浅析风力发电并网技术及电能控制策略

浅析风力发电并网技术及电能控制策略

乔伟

（国华巴彦淖尔（乌拉特中旗）风电有限公司内蒙古巴彦淖尔015100）

摘要：风力发电不需要使用燃料，也不会产生辐射，不排放污染性物质，在节能减排低碳环保方面具有重要意义。本文主要阐述了风力发电的原理、技术、历史及其重要性，简单的探讨了风力发电并网技术，最后分析了电能质量的控制策略。

关键词：风力发电；并网技术；电能质量；控制

随着经济的快速发展，我国的资源和能源危机也在加剧，基于可再生能源的发电系统得到电力行业的开发和应用，大量的新能源发电系统接入到电力网络中，其中风力发电和光伏发电产业发展十分迅速。近年来，我国风力发电场的建设数量不断增加，对我国原有的电力网络发挥了良好的辅助作用，在一定程度上提高了电力系统的供电效率和质量。但是，风力发电容易受到自然因素的影响，具有一定的随机性和波动性，并入电力网络后，容易产生风电穿透功率，增加风电网络的运行管理制度，进而影响整个电力系统的电能质量，例如电网运行中产生谐波污染、电压波动等，因此，相关电力企业在加强风力发电并网技术研究与应用的同时，要做好电能质量控制。

一、风力发电的原理和技术

空旷的原野和辽阔的海面是风能的优质资源，风力发电是利用大自然中的空气以一定速度流动所产生的风能驱动风车的叶片旋转，将此旋转运动在增速机中转速提升，在由此产生的力矩带动下，发电机组中的导体通过切割磁力线产生感应电动势，外接的闭合回路在导体中会有电流产生，实现风能向电能的转换。依据目前的风车技术，只要风速大于3米/秒便可以产生电能，实现发电目的。

风力发电机一般有风轮、偏航装置、发电机组、塔架、限速安全机构和储能用蓄电池等部件构成。风轮是由2个或3个叶片组成的集风装置，它的作用是采集风的动能转变为风轮旋转的机械能。风轮后面的调向器也叫尾舵，它的功能是控制风轮的迎风方向，使风轮随时面对风向，最大限度地获取风能。限速安全机构的作用是对风轮的转速予以一定的限制，使之在规定的范围内保持相对稳定，起到保证风力发电机限速平稳运行的作用。塔架则是机组的承载和风轮的支撑机构。

由于自然界的风速极不稳定，其很强的随机性和间歇性致使风力发电机的输出功率也极不稳定，高峰和低谷落差甚大，所以，风力发电机发出的电能不能直接用在电负载上，而是先用铅酸蓄电池储存起来，以保持风力发电系统持续稳定的供电运行状态。

二、风力发电的历史

1998年，第一台小型风力发电机在苏格兰的一栋别墅中安装，用于房间照明。1888年，美国建筑师查理斯主持设计和建设一个风机转子达17米的大型风机，虽然它的功率只有12千瓦。世界上第一座风力发电试验基地于19世纪末在丹麦建成，用于对风力发电的研究。1931年，具有现代化身影的水平轴发电机在苏联克里米亚半岛的雅尔塔建成，它的功率为100千瓦，可以接到当地6.3千伏的电网上。

20世纪30年代的美国，风力发电机在离大城市比较远的地区，特别是西部很受欢迎。它们不仅可以磨面和提水，还可以发电，它们对这些地区的发展和社会进程产生了非常重要的影响。

我国20世纪80年代才开始接触有关风电方面的技术。由于风电的技术要求高，我国并未大规模发展风电，当时很多风机都需要从欧美国家进口。1986年经政府同意，在山东建成了第一个示范性风电场，但当时的发电机组是进口的55千瓦的风电机组。1989年新疆达阪城和广东南澳风电场成立，并于当年并网发电。我国政府部门也认识到化石燃料日益枯竭的现状，对风力发电技术，政府也比较重视。1996年提出大规模发展风电的《乘风计划》，主要是在鼓励发展我国自己的中型风力发电机制造技术，同时也提倡以技贸结合的形式与国外优秀企业合作，在建设大型风电场的同时，能够吸收它们的技术并消化，从而达到自主研发、设计和制造自己的风电设施的目的。1998年，新疆金风科技的发展在中国遥遥领先，成为当时我国最好的风力发电机厂家。

三、风力发电的意义和必要性。

近年来，因为风力发电机组并网技术实际应用规模逐渐增大，在影响电能质量的范围方面也随之得到增加，且很多影响对提升电网电能质量极为不利。比较常见的是电压闪变和波动。电压风力资源存在不稳定性特征，再加上风力发电机组运行特征，造成风力发电机组输出功率缺乏稳定性，由此就会直接影响到电网电能质量。现阶段，风力发电机组通常会选择软并网方式[7]，然而，启动设备期间仍然会产生冲击电流，电流值相对也比较大。如果切出风速比风速低，那么出力工作情况下，风机就会暂停运行。此外，风速很难控制和风机所产生塔影效应会严重影响到风机处理，导致风机出力发生波动现象，波动值也会处在电压闪变范围内。所以，就算风机正常运行，同样会导致电网发生闪变情况。

由于全球温室效应、环境污染和化石燃料的日益枯竭，目前各国政府的工作之重都是如何最大效益地对各种新能源进行开发和持续利用。除了水电，风力发电是新能源项目中技术最成熟的、最适合大规模商业发展的新能源项目。风力发电不排放产生温室效应的气体，可以大大减缓全球温室效应的速度；风力发电没有废气产生，能减轻全球的污染程度，改善自然界的空气质量；风力发电可以替代很大一部分化石燃料的燃烧，能优化能源结构，促进社会和经济的可持续发展。

根据一些科学家的推测，石油40年后就会枯竭，天然气60年后就会用完，煤炭200年后所剩无几。在人类的社会发展过程中，化石燃料的使用时间也是一小段而已，寻找可持续新能源十分必要。我国是世界第一人口大国，人均能源消费量居世界第二，而对稀缺的资源，为了未来几代人的可持续发展，大规模发展风力发电是具有重大意义的。

风能是一种非常清洁的新能源，并且在全球的蕴藏量巨大，据估计全球可以利用的风能约为2百万兆瓦，大约是全球每年燃烧的煤炭能量的3倍多。德国和丹麦的风力发电量分别占本国电力需求的4%和5%，我国80%的发电量靠煤，风力发电量及技术与欧美发达国家还有很大差距。大力发展我国的风力发电技术符合我国的可持续发展道路的需要。

四、风力发电并网技术

风电并网技术，是发电机输出电压，在频率、幅值和相位以上及电网系统电压是一致的。而随着风电机组容量的逐渐增大，风电电力并网的时候对电网的冲击也随之增大，因此选择科学的风电并网技术是十分必要的。

（一）同步风力发电机组并网技术

同步发电机在运行的过程当中，一方面要输出有功功率，而另一方面则需提供无功功率，此外还需周波稳定及质量高，所以被广泛采用。然而怎么将这项技术与风电机组的并网结合起来也是一个问题，通常因风速不稳定等因素造成了转子转矩的不稳定，在并网的时候调速的性能不能达到精度要求，若不采取有效的控制，就会出现无功振荡或失步的问题。特别是重载情况，结果可能会更加的严重。但是近些年，随着科学技术不断提高，新型的电力电子技术能够在一定的程度上处理好这个问题，例如说一些变频装置。所以同步风力发电机组并网技术应当给予足够重视。

（二）异步风力发电机组并网技术

与同步风电机组并网技术不同，异步风电机运行的过程当中，其主要凭借转差率调整负荷，因此调速的精度要求较低，也不需要同步设备与整步操作，只需要在其转速接近同步转速的时候，就能够轻松的并网。风电机组配用异步发电机，优点就在这项技术控制装置相对较为简单，在并网之后无振荡与失步问题，并且运行稳定及可靠。而缺点是直接并网可能会造成大冲击电流出现，降低电压，从而对系统运行的安全造成一定影响，系统的本身没有无功功率，其需要进行无功补偿。若不稳定系统频率太低的话，就会使电流剧增及电压过载。因此，对异步风电机组要进行严格的监视，并采取有效的措施，才能够保证发电机组的安全运行。

五、电能质量控制策略分析

（一）电压波动和闪变的抑制

1、有源电力滤波器

对电压闪变加以抑制，需要在负荷电流出现急剧波动的时候，对负荷变化出现的无功电流加以实时补偿。目前，通产采用的是有源滤波器，其主要是电力晶体管与可关断晶闸管组成，一定程度上对负荷电流加以实时补偿，于此同时因滤波器采用可关断电子器件，能够凭借电子控制器代替系统电源，且向电压负荷输出畸变电流，从而保证系统只向负荷提供正弦基波电流。

有源电力滤波器具有响应速度快、电压波动大、闪变补偿率高以及补偿容量小的特点，而且谐振问题，运行稳定可靠；控制能力强，在一定程度上实现了控制电压波动和稳定电压的作用。

2、动态电压恢复器

中低压配电网中，有功功率进行快速波动也会造成电压闪变的情况，这时就对补偿装置提出更高的要求，除了进行无功功率补偿之外，还要能够提供瞬时有功功率补偿。所以带储能单元的补偿装置取代了传统的无功补偿装置，有效地改善电能质量。动态电压恢复器自身就带有储能单元，能够在ms级内以正常电压和故障电压的差值，向系统注入电压，可以有效解决系统电压波动对客户的影响。所以，动态电压恢复器是实现电压波动、谐波等动态电压质量问题的最佳方法。

3、统一电能质量控制器以及其他补偿装置

对电能质量控制器进行统一，使其结合串、并联补偿装置进行有效结合，一定程度上具备对电压、电流质量问题进行统一补偿的功能，这是属于综合类补偿装置。该补偿装置含有储能单元的串、并联组合，用户电力综合补偿问题，一方面可以应用于配电系统的谐波补偿；另一方面解决了许多电能质量问题，比如说瞬时供电中断和电压波动等动态电压质量问题，依次促进供电可靠性的提高。

4、谐波的抑制

谐波的抑制需要静止无功补偿器，一种是由多台可投切电容器、电抗器以及谐波滤波装置等组成的设备，这种设备装置最主要的特点是响应速度快，能对变化的无功进行跟踪，对于风速不稳定引起的电压变化可进行大幅度调节，滤除谐波，从而促进电能质量的提高。

结语：

目前，中国还有许多的风电基地处于建设的初级阶段，对于大规模风电场集中并网关键技术的研究是十分紧迫并且重要的，大规模风电场集中并网技术是一项系统并且复杂的课题，需要我们在不断的实践和探索中发现其出力规律、运行经验等，从而指导和引导我国的风电产业健康可持续发展。

作者简介：

乔伟，身份证号：15282719900718xxxx