風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電壓穩(wěn)定的影響分析探討

隨著能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益凸現(xiàn)，世界各國(guó)都重新調(diào)整各自的能源策略，大力開(kāi)發(fā)新能源。風(fēng)能是一種取之不盡、用之不竭的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電因?yàn)榧夹g(shù)比較成熟，可形成規(guī)模開(kāi)發(fā)，近年來(lái)得到迅速發(fā)展。 目前，我國(guó)風(fēng)電發(fā)展進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，2006年是我國(guó)實(shí)施《可再生能源法》的第一年，風(fēng)電建設(shè)步伐明顯加快，到2006年底，裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到約230萬(wàn)kW。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常采用不同于傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組的發(fā)電技術(shù)，其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)特性都與傳統(tǒng)同步發(fā)電機(jī)組不同;大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后，電網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性、暫態(tài)穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性都會(huì)發(fā)生變化。 　　不同類型的風(fēng)電機(jī)組，由于其結(jié)構(gòu)不同，對(duì)電網(wǎng)的影響也不一樣。恒速恒頻風(fēng)電機(jī)組主要采用風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)異步感應(yīng)電機(jī)發(fā)電，然后直接接入電網(wǎng);由于異步感應(yīng)電機(jī)在發(fā)出有功功率的同時(shí)，需要從電網(wǎng)吸收無(wú)功功率，因此，其電壓穩(wěn)定性較低。變速恒頻風(fēng)電機(jī)組由于可實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲、減少風(fēng)輪機(jī)組機(jī)械應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，成為主要的發(fā)展方向;其中基于雙饋感應(yīng)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組由于降低了電力電子裝置的容量，近年來(lái)，得到了廣泛的發(fā)展;但由于變速恒頻風(fēng)電機(jī)組采用了電力電子裝置，使得電磁功率與機(jī)械功率解耦，無(wú)法向電網(wǎng)提供慣性響應(yīng)，對(duì)電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。 　　隨著我國(guó)對(duì)風(fēng)電建設(shè)力度的加大，風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模不斷增加，大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生的影響將逐漸突出，由此帶來(lái)的相關(guān)系統(tǒng)問(wèn)題將成為我國(guó)風(fēng)電發(fā)展的主要制約因素之一。大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)有兩種情況：一是大型風(fēng)電場(chǎng)接入輸電網(wǎng)，二是多個(gè)小型風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)某一地方的配電網(wǎng)。小規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要是以下幾個(gè)方面：穩(wěn)態(tài)電壓值的上升、過(guò)電流、保護(hù)裝置的動(dòng)作誤差、電壓閃變、諧波、浪涌電流造成的電壓降落。大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響除了以上那些方面外，還會(huì)有電力系統(tǒng)的震蕩和電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。因此只有對(duì)大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)才有必要考慮電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。 　　風(fēng)電機(jī)組類型和無(wú)功特性 　　目前大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組一般有兩種類型，一種是采用異步發(fā)電機(jī)的固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組，另一種是采用雙饋電機(jī)或通過(guò)變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機(jī)組。固定轉(zhuǎn)速風(fēng)電機(jī)組發(fā)出有功的同時(shí)吸收無(wú)功功率，不具備調(diào)壓能力，其電壓通過(guò)無(wú)功補(bǔ)償和調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓水平來(lái)調(diào)整;通過(guò)變頻器并網(wǎng)的變速風(fēng)電機(jī)組不具備發(fā)無(wú)功能力，但通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器，可以使并網(wǎng)時(shí)功率因數(shù)達(dá)到很高水平;變速恒頻風(fēng)電機(jī)組具備調(diào)壓能力，在發(fā)出有功功率的同時(shí)可以發(fā)出無(wú)功功率，并可根據(jù)系統(tǒng)需要在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)無(wú)功輸出，但從目前國(guó)內(nèi)安裝的變速恒頻風(fēng)電機(jī)組情況來(lái)看，大部分沒(méi)有應(yīng)用調(diào)壓功能，運(yùn)行中保持機(jī)端功率因數(shù)為1.0。 　　大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的主要問(wèn)題 　　風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的影響由于風(fēng)電具有隨機(jī)性和間歇性特點(diǎn)，并網(wǎng)風(fēng)電將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生一定影響。風(fēng)電發(fā)展初期裝機(jī)規(guī)模較小，與配電網(wǎng)直接相連，對(duì)電網(wǎng)的影響主要表現(xiàn)為電能質(zhì)量，隨著大規(guī)模風(fēng)電接入輸電網(wǎng)，系統(tǒng)調(diào)峰壓力加大，系統(tǒng)穩(wěn)定和運(yùn)行問(wèn)題突顯。電能質(zhì)量風(fēng)電機(jī)組對(duì)電能質(zhì)量的影響主要表現(xiàn)在高次諧波、電壓閃變和電壓波動(dòng)上，在采用雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)電機(jī)組的情況下較為嚴(yán)重。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在連續(xù)運(yùn)行和機(jī)組切換操作過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變。 　　1、電壓波動(dòng)和閃變 　　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動(dòng)時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)會(huì)從額定出力狀態(tài)自動(dòng)退出運(yùn)行。如果整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)所有風(fēng)機(jī)幾乎同時(shí)動(dòng)作，這種沖擊對(duì)配電網(wǎng)的影響十分明顯。不但如此，風(fēng)速的變化和風(fēng)機(jī)的塔影效應(yīng)都會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力的波動(dòng)，而其波動(dòng)正好處在能夠產(chǎn)生電壓閃變的頻率范圍之內(nèi)(低于25Hz)，因此，風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)也會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)閃變問(wèn)題，影響電能質(zhì)量。 　　風(fēng)資源的不確定性和風(fēng)電機(jī)組本身的運(yùn)行特性使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率是波動(dòng)的，會(huì)影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓偏差、電壓波動(dòng)和閃變、諧波以及周期性電壓脈動(dòng)等。風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動(dòng)和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)。電網(wǎng)電壓的變化受風(fēng)電系統(tǒng)有功和無(wú)功功率的影響。風(fēng)電機(jī)組輸出的有功功率主要依賴于風(fēng)速;在無(wú)功功率方面，恒速風(fēng)電機(jī)組吸收的無(wú)功功率隨有功功率波動(dòng)而波動(dòng)，雙饋電機(jī)一般采用恒功率因數(shù)控制方式，因而無(wú)功功率波動(dòng)較小。并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組不僅在持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變，而且在啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變。典型的切換操作包括風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換，其中發(fā)電機(jī)切換僅適用于多臺(tái)發(fā)電機(jī)或多繞組發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組。這些切換操作引起功率波動(dòng)，并進(jìn)一步引起風(fēng)電機(jī)組端點(diǎn)及其他相鄰節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)和閃變。 　　2、諧波 　　風(fēng)電給系統(tǒng)帶來(lái)諧波的途徑主要有兩種：一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)本身配備的電力電子裝置，可能帶來(lái)諧波問(wèn)題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，軟啟動(dòng)階段要通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連，會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，不過(guò)過(guò)程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。但是對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)則不然，變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)整流和逆變裝置接入系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的諧波問(wèn)題，隨著電力電子器件的不斷改進(jìn)，這一問(wèn)題也在逐步得到解決。另一種是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，在實(shí)際運(yùn)行中，曾經(jīng)觀測(cè)到在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側(cè)產(chǎn)生大量諧波的現(xiàn)象。 　　風(fēng)電裝置中電力電子器件是風(fēng)電裝置中最重要的諧波源;在風(fēng)電系統(tǒng)中，由于異步機(jī)、變壓電容器等設(shè)備均為三相，且采用三角型或Y型連接方式，故不存在偶次或3的倍數(shù)次諧波，即風(fēng)系統(tǒng)中存在的諧波次數(shù)為5、7、11、13、17等。風(fēng)機(jī)本身配備的電力電子裝置，可能帶來(lái)諧波問(wèn)題。對(duì)于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機(jī)，軟啟動(dòng)階段要通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會(huì)產(chǎn)生一定的諧波，不過(guò)因?yàn)檫^(guò)程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。但是對(duì)于變速風(fēng)機(jī)則不然，因?yàn)樽兯亠L(fēng)機(jī)通過(guò)整流和逆變裝置接人系統(tǒng)，如果電力電子裝置的切換頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范內(nèi)，則會(huì)產(chǎn)生很?chē)?yán)重的諧波問(wèn)題。 　　電壓波動(dòng)與閃變的抑制 　　目前，大部分用于改善和提高電能質(zhì)量的補(bǔ)償裝置都具有抑制電壓波動(dòng)與閃變的功能，如靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、有源濾波器(APF)、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(DVR)，以及配電系統(tǒng)電能質(zhì)量統(tǒng)一控制器(DS2Unicon)等. 　　靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC) 　　電壓閃變是電壓波動(dòng)的一種特殊反映，閃變的嚴(yán)重程度與負(fù)荷變化引起的電壓變動(dòng)相關(guān)，在高電壓或中壓配電網(wǎng)中，電壓波動(dòng)主要與無(wú)功負(fù)荷的變化量及電網(wǎng)的短路容量有關(guān)。在電網(wǎng)短路容量一定的情況下，電壓閃變主要是由于無(wú)功負(fù)荷的劇烈變動(dòng)所致。因此，對(duì)于電壓閃變的抑制，最常用的方法是安裝靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置，目前這方面的技術(shù)已相當(dāng)成熟。但是，由于某些類型的SVC本身還產(chǎn)生低次諧波電流，須與無(wú)源濾波器并聯(lián)使用，實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能由于系統(tǒng)諧波諧振使某些諧波嚴(yán)重放大。因此，在進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，要求采用具有響應(yīng)時(shí)間短、且能夠直接補(bǔ)償負(fù)荷的無(wú)功沖擊電流和諧波電流的補(bǔ)償器。 　　有源電力濾波器(APF) 　　要抑制電壓閃變，必須在負(fù)荷電流急劇波動(dòng)的情況下，跟隨負(fù)荷變化實(shí)時(shí)補(bǔ)償無(wú)功電流。近年來(lái)，采用電力晶體管(GTR)和可關(guān)斷晶閘管(GTO)及脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)等構(gòu)成的有源濾波器，可對(duì)負(fù)荷電流作實(shí)時(shí)補(bǔ)償。有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)的SVC完全不同，它采用可關(guān)斷的電力電子器件，基于坐標(biāo)變換原理的瞬時(shí)無(wú)功理論進(jìn)行控制，其作用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負(fù)荷提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)只須向負(fù)荷提供正弦的基波電流。有源電力濾波器與普通SVC相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)時(shí)間快，對(duì)電壓波動(dòng)、閃變補(bǔ)償率高，可減少補(bǔ)償容量;沒(méi)有諧波放大作用和諧振問(wèn)題，運(yùn)行穩(wěn)定;控制強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)控制電壓波動(dòng)、閃變和穩(wěn)定電壓的作用，同時(shí)也能有效地濾除高次諧波，補(bǔ)償功率因數(shù)。