引言

風(fēng)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(fēng)力發(fā)電這樣的具有很高環(huán)保效益和社會效益的技術(shù)有著巨大且持續(xù)增長的需求。隨著風(fēng)電技術(shù)發(fā)展,我國風(fēng)電裝機(jī)容量不斷上升,風(fēng)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(shù)等因素影響,風(fēng)力發(fā)電引起的電壓波動、閃變和諧波等電能質(zhì)量問題阻礙了其發(fā)展。因此,如何控制好風(fēng)力發(fā)電中的電能質(zhì)量就顯得十分重要。

1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)類型與特點

1.1恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),通過保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變,獲得與電網(wǎng)頻率一致的電能。其構(gòu)成相對簡單,主要采用同步電機(jī)與鼠籠型感應(yīng)電機(jī)作為其發(fā)電機(jī)。同步電機(jī)轉(zhuǎn)速取決于極對數(shù)和頻率,鼠籠型感應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速則稍高于同步轉(zhuǎn)速。其特點是設(shè)計簡單可靠,造價低,維護(hù)量小:缺點是氣動效率低,結(jié)構(gòu)負(fù)荷高,只能在同步轉(zhuǎn)速下運行,并網(wǎng)操作實現(xiàn)復(fù)雜,當(dāng)風(fēng)速改變會使其偏離最佳運行轉(zhuǎn)速。

1.2變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),其風(fēng)力機(jī)采取變速運行,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化,通過電力電子變換裝置得到恒頻電能。在風(fēng)速變化情況下,通過此系統(tǒng)可以在捕獲最大風(fēng)能的同時調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,使其輸出最大功率。同時,變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)發(fā)出的有功功率和無功功率,能補(bǔ)償電網(wǎng)的功率因數(shù)。此外,該技術(shù)還能使發(fā)電機(jī)組與電力系統(tǒng)之間形成柔性連接。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相比恒速恒頻風(fēng)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(fēng)力發(fā)電對電網(wǎng)電能質(zhì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組本身與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點是風(fēng)電場引起電壓波動的主要因素。當(dāng)風(fēng)電場運行時,向系統(tǒng)送出有功功率(P>0),風(fēng)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(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出功率,特別是無功功率波動,風(fēng)電場出線上的壓降會產(chǎn)生波動,導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)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(fēng)電機(jī)組輸出功率波動較大時產(chǎn)生。風(fēng)電機(jī)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(fēng)輪掃風(fēng)面積:

⑦一風(fēng)速:

cP(入,8)一風(fēng)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(fēng)電機(jī)組的輸出功率與風(fēng)速、空氣密度有關(guān),其值隨風(fēng)況在零功率和額定功率之間不斷波動,其中風(fēng)速影響更大。由于風(fēng)電場風(fēng)速的隨機(jī)性大,風(fēng)機(jī)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(yīng)、偏航誤差等因素影響,風(fēng)機(jī)葉輪的轉(zhuǎn)矩波動會造成風(fēng)機(jī)輸出功率的波動。

2.2諧波

恒速恒頻風(fēng)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(dāng)機(jī)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(fēng)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(yán)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(shè)計結(jié)構(gòu)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(guān)。此外,當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功補(bǔ)償裝置與線路電抗產(chǎn)生諧振,對諧波會起到嚴(yán)重的放大作用。

3提高電能質(zhì)量的措施

3.1電壓波動與閃變的抑制技術(shù)

供電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)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(jī)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(bǔ)償裝置、改善設(shè)備性能、提高供電能力等幾方面來采取相應(yīng)措施。一般可通過降壓、加設(shè)斬波器、串接電阻等方式實現(xiàn)電動機(jī)啟動特性的改善。通過如架設(shè)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(yán)重程度,但需從經(jīng)濟(jì)性角度衡量投資與效益的關(guān)系。采用快速無功功率補(bǔ)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(shù)

隨著越來越多敏感負(fù)荷對濾波效果要求的提高以及全控型功率器件技術(shù)的進(jìn)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(bǔ)償諧波形狀一致、相位相反的電流,以抵消非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流,達(dá)到抑制諧波的目的。有源電力濾波器響應(yīng)速度快,能實現(xiàn)動態(tài)跟蹤補(bǔ)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(bǔ)償裝置也能對諧波起到較好的抑制效果。

4結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電規(guī)模迅速擴(kuò)大,風(fēng)電場并網(wǎng)是電力系統(tǒng)發(fā)展趨勢。但風(fēng)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(yán)重影響著風(fēng)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(fēng)力發(fā)電效能,使整個發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運行。