风力发电并网技术

现今 许多国家都把风电作为一种清洁的可再生能源去鼓励发展 在中国 风电市场更是取得了长足的进步 此前 中国最初的风电 发展规划是到 2010 年和 2020 年 风电装机容量分别达到 5GW 和 30GW 而现在 这一目标已经调整为 2010 年装机容量达到 10GW 并正在考虑将 2020 年的目标至少翻番 甚至达到 90GW 目前 越 来越多的风电正在接入电网 但大量的风电接入电网会使电网面临 一系列的挑战 其中 电网故障导致风电场的解列就是面临的重要 挑战之一 很多风资源丰富的地区相对偏远 当地的电源少 负荷 低 风电并网处的电网较弱 当高比例的风电接入到弱电网 系统 稳态运行和有扰动时 会影响系统和风电场运行的安全稳定性 为 了将此风险最小化 甚至加以避免 在风电场项目的最初阶段开展 并网研究 对于保证风场的全部发电能够安全可靠地输送到电网是 非常重要的 风电并网 规范标准先行 目前 针对风电比例增加带来的一系列负面问题 不同国家采取了 不同的措施 在美国 现在的并网标准要求对每个风电项目都包含 风场特性指标 而欧洲的风电相对成熟 对风电的并网早已有了具 体的标准和规范 当然 通过可执行的并网标准 可以确定对风场 的特性要求和保证风场的全部发电能够有效的传输到电网 这些可 执行的标准包含 风电场并网点电压和无功容量的范围 风电场的 调节方式 最有效的方式是电压调节方式 低电压穿越能力 以保 证风电场的风机在系统扰动时不跳机 减出力和 或有功功率变化率 的要求等 我们认为 开展并网研究是正确并网的基础 它可以保证风电场在 运行期间的全部风电能够有效输送到电网 其中 除了对稳态和暂 态运行方式的研究外 还必须分析风电场在电网扰动时保持在线的 能力 通过这一些系列的分析 我们可以研究风电场在不同的运行 条件 控制方式和故障方式下 风电场对电网的影响 在不违反电 网运行要求下 将全部功率输送到电网 同时可以识别风电对当地 电网引起的潜在问题 也可识别可能引起风电场可靠运行的潜在问 题等 在风电场运行期间 稳态运行时的无功损耗 I2X 会使得电压随电 流的增加而降低 其中 风电场的无功损耗主要是由于风场的阻抗 集电系统线路 变压器和风电场的送出线路 而引起的 这意味 着当风电场的有功功率随着风速的变化而变化时 如果没有协调风 场的无功功率来控制并网点的电压 并网点的电压便会随之波动 我们知道 电压的变化 也叫电压闪变 是电网所不希望的 它会 引起电能质量变差 另外 由于风电场有功功率的变化 我们还需 要加装无功设备 有时需要的容量很大 来支撑电网电压 但如果 风电场不具备调节能力 这将是一项很大的投资 除此之外 系统强度也是设计风电场并网时需要考虑的重要因素之 一 它通过系统某处的总短路电流来衡量 从而决定了发电厂并网 点电压变化幅度 其中 最大短路电流决定设备水平 最小短路电 流决定有功功率变化对电压的影响 我们了解到 当风电场的有功功率从 0 到满负荷时 它对电网电压 的影响会愈来愈显著 尤其在有功功率较高时 有功功率和无功功 率对电网电压的影响会更佳明显 而最好的风资源却经常位于电网 强度弱的偏远地区 这种作用就显得尤其重要 因此 如果没有足 够的电网电压支持并且不采取措施 风电场便会降低系统的稳定性 并引起风场 电网跳闸等一系列严重问题 先进技术助力风电并网 在风电发展的早期阶段 风场通常应用的是定浆失速型风机 企业 只是把少量的几台风机接入到配电系统 通过功率因数将风机的机 端电压维持在允许的运行范围 但是 随着风机容量和风电场容量 的增大 接入电网风电比例也在增高 因此 当这些风机接入输电 系统时 风场调节各单台风机机端以外电压的能力就变得非常重要 此时的风电场应该能够调节其高压端或并网点的无功功率和电压 并将其控制在一定的范围内 以提高系统的稳定性和安全性 目前 GE 的 WindCONTROLTM 控制管理系统即可满足这样的需求 它 通过控制和协调风场内各台风机的无功功率 并协调风场内可能具 有的其它无功设备 有效地调节整个风电场并网点 甚至更远处的 电压和无功功率 实际上 当风机不转的时候 GE 的技术也能够使 风场具备调节无功功率和电压的能力 它甚至超过了常规的火电厂 和水电厂的调节能力 尤其在有功功率输出为 0 的条件下 这种无 功和电压的调节能力对电网稳定性的影响就显得更为重要 在风电场运行期间 除了风电场层次 非单台风机层次 的无功和 电压的影响外 电网的扰动 雷击 设备故障等 也是时有发生的 对于电网而言 在扰动发生时风电场具备保持与电网并网的能力也 是非常重要的 迄今为止 多数的风机设计具备了一定的抗扰动性 能 当电压跌落到 70 时 大部分风机被切机来保护风机自身 可 是 当大量的风电接入电网时 电网扰动会导致切除大量的风电 引起系统稳定性变差等负面问题 同时 这有可能引起连锁切机并 最终导致系统崩溃的潜在风险 针对此类问题 现有的或正在制定 的并网标准 如欧洲的 e ON 已经规定了风场具备在电网故障时保 持并网的能力 为了避免了这方面的问题 GE 的 WindRIDE THRUTM 通过改变风机和 变频器的控制和保护功能 使得风机具备在电网故障时的穿越能力 LVRT 在电网故障后 装有 LVRT 的风机在规定的电压跌落值和时 间内不会跳闸 从电网运行的角度而言 具有 LVRT 能力的风机可有 效地提高电网的稳定性和安全性 并确保供电的可靠性 避免潜在 的系统崩溃风险 同时风电场也可发出更多的电力 通常来讲 风电的变化性使得风电难以控制和调度 其有功功率的 快速和大幅变化还需要电网的其他电源来补偿 针对这一问题 GE 的其它风电技术 如风电场的减出力功能和有功功率变化率限制功 能也使得风电成为一种对电网更加友好的电源 其通过控制风场内 各风机的有功功率变化率 减缓风电场的有功功率波动 从而使得 电网的调度和控制更加方便 提高风电输出 满足并网标准 全球范围内接入电网的风电比例正在快速增加 因此 理解风电与 电网之间的相互影响就变得非常重要 在风电项目的规划阶段开展 并网研究 可以确定所需的性能要求 在项目早期发现潜在问题或 缺陷 并在设备采购前的设计阶段进行解决 在风电场的容量范围 内 也可使得所有有功功率都安全有效地输送 并保持电网的电压 稳定性 同时确保不违反并网标准和规范 另外 中国规划了众多大容量的风电场 电网同时拥有可执行的 针对风电的并网标准和规范 从而使得风电场可以有效利用风电场 的全部无功能力以调节风场的电压 也使得风场在运行时不受并网 点电压的制约 同时在系统扰动时保持并网 在某些需要的场合 减出力和控制有功功率变化率的能力能够保持系统的稳定性 由此可见 风电场的这些功能 如风电场层次的电压调节方式 低 零电压穿越 LVRT ZVRT 减出力和有功功率变化率等 可提高电 网的稳定性和安全性 使电网运行更加灵活 也防止了可能的连锁 故障 并使电网可接纳高比例的风电 二 风力发电并网逆变器 针对风力发电系统的特性 设计了与电网并联的 PWM 逆变器控 制系统 该系统采用电流瞬时值反馈控制 直接以电网电压同步信 号为逆变器输出电流跟踪指令 通过对网侧电流的闭环跟随控制 实现以单位功率因数向电网馈送电能 对系统的稳定性进行了分析 实验结果证明了该逆变器控制系统的可行性和正确性 关键词 风力发电 并网逆变器 功率因数 1 引言 随着环保意识的加强以及对于可再生能源的需求 风力发电技 术日益受到重视 由于风能具有不稳定性和随机性 风力发电机发 出的电能是电压 频率随机变化的交流电 必须采取有效的电力变 换措施后才能够将风电送入电网 为了改进风力发电机发电系统的 运行性能 近年来发展了基于交 直 交变流器的变速风力发电系统 在交 直 交变速风力发电系统中 逆变器的控制技术是关键 国内外纷纷展开这方面的研究工作 文献 2 文献 5 对此都 有专门的研究 本文综合以上几个文献中逆变器的优点 提出了一 种新型的逆变器控制方案 该逆变器直接以电网电压同步信号为逆 变器输出电流的跟踪信号 能够使输出电流快速跟踪电网电压 该 控制系统结构简单 试验结果表明该控制系统能实现单位功率因数 输出 且输出电流的谐波含量低 2 交 直 交变速风力发电系统简介 交 直 交变速风力发电系统如图 1 所示 图中整流器和逆变器 分别采用二极管整流器及基于全控型器件的 PWM 逆变器 为了解决 在低风速时整流以后的电压幅值过低 频率变化太快 直流纹波较 大 电压尖刺等问题 在整流器与逆变器之间加入了直流环节部分 该环节具有升压和稳压功能 逆变器将直流转换成适合并网条件的 交流后再通过变压器或直接并入电网 这种交 直 交系统最显著的特点是在风力发电机和电网之间连 接了缓冲电路 在并网时无电流冲击 逆变器不仅可以调节电压 频率 而且可以调节输出功率 是一种稳定的并网方式 3 PWM 逆变器的控制方案 PWM 逆变器的拓扑结构如图 2a 所示 逆变器输入与直流稳压的 输出端相连 其输入端的电压为直流稳压后的电压值 udc 输出端 通过滤波电感上后并入电网 对于风力发电并网逆变器系统 输出 相电压 相电流与电网电动势满足图 2b 所示矢量关系 对于无穷大公共电网 该并网逆变器作为电流源向电网输送电 能 因此通过对逆变器输出电流的控制即可达到控制输出功率的目 的 由图 2b 可知 为了不对公用电网产生谐波污染 必须使逆变器 各相输出电流与电网电压反相 以实现逆变器的单位功率因数输出 为了实现这一目的 设计了如图 3 所示的逆变器控制系统 4 控制器及其参数设计 因为 PWM 开关频率远大于公用电网的工频频率 根据图 3 所示 的控制系统图 可以得到如图 4 所示 a 相电流闭环传递结构图 5 并网逆变器的试验 图 6a 为蓄电池电压与 a 相电流波形图 图 6b 为 a 相电压与电 流波形图 图 6c 为输出电流的频谱图 实验结果表明 在蓄