持能力进行探讨。在风电发展的初期，由于风电在电网中所占的比例很小，一般不要求风电场参与电力系统控制；当电网侧发生故障时由于风电场本身的暂态电压稳定性无法保证，通常都采用切除风电机组的措施来保证风电场及电网的安全。随着风电机组技术的进步及风电在电网中所占比例的迅速提高，目前多个国家的风电并网都对风电场提出了更高的要求，在规定的故障及电网电压跌落期间，保证一定时间范围内风电场能够连续运行而不脱离电网，甚至要求风电场在电网故障发生后发出无功功率参与电网的电压控制。例如从年开始，德国电网公司除了要求故障后电网电压恢复期间风电场必须保持并网运行外，还要求风电机组动态发出无功功率以支持电网电压，防止风电机组由于电压过低导致的跳闻。风电场的这种故障期间保持并网不间断运行的能力通常称为风电场的低电压穿越能力。对于低电压穿越能力的实现，前面章节研究未对故障期间风电机组如何发挥动态无功支持能力进行探讨，并且仅考虑了电磁转矩控制的作用而忽略了对风电机组机械转矩的控制。实际上，当不对风电机组进行控制以降低机械转矩时，往往还会由于转矩不平衡导致风电机组超速并切除，无法真正实现风电机组的低电压穿越功能。第3章稳定系统电压的措施3.1异步发电机旳选择异步发电机的无功——电压（Q-V）特性取决于异步发电机的阻抗参数，同时与输出的电磁功率有关。当电压低于临界电压时，异步发电机吸收的无功急剧增加，导致异步发电机电压崩演。异步发电机的无功——电压（Q-V）特性是影响风力发电机电压稳定性的一个十分重要的因素。3.2电网控制方式电网控制方式有三种：电容控制；静止无功补偿器控制；有源电力滤波器控制。3.2.1电容控制电容控制的优点是：结构简单，投资较少。其缺点为：非连续的分级控制和无功输出与电压成正比。级差需与电网的参数相配合，级差减小时投资随之增大，级差增大时，电压调节精度差。过小的级差必然伴随有频繁的操作；在较大的级差下整定了不恰当（较高）的电压调节精度同样也会导致操作频繁，当输电网的阻抗很大时，此种情况极易出现。为了减少输出损耗和防止过电压，风力发电场中所装设的电容器容量应接近于发电机在最大负荷下吸收的无功功率容量。分级的数目应与输电网的阻抗相配合，当输电网的阻抗较大波动时，无功调节引起电压变化的灵敏度高，为了将电压变化控制在指定的范围内，需要电容作细微的调节，当分级过大时，会导致电压的大幅度振荡和电容器的频繁操作。为了防止电压崩淸，加大了电容器的容量，由于、分级不够而导致电压的大幅度振荡和电容器的频繁操作。如此频繁的操作是电容器和有触头的断路器不允许的。3.2.2静止无功补偿器控制无功补偿装置对系统电压稳定性的影响和电压稳定相关的很直接的一个因素就是无功补偿，尤其是对带有普通异步发电机的风力发电。由于普通异步发电机在运行时要吸收大量无功容量，更需要装设无功补偿设备。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，电压变动量通常按下式计算：∆U≈∆P×R+∆Q×X在10K以上系统中，由于R远小于V故：∆U≈∆Q×XUN式中：X为评价母线上的三相系统短路容量。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以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，最常用方法是安装静止无功补偿装置，其基本特点是：具有快速、连续、双向调节无功的能力。目前这方面技术已相当成熟。但是，由于某些类型的SVC自身还产生低次谐波电流，须与无源滤波器并联使用，实际运行时有可能由于系统谐波谐振使某些谐波严重放大，因此，在补偿时，要求采用具有短的响应时间并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。3.2.3有源电力滤波器控制要抑制电压波动，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、可关断晶阐管GTO及脉宽调制PWM技术等构成的有源电力滤波器(APF)可对负荷电流做实时补偿，如图3-1所示。它采用可关断的电力电子器件和基于坐标变换原理的瞬时无功理论控制，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。图3-1有源电力滤波器控制APF与普通SVP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；控制功能强，能实现控制电压波动、闪变，稳定电压作用，同时也能有效地滤除高次谐波，补偿功率因数，在中低压配电网中，由于R与X相差不大，有功功率的快速波动同样会导致电压闪变，这就要求补偿装置在抑制电压波动与闪变时，除了无功功率补偿使供电线路无功功率波动减小外，还得提供瞬时有功功率补偿，因而传统的无功补偿方法不能有效地改善这类电能质量问题，只有带储能单元的补偿装置才能满足要求。APF是将1台由3个单相电压源变流器构成的三相变流器串联接入电网与欲补偿的负荷之间。这里逆变器采用3个单相结构，目的是为了更灵活地对三相电压和电流进行控制，并提供对系统电压不对称情况的补偿。该装置的核心部分为同步电压源逆变器，当线路侧电压发生突变时，APF通过对直流侧电源的逆变产生交流电压，再通过变压器与原电网电压相串联，来补偿系统电压的跌落或抵消系统电压的浪涌。由于APF通过自身的储能单元，能够在毫秒级内向系统注入正常电压与故障电压之差，可用于克服系统电压波动对用户的影响，因此是解决电压波动、不对称运行、谐波等动态电压质量问题的有效工具，起了将系统与负荷隔离的作用，是面向负荷的补偿装置。该装置仅对特定负荷加以补偿，所以其容量仅取决于负荷的补偿容量和要求的补偿范围。目前大部分APF装置的直流侧采用电容来提供直流电压，只能提供有限的能量，若要求APF长时间提供电压补偿，则必须让APF输出的电压和电流垂直，这样APF装置不提供有功功率，只进行无功功率交换，可以满足长期工作的要求。结论对风力发电机而言，最大的捕捉到风能，提高运行效率，减少并网时对电网的冲击，是风力发电系统研究的主要方向，针对不同的风力发电机的运行特性，不同安装地点风能的特点，选择合适的控制方法对风力发电的运行状态进行控制，达到最好的控制效果。参考文献[1]孟畅,刘天羽,朱俊.风电并网对电力系统的影响[J].科技与创新,2016,16:17-18.[2]张鹏.风力发电并网对电力系统电压稳定性的影响分析[J].电气时代,2016,08:48-51.[3]张师,于昊,张梦雅,周毅博,王子权,王淞平,伏祥运.大规模风力发电并网对系统小干扰稳定性的影响[J].广东电力,2014,12:15-18.[4]潘华君,许晓峰.风电并网对电力系统稳定性影响的研究综述[J].沈阳工程学院学报(自然科学版),2013,01:54-57.[5]卢佳.风电并网对电力系统暂态稳定的影响[J].电子测试,2016