风力发电并网设计

风力发电并网设计内容摘要：

生的各种扰动的程度，主要依赖于其装备的电能转换系统的形式。 风电并网给系统带来谐波污染主要有两种途径：一种是在风力发电机中，大量采用了具有变频功能的变速恒频风力发电机，发电机组发出的交流电经过整流— 逆变装置与电网连接，从而实现发电机的频率与电网频率相独立，并维持电网频率不变。 整 流逆变就必然会带来谐波污染，这些谐波电流注入电力系统后，会引起电网电压畸变，降低了电能质量。 第二种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。 实际运行中，曾观测在风电场出口变压器的低压侧有大量谐波的现象。 风电装置中电力电子器件是风电装置中最重要的谐波源；在风电系统中，由于异步机、变压器、电容器等设备均为三相，且采用三角型或 Y 型连接方式，故不存在偶次或 3 的倍数次谐波，即风电系统中存在的谐波次数为 1 117 等。 风机本身配备的电力电子 装置，可能带来谐波问题。 变速风电机组采用了电力电子设备。 其中 ，双馈式异步式风电机组的发电机定子直接馈入电网，而发电机转子通过经直流环节连接的两个变流器接入电网（如图）。 永磁直驱同步风力发电机组所发电力则通过背靠背全功率变频器直接接入电网，该背靠背全功率变频器由发电机侧变流器、直流环节和电网变流器组成。 不论是哪种类型的变速风电机组，机组投入运行后变频器都将始终处于工作状态。 如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。 图 1 双馈式异步式风电机组 对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐 波，不过因为过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。 系统稳定性 大型风电机组多为异步发电机，发出有功的同时也从电网中吸收无功，其对无功的需求随着有功变化而变化。 风电这种与生俱来的特性使得它成为不能进行自身调节的电源，因此导致了风电场和电力系统进行能量交换时存在随机性，改变了系统中的潮流分布，增加了接入点电网的负担，影响了电网电压和频率的稳定性。 （ 1）对电网稳定性的影响 风电场一般在电网的末端接入，而风电场的大规模异步风力发电机组向电网注入功率时也从系统吸收大量的无功功率，同时风电场出力的随机性造 成了接入点的潮流是双向流动的，这在原有的电网的设计和建造时是未曾考虑的。 随着风电场注入电网的功率的加大，当地电网的电压和联络线功率会超出额定范围，严重时会导致电网溃。 由于异步发电机具有规律恢复特性，在系统故障发生后，若风电机组在系统故障排除后能恢复机端电压并稳定运行 ,则地区电网的暂态电压稳定性便能得到维持；若风电机组在故障排除后无法恢复机端电压 ,风电机组将超速运行并失去稳定 ,破坏区域电网的暂态电压稳定性。 此时 ,需利用风电场的无功补偿装置、风电机组的无功支撑能力在暂态过程中支撑电网电压 ,或者及时切除风电机组 ，以保证区域电网的暂态电压稳定性。 随着风力发电在整个系统中所占的比重越来越大，风电不稳定的有功功率输出对电网的功率冲击效应也将不断增大，严重情况下，将会使系统的动态稳定性被破坏，导致整个系统解列。 （ 2）对地区电网电压的影响 风电机组的运行特性使得输出功率呈现波动性变化，对电网电压造成不利影响，电压波动和闪变是其中最主要的表现形式。 风电场电压崩溃的根本原因是系统无功功率的供给不 足，配置在风力发电机机端的并联电容器，在投切的过程中会引起电压的跳变，当系统电压水平较低时，并联电容器的无功补偿量迅速下 降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重也时会造成电压崩溃。 风电场不同接入方式对电压稳定性的影响，在风电场出力稳定 或者并网线路参数一致的情况下，应选用分布式接入；在风电场受到渐变风、阵风、切除风影响时，应选用集中式接入 （ 3） 对电网频率的影响 风电并网容量越大，其功率特性对电网频率造成的影响也越大。 由于风电机组投切频繁，使风电场接入系统的潮流处于一个双向流动的过程，这在一定程度上影响了系统的频率，严重时可能导致整个风电场突然切除，使得瞬间电源和负荷失衡，引起电网频率的降低 研 究显示风扰动的波形和时间长度是对影响电网频率的两个主要因素，风扰动的波形变化越剧烈 ,对系统频率曲线的影响越快 ,而风扰动的波形峰值越高 ,对频率曲线的峰值影响越大。 低电压穿越 (LVRT)，指在风力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间 (区域 )。 是对并网风机在电 网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。 不同国家 (和地区 )所提出的 LVRT 要求不尽相同。 目前在一些风力发电占主导地位的国家 ，如丹麦、德国等已经相继制定了新的电网运行准则，定量地给出了风电系统离网的条件 (如最低电压跌落深度和跌落持续时间 )，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力发电机脱网，当电压在凹陷部分时，发电机应提供无功功率。 这就要求风力发电系统具有较强的低电压穿越 (LVRT)能力，同时能方便地为电网提供无功功率支持，但目前的双馈型风力发电技术是否能够应对自如，学术界尚有争论，而永磁直接驱动型变速恒频风力发电系统已被证实在这方面拥有出色的性能。 低电压穿越 具备能力 低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比 例较大时，电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会 严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越 (Low Voltage Ride Through， LVRT)能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。 风电机组应该具有低电压穿越能力： （ a)风电场必须具有在电压跌至 20%额定电压时能够维持并网运行 620ms 的低电压穿越能力。 （ b)风电场电压在发生跌落后 3s 内能够恢复到额定电压的 90%时，风电场必须保持并网运行。 （ c)风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的 90%时，风电场必须不间断并网运行。 3风力发电并网问题解决方案 同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，周波稳定，电能质量高，已被电力系统广泛采用。 然而，把它移植到风力发电机组上使用却不甚理想，这是由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度。 并网后若不进行有效的控制，常会发生无功振荡与失步问题，在重载下尤为严重。 这就是在相当长的时问内，国内外风力发电机组很少采用同步发电机的原因。 但近年来随着电力电子技术的发展，通过在同步发电 机与电网之问采用变频装置，从技术上解决了这些问题，采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。 目前国内外大量采用的是交流异步发电机，其并网方式根据电机的容量不同。