風力發(fā)電并網設計

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1、第一章 緒論風能是一種清潔的、儲量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質燃料儲量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴重的污染問題和溫室效應正越來越困擾著人們。因此風力發(fā)電正越來越引起人們的關注。11風力發(fā)電概述1.1風力發(fā)電現(xiàn)狀與展望全球風能資源極為豐富，技術上可以利用的資源總量估計約53106億kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。近20年來風電技術有了巨大的進步，發(fā)展速度驚人。而風能售價也已能為電力用戶所承受：一些美國的電力公司提供給客戶的風

2、電優(yōu)惠售價已達到22.5美分/kWh，此售價使得美國家庭有25%的電力可以通過購買風電獲得。2004年歐洲風能協(xié)會和綠色和平組織簽署了風力12關于2020年風電達到世界電力總量的12%的藍圖的報告，“風力12%”的藍圖展示出風力發(fā)電已經成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。按照風電目前的發(fā)展趨勢，預計20082012年期間裝機容量增長率為20%，以后到2015年期間為15%，20172020年期間為10%。其推算的結果2010年風電裝機1.98億KW，風電電量0.43104億kWh，2020年風電裝機12.45億KW，風電電量3.05104億kWh，占當時世界總電消費量25.58104億k

3、Wh的11.9%。2世界風電發(fā)展有如下特點：（1）風電單機容量不斷擴大。風電機組的技術沿著增大單機容量、提高轉換效率的方向發(fā)展。風機的單機容量已從600KW發(fā)展到20005000KW,如德國在北海和易北河口已批量安裝了單機5000KW的風機,丹麥已批量建設了單機容量20002200KW的風機。新的風電機組葉片設計和制造廣泛采用了新技術和新材料，有效地改善并提高了風力發(fā)電總體設計能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機的采用,使機組更能適應風速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無齒風機等,進一步提高了安全性和效率。（2）風電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風電設備制造企業(yè)集中在歐美國家，全世界風

4、電機組供應商的前10位供應了世界新增裝機容量的90% 以上的份額，集中度比較高。近來，GE風能（GE Wind Energy）、德國REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場份額提高迅速。 （3）風電電價快速下降。由于新技術的運用，風電的電價呈快速下降趨勢，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，風電機組的造價和發(fā)電成本正逐年降低，達到可與常規(guī)發(fā)電設備不相上下的水平。有關專家預測，世界風力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。中國的風能資源十分豐富。根據全國900多個氣象站的觀測資料進行估計，中國陸地風能資源總儲量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風能儲量為2

5、.53億KW，而海上的風能儲量有7.5億KW，總計為10億KW。我國的風電開發(fā)起步較晚，大體分為三個階段。 第一階段是19861990年我國并網風電項目的探索和示范階段。其特點是項目規(guī)模小，單機容量小，最大單機200KW，總裝機容量4.2千KW。 第二階段是19911995年示范項目取得成效并逐步推廣階段。共建5個風電場，安裝風機131臺，裝機容量3.3萬KW，最大單機500KW。第三階段是1996年后擴大建設規(guī)模階段。其特點是項目規(guī)模和裝機容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機容量6.18萬KW，最大單機容量達到1300KW。隨著風電技術的日趨成熟和電力規(guī)模的擴大，風力發(fā)電機的功率在向大型化

6、方向發(fā)展。風力發(fā)電這一朝陽產業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產業(yè)。1.2風能發(fā)電的原理和特點風力發(fā)電是利用風能來發(fā)電，而風力發(fā)電機組是將風能轉化為電能的機械。風輪是風電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產生空氣動力是風輪旋轉，將風能轉化為機械能，再通過齒輪箱增速驅動發(fā)電機，將機械能轉化電能。然后在依據具體要求需要，通過適當?shù)淖儞Q將其存儲為化學能或者并網或者直接為負載供電。3風力發(fā)電有如下特點（1）可再生，且清潔無污染。（2）風速隨時變化，風電機組承受著十分惡劣的交變載荷。（3）風電的不穩(wěn)定性會給電網或負載帶來一定的沖擊影響。風力發(fā)電的運行方式主要

7、有兩種：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網的電源，與電網并聯(lián)運行。1.3風力發(fā)電機分類及結構風力機經過多年的發(fā)展和演變，已經有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類：水平軸風力機和垂直軸風力機。風力機風輪的旋轉轉軸與地面呈水平狀態(tài)稱為水平軸風力機如圖1-1；水平軸風力機主要由葉片、輪轂、機艙、塔架構成。常見的風力機有由三個葉片，葉片安裝在輪轂上構成風輪，風吹風輪旋轉帶動機艙內的發(fā)電機發(fā)電，塔架是整個風力機的支撐其結構圖如圖1-2 圖1-1水平軸風力機圖1-2水平軸風力機結構風輪的旋轉軸垂直與地面或

8、氣流方向稱為垂直軸風力機如圖1-3圖1-3垂直軸風力機1.4風力機的氣動原理風力發(fā)電機組主要利用氣動升力的風輪。氣動升力是由飛行器的機翼產生的一種力，如圖1-4。圖1-4氣動升力圖從圖可以看出，機翼翼型運動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū)，產生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產生升力的同時也產生阻力，風速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉動1.5風力機的功率風的動能和風速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風輪功率的計算。風力與速度平方成正比，所以風的功率與風度的三次方成正比。如果風速增加一倍，風的功率便會增加8倍。風輪從風中吸收的功率如下： (21

9、) (22)式中：P為輸出功率，為風輪機的功率系數(shù)，為空氣密度，R為風輪半徑，v為風速。眾所周知，如果接近風力機的空氣全部動能都被風力機全部吸收，那么風輪后的空氣就不動了，然而空氣當然不能完全停止，所以風力機的效率總是小于12風力發(fā)電并網相關問題 由于扮能的特殊性,與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風電系統(tǒng)具有很大的差別,風能的隨機性風能也就是隨機的和不可控制的。風力機轉動慣量大，風能密度分布相對比較低,為了盡可能捕獲較多的風能,風力機轉動的葉片直徑必須做的很大,顯然,巨大的轉子葉片的直徑,必然使得風力機具有較大的轉動慣量。為了有效的轉換風能,風力機轉子由于受到風能轉換效率理論極限值是的限制,葉尖速率比入

10、不可能很大,風力機的轉子轉動的速度不會很高,與發(fā)電機轉動的速度相差比較大,發(fā)電機與風力機之間不能直接相連,必須通過一定變比的升速齒輪箱進行傳動。這樣發(fā)電機與風力機之間的剛性度大大降低。換句話說,風力機和發(fā)電機兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的異步發(fā)電機。 目前,大規(guī)模的風力發(fā)電系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機直接并網的運行方式。通常機端配備有補償電容器組,以提供異步發(fā)電機在啟動和運行時所需要的激磁無功。異步發(fā)電機的頻率由大系統(tǒng)來決定,風能的變化將引起異步發(fā)電機轉差的變化,相應地其注入電網的有功和吸收的無功也要隨著風速的變化而變化,這將導致系統(tǒng),特別是風電場附近電網母線電壓的波動,嚴重時還可能引起電壓閃變。隨著電力

11、電子的發(fā)展,新型的風力發(fā)電機可以選用變速恒頻雙饋異步發(fā)電機,則無須配備補償電容器組。這種變速恒頻雙饋異步發(fā)電機不僅能發(fā)有功功率,而且還能發(fā)無功功率,且能方便地調節(jié)有功功率和無功功率使得風力發(fā)電系統(tǒng)具有較好的性能。風電場并網面臨的一些技術問題隨著風力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大,風力發(fā)電在電網中的比例越來越大,風電場的并網運行對電網的電能質量!安全穩(wěn)定等諸多方面的負面影響也隨著風電場規(guī)模的擴大變得愈加明顯,成為制約風電場容量和規(guī)模的嚴重障礙。主要面臨下面一些技術問題2.1并網方式 早期的風電場采用的是小型恒速風力發(fā)電機，它的優(yōu)點在于并網研究相對簡單，因為感應電機的自然滑動可以輕易的獲得很大的阻尼，往往只需

12、增加少量的額定功率既可產生很好效果；缺點在于它必然受困于電抗儲能與釋放能量的延時性同并網的瞬時性之間的矛盾。但目前這個問題已經得到解決，因為我們總可以通過吸收電抗儲能的方法來限制電路中的電壓升高。但是隨著發(fā)展，尤其是為風力發(fā)電機中同步發(fā)電機的出現(xiàn)，對于如何并網提出了很高的要求。對此人們提出了大量設計方案，例如在驅動裝置上采用了可拆卸元件，或是使用彈簧調節(jié)器來反應發(fā)電機轉子和變速箱結構。在適當?shù)墓β氏逻@些裝置可以很有效的發(fā)揮作用，使并網成功。 值得一提的是，現(xiàn)代風力發(fā)電機組主要采用的就是由此裝置衍生出來的軟并網方式，即采用電力電子轉換裝置在發(fā)電機機軸轉速同電力網絡頻率之間建立一種柔性連接。2.2

13、電壓波動和閃變 風力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網風電機組輸出功率的波動，下面將分析并網風電機組輸出功率波動引起電壓波動和閃變的機理。圖1為風電機組并網示意圖，其中為風電機組出口電壓相量，為電網電壓相量，R1、X1分別為線路電阻和電抗，分別為線路上流動的有功電流和無功電流相量。一般而言，有功電流要遠大于無功電流。由圖1(b)可見，是造成電壓降落的主要原因，垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。由圖1(c)可見，是造成電壓降落的主要原因，垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。所以有功電流和無功電流都會造成明顯的電壓降落，分別為和。當并網風電機組的輸出功率波動時，有功電流和無功電流隨之變化，從而引

14、起電網電壓波動和閃變。影響風電機組輸出功率的因素很多，其中風速的自然變化是主要因素。風電機組的機械功率可以表示為 式中P為功率；為空氣密度；A為葉片掃風面積；v為風速；CP為功率系數(shù)，表示風電機組利用風能的效率，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)，葉尖速比定義為式中為葉輪轉速，R為葉輪半徑。 由式(1)可見，空氣密度、葉輪轉速、槳距角和風速v的變化都將對風電機組的輸出功率產生影響。風速v的變化是由自然條件決定的，隨機性比較強，且功率與風速的三次方近似呈正比，因此當風速快速變化時，并網風電機組的輸出功率將隨之快速變化。葉輪轉速和槳距角的變化由風電機組類型和控制系統(tǒng)決定，先進的控制系統(tǒng)能夠減小風電機組輸出

15、功率的波動。 此外，在并網風電機組持續(xù)運行過程中，由于受塔影效應、偏航誤差和風剪切等因素的影響，風電機組在葉輪旋轉一周的過程中產生的轉矩不穩(wěn)定，而轉矩波動也將造成風電機組輸出功率的波動，并且這些波動隨湍流強度的增加而增加。常見的轉矩和輸出功率的波動頻率與葉片經過塔筒的頻率相同。對于三葉片風電機組而言，波動頻度為3P（P為葉輪旋轉頻率）時，最大波動幅度約為轉矩平均值的20% 。 塔影效應是指風電機組塔筒對空氣流動的阻礙作用，當葉片經過塔筒時，產生的轉矩減小。遠離塔筒時風速是恒定的，接近塔筒時風速開始增加，而更接近時風速開始下降。塔影效應對下風向類型風電機組的影響最嚴重。塔影效應可以用頻率為3P倍

16、數(shù)的傅立葉級數(shù)表示6。由于葉片掃風面積內垂直風速梯度的存在，風剪切同樣會引起轉矩波動。風剪切可用以風電機組輪轂為極點的極坐標下的二項式級數(shù)表示6-8。從風輪的角度看，風廓線是一個周期性變化的方程，變化頻率為3P的倍數(shù)。 除了塔影效應和風剪切引起的輸出功率波動外，在風電機組輸出功率中還可檢測到頻率為p的波動分量，其出現(xiàn)的主要原因可能是葉片結構或重力不完全對稱。此外，頻率為塔筒諧振頻率的波動分量也比較明顯，它可能是由于輪轂的橫向擺動引起的。 并網風電機組不僅在持續(xù)運行過程中產生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也會產生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風電機組啟動、停止和發(fā)電機切換

17、，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風電機組端點及其他相鄰節(jié)點的電壓波動和閃變。2.3諧波污染風電并網后對電力系統(tǒng)電流質量影響主要體現(xiàn)在諧波上。諧波會對電力網帶來一定危害，如增加了電力網中發(fā)生諧振的可能；增加電氣設備附加損耗；加速絕緣老化，縮短使用壽命；繼電保護、自動裝置不能正常動作；不能正確計量儀表；干擾通信系統(tǒng)。在衡量電流質量的指標中，對諧波是用諧波電流含有率定義的，其定義如下：其中，和分別是基波和n次諧波的電流有效值。對于風電機組來說，發(fā)電機本身產生的諧波是可以忽略的，諧波電壓是由電能轉換系統(tǒng)、電力電子控制元件和電容器產生的。

18、風機在運行期間產生的各種擾動的程度，主要依賴于其裝備的電能轉換系統(tǒng)的形式。風電并網給系統(tǒng)帶來諧波污染主要有兩種途徑：一種是在風力發(fā)電機中，大量采用了具有變頻功能的變速恒頻風力發(fā)電機，發(fā)電機組發(fā)出的交流電經過整流逆變裝置與電網連接，從而實現(xiàn)發(fā)電機的頻率與電網頻率相獨立，并維持電網頻率不變。整流逆變就必然會帶來諧波污染，這些諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會引起電網電壓畸變，降低了電能質量。第二種是風機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振。實際運行中，曾觀測在風電場出口變壓器的低壓側有大量諧波的現(xiàn)象。風電裝置中電力電子器件是風電裝置中最重要的諧波源；在風電系統(tǒng)中，由于異步機、變壓器、電容器等設備均為三相

19、，且采用三角型或Y型連接方式，故不存在偶次或3的倍數(shù)次諧波，即風電系統(tǒng)中存在的諧波次數(shù)為5、7、11、13、17等。風機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。變速風電機組采用了電力電子設備。其中，雙饋式異步式風電機組的發(fā)電機定子直接饋入電網，而發(fā)電機轉子通過經直流環(huán)節(jié)連接的兩個變流器接入電網（如圖）。永磁直驅同步風力發(fā)電機組所發(fā)電力則通過背靠背全功率變頻器直接接入電網，該背靠背全功率變頻器由發(fā)電機側變流器、直流環(huán)節(jié)和電網變流器組成。不論是哪種類型的變速風電機組，機組投入運行后變頻器都將始終處于工作狀態(tài)。如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產生諧波的范圍內，則會產生很嚴重的諧波問題。圖1 雙饋式

20、異步式風電機組對于直接和電網相連的恒速風機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網相連，因此會產生一定的諧波，不過因為過程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通?？梢院雎?。2.4系統(tǒng)穩(wěn)定性大型風電機組多為異步發(fā)電機，發(fā)出有功的同時也從電網中吸收無功，其對無功的需求隨著有功變化而變化。風電這種與生俱來的特性使得它成為不能進行自身調節(jié)的電源，因此導致了風電場和電力系統(tǒng)進行能量交換時存在隨機性，改變了系統(tǒng)中的潮流分布，增加了接入點電網的負擔，影響了電網電壓和頻率的穩(wěn)定性。（1）對電網穩(wěn)定性的影響風電場一般在電網的末端接入，而風電場的大規(guī)模異步風力發(fā)電機組向電網注入功率時也從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，同時風電場出力的隨

21、機性造成了接入點的潮流是雙向流動的，這在原有的電網的設計和建造時是未曾考慮的。隨著風電場注入電網的功率的加大，當?shù)仉娋W的電壓和聯(lián)絡線功率會超出額定范圍，嚴重時會導致電網潰。由于異步發(fā)電機具有規(guī)律恢復特性，在系統(tǒng)故障發(fā)生后，若風電機組在系統(tǒng)故障排除后能恢復機端電壓并穩(wěn)定運行,則地區(qū)電網的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性便能得到維持；若風電機組在故障排除后無法恢復機端電壓,風電機組將超速運行并失去穩(wěn)定,破壞區(qū)域電網的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。此時,需利用風電場的無功補償裝置、風電機組的無功支撐能力在暫態(tài)過程中支撐電網電壓,或者及時切除風電機組，以保證區(qū)域電網的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。隨著風力發(fā)電在整個系統(tǒng)中所占的比重越來越大，風電不

22、穩(wěn)定的有功功率輸出對電網的功率沖擊效應也將不斷增大，嚴重情況下，將會使系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性被破壞，導致整個系統(tǒng)解列。（2）對地區(qū)電網電壓的影響風電機組的運行特性使得輸出功率呈現(xiàn)波動性變化，對電網電壓造成不利影響，電壓波動和閃變是其中最主要的表現(xiàn)形式。 風電場電壓崩潰的根本原因是系統(tǒng)無功功率的供給不足，配置在風力發(fā)電機機端的并聯(lián)電容器，在投切的過程中會引起電壓的跳變，當系統(tǒng)電壓水平較低時，并聯(lián)電容器的無功補償量迅速下降，導致風電場對電網的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，嚴重也時會造成電壓崩潰。 風電場不同接入方式對電壓穩(wěn)定性的影響，在風電場出力穩(wěn)定或者并網線路參數(shù)一致的情況下，應選用分布式接入；在

23、風電場受到漸變風、陣風、切除風影響時，應選用集中式接入（3） 對電網頻率的影響 風電并網容量越大，其功率特性對電網頻率造成的影響也越大。由于風電機組投切頻繁，使風電場接入系統(tǒng)的潮流處于一個雙向流動的過程，這在一定程度上影響了系統(tǒng)的頻率，嚴重時可能導致整個風電場突然切除，使得瞬間電源和負荷失衡，引起電網頻率的降低研究顯示風擾動的波形和時間長度是對影響電網頻率的兩個主要因素，風擾動的波形變化越劇烈,對系統(tǒng)頻率曲線的影響越快,而風擾動的波形峰值越高,對頻率曲線的峰值影響越大。2.5風電場低電壓穿越低電壓穿越(LVRT)，指在風力發(fā)電機并網點電壓跌落的時候，風機能夠保持并網，甚至向電網提供一定的無功功

24、率，支持電網恢復，直到電網恢復正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。是對并網風機在電網出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網的一種特定的運行功能要求。不同國家(和地區(qū))所提出的LVRT要求不盡相同。目前在一些風力發(fā)電占主導地位的國家，如丹麥、德國等已經相繼制定了新的電網運行準則，定量地給出了風電系統(tǒng)離網的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間)，只有當電網電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風力發(fā)電機脫網，當電壓在凹陷部分時，發(fā)電機應提供無功功率。這就要求風力發(fā)電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越(LVRT)能力，同時能方便地為電網提供無功功率支持，但目前的雙饋型風力發(fā)電技術是否能夠應對自如，學術界尚有爭論，而永磁直接

25、驅動型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已被證實在這方面擁有出色的性能。低電壓穿越- 具備能力 低電壓穿越能力是當電力系統(tǒng)中風電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導致電壓跌落后，風電場切除會嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網運行。風電機組應該具有低電壓穿越能力：（a)風電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網運行620ms的低電壓穿越能力; （b)風電場電壓在發(fā)生跌落后3s內能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網運行; （c)風電場升壓變高壓側電壓不低于額定電壓的9

26、0%時，風電場必須不間斷并網運行。3風力發(fā)電并網問題解決方案3.1風力發(fā)電機并網方式同步發(fā)電機在運行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定，電能質量高，已被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而，把它移植到風力發(fā)電機組上使用卻不甚理想，這是由于風速時大時小，隨機變化，作用在轉子上的轉矩極不穩(wěn)定，并網時其調速性能很難達到同步發(fā)電機所要求的精度。并網后若不進行有效的控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步問題，在重載下尤為嚴重。這就是在相當長的時問內，國內外風力發(fā)電機組很少采用同步發(fā)電機的原因。但近年來隨著電力電子技術的發(fā)展，通過在同步發(fā)電機與電網之問采用變頻裝置，從技術上解決了這些問題，采用同步發(fā)電機的方案

27、又引起了人們的重視。目前國內外大量采用的是交流異步發(fā)電機，其并網方式根據電機的容量不同和控制方式不同而變化。風力發(fā)電機組并網方法有：(1)直接并網。這種并網方法要求在并網發(fā)電機的相序與電網的相序相同，當發(fā)電機轉速接近同步轉速時，即可自動并入電網，自動并網的信號由測速裝置給出，而后通過自動空氣開關完成并網過程。(2)降壓并網。這種并網方法是通過在異步電機與電網之間通過串接電阻、電抗器、自耦變壓器等方式，從而降低并網合閘瞬間沖擊電流幅值及電網電壓下降的幅度。由于電阻、電抗器等元件消耗功率，在發(fā)電機并網后，進入穩(wěn)定進行狀態(tài)時，必須將其迅速切除。(3)通過晶閘管軟并網。這種并網方法是在異步發(fā)電機定子與

28、電網之間每相串入一只雙向晶閘管連接起來，從而使發(fā)電機并網瞬間的沖擊電流，得到一個平滑的暫態(tài)過程。風力發(fā)電機組常用的并網運行方式如下：(1)恒速恒頻方式。風力機組的轉速不隨風速的波動而變化，始終維持恒轉速運轉，從而輸出恒定頻率的交流電，但具有簡單可靠的優(yōu)點，但是風能利用率較低。恒速風電機組在運行過程中沒有產生諧波電流，但當其在投入時，往往采用軟并網可控硅裝置并網，勢必造成諧波電流注入電網，由于投入過程較短，發(fā)生的次數(shù)也不多，諧波電流注入實際上是可以忽略的。(2)變速恒頻方式。風力發(fā)電機組的轉速隨風速的波動作變速運行，但輸出恒定頻率的交流電。這種方式提高了風能的利用率，但需增加實現(xiàn)恒頻輸出的整流逆

29、變的電力電子設備。3.2電壓波動和閃變評估 IEC 6140021并網風電機組電能質量測試和評估標準中給出了閃變計算與評估方法。IEC 61400-21的主要內容包括：描述并網風電機組電能質量特征參數(shù)的定義或說明；電能質量特征參數(shù)的測量過程；這些電能質量特征參數(shù)是否滿足電網要求的評估方法。IEC 61400-21定義的并網風電機組電能質量特征參數(shù)包括風電機組額定參數(shù)、最大允許功率、最大測量功率、無功功率、電壓波動和諧波等，其中電壓波動測量和評估是IEC 61400-21的重點。 考慮到電網中其他波動負荷可能在風電機組公共連接點引起明顯的電壓波動，且風電機組引起的電壓波動依賴于電網特性。因此，為

30、了在風電機組公共連接點獲得不受電網條件影響的測試結果，IEC 61400-21采用了一個無其他電壓波源的虛擬電網來模擬風電機組輸出的電壓，虛擬電網的單相電路如圖2所示。圖2中的虛擬電網由一個理想的相對地電壓源u0(t)、線路電阻Rfic和電感Lfic組成，u0(t)的幅值等于電網相電壓的標稱值，相角等于風電機組輸出電壓基波分量的相角，線路阻抗角等于電網阻抗角，im(t)為風電機組輸出電流的測量值，ufic(t)為計算出的風電機組的瞬時電壓。ufic(t)可以表示為 （1）持續(xù)運行過程 評估持續(xù)運行過程中的電壓波動時必須涵蓋不同的電網阻抗角k和風速分布情況，其中風速分布按不同年平均風速va的瑞利

31、分布9來考慮。以不同情況下的電壓、電流測量數(shù)據作為虛擬電網的輸入量，計算出風電機組的輸出電壓ufic(t)。根據國際電工標準IEC 61000-4-1510提供的閃變值算法，由ufic(t)計算短時間閃變值Pst,fic。然后，由下式計算閃變系數(shù)c(k) 組的額定視在功率。 根據服從瑞利分布的風速和計算得出的閃變系數(shù)，得到閃變系數(shù)的累積概率分布函數(shù)為測量的最終結果。 為了評估一臺風電機組引起的電壓波動，可以根據下式計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt 式中ci(k,va)為單臺風電機組的閃變系數(shù)；Sn,i為單臺風電機組的額定視在功率；Nwt為連接到公共連接點的風電機組的數(shù)目。（2）切換操

32、作過程 評估切換操作過程中的電壓波動必須涵蓋不同的電網阻抗角k情況，以及下面3種切換操作過程： （1）風電機組在切入風速下啟動； （2）風電機組在額定風速下啟動； （3）發(fā)電機在最差條件下切換（只適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風電機組），最差條件是指閃變階躍系數(shù)kf(k)最高和電壓變化系數(shù)ku(k)最高的情況。 由虛擬電網仿真所得的風電機組輸出電壓ufic(t)計算出短時間閃變值Pst,fic之后，可根據下式分別求得閃變階躍系數(shù)kf(k)和電壓變化系數(shù)ku(k) 式中TP為測量持續(xù)時間；Ufic,max和Ufic,min分別為切換操作過程中ufic(t)有效值的最大值與最小值；Un為額定線電

33、壓。 對計算所得的kf(k)和ku(k)分別取平均值，即為測量過程的最終結果。 為了評估單臺風電機組引起的電壓波動，可以根據下式計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt 式中N10為10min內切換操作次數(shù)最大值；N120為2h內切換操作次數(shù)最大值。 如果多臺風電機組連在公共連接點，則可按下式估計它們在切換操作中引起的閃變 對于多臺風電機組連在公共連接點的情況，由于兩臺風電機組不可能在同一時間完成切換操作，因此沒有必要考慮多臺風電機組引起的相對電壓變動問題。短時間、長時間閃變值和相對電壓變化值不能超過電網允許的最大限值。國際電工標準IEC 61000-3-711提供了估算中高壓電網所允許的閃

34、變和電壓變化最大限值的方法。3.3諧波污染解決方案在電力系統(tǒng)中，電壓波型是中心對稱的，基本上不含有偶次諧波，存在的諧波主要是奇次諧波，而三、九次諧波可以通過變壓器的繞組進行隔離。而11、 13次以上高次諧波由于其頻率比較高，在線路傳輸過程中衰減比較快，在電網中所占的比重也不大。往往5次諧波和7次諧波成分較多。如超過電能質量公用電網諧波（GB/T14549-93）的允許值，須裝設濾波裝置解決這個問題。因此需根據每臺機的諧波發(fā)生量，計算出公共接入點上的諧波電壓畸變值和諧波電流注入值，如計算值超過允許值需要采取措施，通過裝設濾波裝置使注入電網的諧波電流降低到國標允許值內，濾波器分為有源濾波器和無源濾

35、波器兩大類。無源濾波器是通過電容、電抗和電阻等元件串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產生諧振，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，達到對該次諧波治理的目的。電力無源濾波器具有成本低、容量大、易實現(xiàn)等優(yōu)點，應用較廣。電力無源濾波器由電力電容器、電力電抗器和電力電阻器按一定結構組合而成。目前常用的電力無源濾波器有單調諧濾波器(Single tuned filter，STF)、高通濾波器(High pass filter，HPF)等。工程上實用的無源濾波裝置一般由一組或幾組單調諧濾波器和一組高通濾波器組成。單調諧濾波器濾除幅值大的單次諧波，高通濾波器則濾除頻率較高而幅值較小的諧波。每組濾波器在某一諧

36、波頻率附近或者在某一個頻帶內呈現(xiàn)低阻抗特性，從而吸收諧波電流，減小流入交流系統(tǒng)的諧波電流，以達到抑制諧波的目的；另一方面，無源濾波器在基波時呈容性，可以對風電場進行基波無功補償。這種濾波器結構簡單，價格低廉，運行可靠。在出力雖風速變化，諧波也是在變化的，諧波治理有一定難度，同時無源濾波器可能對某次諧波在某個條件下會起放大作用，效果會收到限制。有源濾波器(Active Power Filter，簡記為APF)的基本工作原理是把電源側的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進行補償，使流入電源的總諧波電流為零。這是諧波治理的發(fā)展方向。隨著科學技術的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，這一技術一定會

37、在諧波治理上占主導地位的。有些情況下，采用APF和傳統(tǒng)的濾波裝置組合而成的混合型濾波器，由電容吸收高次諧波，而APF提高濾波性能，具有較好的性價比。用于補償諧波的典型裝置為電力有源濾波器。80年代以來，由于新型電力半導體器件的出現(xiàn)，PWM技術的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，有源濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理見圖。圖2 有源濾波器原理 用于補償諧波的典型裝置為電力有源濾波器。80年代以來，由于新型電力半導體器件的出現(xiàn)，PWM技術的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，有源濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理見圖。電力有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)

38、跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到相當?shù)闹匾暋ｋ娏τ性礊V波器的變流電路分為電壓型和電流型，如圖4所示。目前實用的裝置90%以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型中有單獨使用、L濾波器混合使用及注入電路方式。目前并聯(lián)型占實用裝置的大多數(shù)。圖5和圖6分別為電力有源濾波器的分類情況及其主電路結構。(a)單獨使用的并聯(lián)型有源濾波器 (b)與LC濾波器并聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器(c)與LC濾波器串聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器 (d)單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器(e)與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型有源濾波器圖6a是電力有源濾波最基本的構成方式。PWM逆變

39、器并聯(lián)在電網上，相當于一個受控電流源，產生與負載諧波大小相同而方向相反的諧波電流，使得電源電流被補償為正弦。這種方式下，電源基波電壓全部加在逆變器上，因而裝置容量較大。這種方式的電力有源濾波器具有連續(xù)調節(jié)無功功率的功能，能在補償諧波的同時動態(tài)補償無功功率。圖6b中的LC濾波器若被用來與有源濾波器分擔補償相同次數(shù)的諧波，則可降低所需逆變器的容量，若用來補償較高次的諧波，則起到了補充有源濾波器補償性能的作用。在這種方式下，有源濾波器也可以對無功功率進行調節(jié)。圖6c方式下，有源濾波器主要不是用來直接補償諧波，而是用來抑制LC濾波器與電網阻抗之間的并聯(lián)諧振，即所謂的諧波放大現(xiàn)象以改善LC濾波器的諧波補

40、償效果。其逆變器不承受基波電壓，因而逆變器的裝置容量大大減小。注入電路方式的并聯(lián)型有源濾波器將電感和電容作為逆變器注入電路，利用電感和電容的諧振特性，使有源濾波器不承受基波電壓，從而減小逆變器的裝置容量、減小體積、降低成本。圖6d和e的有源濾波器均通過變壓器串聯(lián)在電源和負載之間，相當于一個受控電壓源。圖6d方式可以消除電源電壓可能存在的畸變，維持負載端壓為正弦。需指出，并聯(lián)型有源濾波器一般適用于感性負載。對容性負載的諧波源，可采用單獨使用方式的串聯(lián)型有源濾波器，通過控制有源濾波器的補償電壓來改變負載端的電壓，從而使電源電流為正弦。圖6e為與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型電力有源濾波器，與圖6c方式

41、等效。由于其所需逆變器的裝置容量很小，一般不超過負載容量的3%，因而頗受關注。3.4風電廠低電壓穿越解決方案結合我國風電場的運行經驗來看，高速發(fā)展的大規(guī)模風電裝機容量和滯后的電網規(guī)劃建設之間的矛盾是當今風電并網難的主要矛盾。著眼于這方面，國內外的專家學者從各個方面進行了大量的研究，并提出了針對性的解決方案（1）配備充足的無功補償容量在風電場并網運行過程中，異步風力發(fā)電機需要從電網吸收無功功率來提供其建立磁場所需的勵磁電流，因此要保證風力發(fā)電系統(tǒng)的健康穩(wěn)定運行，為其配備充足的無功補償容量是采取的最主要措施。目前，一般采用機端并聯(lián)電容、靜止無功發(fā)生器（SVG）、靜止無功補償裝置（SVC）以及靜止同

42、步補償器（STATCOM）等來補償風力發(fā)電機的無功（2）提高風電機組低壓穿越能力風電機組的低壓穿越能力（Low Voltage Ride Through）是指風電機組在電網公公連接點電壓跌落時保持并網狀態(tài)并向電網提供一定的無功功率以支撐電網電壓從而穿越低電壓區(qū)域的能力。典型的低壓穿越曲線如圖3-1所示。圖3-1 在故障發(fā)生時，電網的電壓會下降，嚴重時可能導致功率缺額，如果不對風電場加以控制，甚至會產生“脫網”現(xiàn)象，給處于暫態(tài)過程中的電網引入了新的沖擊，對電網的暫態(tài)穩(wěn)定性將產生不利影響。隨著風電場并網容量的增大，這種影響將越發(fā)明顯，因此應采取措施對風電場進行相應功率控制，提高風電場的低壓穿越能力

43、，使其能在故障期間向電網提供無功功率，提高電網的穩(wěn)定性。 目前常用的提高低壓穿越能力的方式有兩種：一是完善風電機組整流器的控制策略，研究顯示，基于H技術和分析法設計的控制器能有效的提高機組的LVRT能力。二是增加其他的設備。為了在發(fā)電機并網的狀態(tài)下保護轉子側的變流器，常在DFIG轉子側電路增加Crowbar電路，研究顯示，對于Crowbar控制的雙饋異步發(fā)電機（DFIG）系統(tǒng)，在引入計及定子電壓瞬態(tài)變化的DFIG數(shù)學模型后，能使Crowbar在電網電壓恢復時無需動作，縮短了DFIG在故障清除后供電的時間。（3）儲能技術的應用在電力系統(tǒng)引入大容量儲能裝置，不僅可以有效減小風電對系統(tǒng)的沖擊和影響，提高風電出力與預測的一致性，保障電源電力供應的可信度，還可降低電力系統(tǒng)的備用容量需求，提高電力系統(tǒng)運行的經濟性，同時提高電力系統(tǒng)接納風電的能力。應用于風電場的儲能手段中，抽水蓄能因其常受環(huán)境因素制約，最常見的是鉛酸電池儲能。研究顯示，將風電機組和儲能單元相結合，利用電力儲能系統(tǒng)快速的功率吞吐能力和靈活的四象限調節(jié)能力，則能在頻繁的風速擾動下使風電場的功率輸出得到平穩(wěn)控制，降低風電場功率波動對電網的沖擊、提高并網風電場的穩(wěn)定性。