变速风力发电机组供电质量.pdf

第十章! 变速风力发电机组供电质量 由于变速风力发电机组的转速控制系统采用了电力电子装置， 当它将电能输送给电 网时会产生电力谐波并使功率因数恶化。因此在变速风力发电机组与电网之间需要一 个的电力电子接口， 该接口在骤变的风况条件下具有快速的动态特性并能确保向电网提 供高品质的电能。 此外， 当电网中并人的风力发电容量达到一定程度， 会引起电压不稳定， 特别是当电 网发生短时故障时， 电压突降， 风力发电机组无法向电网输送能量， 最终将由于保护动作 而脱离电网。在风能占较大比重的电网中， 风力发电机组的突然切出会导致电网不稳 定。因此， 用合理的方法使风力发电机组输出的电功率平稳具有非常重要的意义。 本章主要针对以上两个方面的问题， 提出解决问题的思路和可行的方法， 以改善变 速风力发电机组的供电质量。 第一节! 电力电子接口 一、 电力电子接口的要求 采取转差率可控的变速风力发电机组的控制可通过电流源逆变器（“#$） 或自激电 容器来实现。在这两种情况下， 能量都可以通过晶闸管有源逆变器 （%“$） 回到电网， 但返 回电网的是功率因数变化的非正弦电流， 即使在发电机侧采用了谐波抑制手段， 也还会 对电网造成影响。因此， 我们重新来考虑采取交直交的供电方案。 为了满足在变速控制过程中良好的动态特性， 并能使发电机向电网提供高品质的电 能， 我们对发电机和电网之间的电力电子接口的要求归纳如下： / / = ?= ? / （ （# 7,） 式中0 ; 输入功率； #*( 第四编0 风力发电机的控制与供电质量技术 # !“ 输出功率； !# 电感存储的功率。 电感性储能器的电流应大于最小值 $%$ 2 =， 可以采用下列等式计算， 计算的步长为 - $%$ 允许过载 7 :+949， #?49） ； 对于树脂浸渍的线圈， 热极限允许在 % “3 的情 况下过载 #7， #?#） 。因此， 有 可能在储能线圈中暂存一部分超出其连续运行额定容量的能量， 这时在变流器的设计中 应考虑对短时高电流的承受能力。 在排除电网故障后， 应尽快降低电流； 因此， 电压 *+应升至最大值， 以便增加流入电 网的功率。表达式如下： 对 所示的畸变谐波成分。 图 +2 67= 充分存储时的输入出波形 -） 功率= ?） 电流 $ *+a， 8 *+7#， !“#*2/ +#， !“ *+7#， $ *2/ 0， % *2/ 0; 第四编= 风力发电机的控制与供电质量技术 # 图 !“ #$% 部分存储时的输入输出波形 &） 功率%） 电流 如果式 （!“ #(） 不能满足， 输出量的变化会减小。但在输出功率 )* 中引入了畸变 谐波成分如图 !“ #$ 所示。 （三） 实际变量情况 这里我们采用 )!测量值的时间序列， 所用的测量窗口有 (“+ 的宽度， 该窗口可以显 示所有测得的最大变量， 如图 !“ #,、 图 !“ #- 所示。为了能够定量地分析在实际变量测 试中的情况， 我们将数据 ./ 定义如下： ./0 ! 1 2 0! （)*2# )*&2） * 3 1 !3* （!“ #!4） 式中% 1 考虑的时间周期内的采样次数； )*2 功率的第 2 次采样： )*&2 在 .&时间内的平均值， 这里我们保持 .&0(“+。 一般来说， ./ 值越小， 平滑效果越好。但即使在 5 0! 相对单位的情况下， 输出功率 的变化也是很大的。当储能容量增加到 5 06 相对单位时， 可以得到了更好的平滑效果。 图 !“ #,% 未经储能器直接输入电网的功率 为改善平滑效果， 平均时间 “7 可以变化。增加 “7， 则平滑效果更好， 但只发生在平 (-$ 第四编% 风力发电机的控制与供电质量技术 # 滑有效的时间段内， 也就是说， 在电流低于其限值的情况下。对于给定的功率函数 !“ （#） ， 到达极限值的时间取决于 !#。因此， 在各个独立的实验中， 优化 !# 是十分必要的。 图 “$ %& 经过电感储能的输出功率、 电流和电压 (） 功率、 电流)） 电压 假设储能量 * +“ 相对单位， 而且风力发电机组功率为 ,$-*， 我们发现电感性储 能器应具有 ,$-. 的容量。这需要一个体积为 $/ ,01的， 强度为 “/ 23 的磁场。 （四） 故障情况 在发生故障时， 风力发电机组必须在几秒钟内将其功率存入电感性储能器， 那么电 流将升至 1 相对单位， 相应的电压升高 2 相对单位， 其控制结果如图 “$ %4 所示， 这时的 输入功率 !“如图 “$ %1 所示。当故障排除后， 电流恢复正常， 并产生了功率平滑效果。 电流与电压的变 化与图“$ %4 相似。* +“ 相对单位的电感性储能器可以在几秒内暂存 风力发电机组的功率， 在此期间， 有足够的时间排除故障。 图 “$ %“$ 风力发电机组在故障恢复期间的功率 * +“56， !#7 +27， !# +8$7， “ +$/ 2， # +$/ & 实验结果表明， 风力发电机组的电感性储能器可以降低输入电网的电功率的波动幅 度， 它同样可以使机组在