摘 要: 介绍了风力机组并网技术和风力发电机并网及运行试验, 分析了风力发电机组并网对电网电能质量的影响, 探讨了引起波动和闪变的机理及闪变测量模型, 论述了电压波动与闪变的抑制方法. 风力发电是21世纪发展最快的一种可再生能源, 随着风电场的容量越来越大, 对系统的影响也越来越明显, 研究风电并网对系统的影响已成为重要课题. 早期风电的单机容量较小, 大多采用结构简单、并网方便的异步发电机, 直接和配电网相连. 而风电场所在地区往往人口稀少, 处于供电网络的末端, 承受冲击的能力很弱, 因此, 风电很有可能给配电网带来谐波污染、电压波动及闪变问题, 风电的随机性给发电和运行计划的制定带来很多困难. 本文主要介绍了风力机组并网技术和风力发电机并网及运行试验, 分析了风力发电机组并网对电网电能质量的影响, 深入探讨了引起波动与闪变的机理和闪变测量模型, 并详细论述了电压波动与闪变的抑制方法.

1 风力发电机组的并网技术

交流发电机并网条件是发电机输出的电压与电网电压在幅值、频率以及相位上完全相同. 随着风力发电机组单机容量的增大, 在并网时对电网的冲击也越大. 这种冲击严重时不仅会引起电力系统电压的大幅度下降, 还可能对发电机和机械部件(塔架、桨叶、增速器等)造成损坏. 如果并网冲击时间持续过长, 还可能使系统瓦解或威胁其他挂网机组的正常运行. 因此, 采用合理的并网技术是一个不容忽视的问题[ 1] .

1. 1 同步风力发电机组并网技术

同步发电机在运行中, 既能输出有功功率, 又能提供无功功率, 且周波稳定, 电能质量高, 已被电力系统广泛采用. 然而, 将其移植到风力发电机组上使用时却不很理想. 这是因为风速时大时小,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. 因而在相当长的时间内, 国内外风力发电机组很少采用同步发电机. 但近年来随着电力电子技术的发展, 在同步发电机与电网之间采用变频装置, 可从技术上解决这些问题, 因此, 采用同步发电机的方案又引起了人们的重视.

1. 2 异步风力发电机组并网技术

异步风力发电机投入运行时, 由于靠转差率来调整负荷, 因此对机组的调速精度要求不高, 不需要同步设备和整步操作, 只要转速接近同步转速时, 就可并网. 显然, 风力发电机组配用异步发电机不仅控制装置简单, 而且并网后也不会产生振荡和失步, 运行非常稳定.

然而, 异步风力发电机并网也存在一些特殊问题, 如直接并网时产生的过大冲击电流会造成电压大幅度下降, 对系统安全运行构成威胁; 本身不发无功功率, 需要无功补偿; 过高的系统电压会使其磁路饱和, 无功激磁电流大量增加, 定子电流过载, 功率因数大大下降; 不稳定系统的频率过于上升, 会因同步转速上升而引起异步发电机从发电状态变成电动状态, 不稳定系统的频率过大下降, 又会使异步发电机电流剧增而过载等. 因此,必须严格监视并采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的安全运行. 目前, 国内外采用的异步发电机的风力发电机组并网方式主要有直接并网法、准同期并网方式、降压并网方法、捕捉式准同步快速并网和软并网等.

2 风力发电机并网及运行试验

国标GB /T 19070- 2003(风力发电机组控制器试验方法)规定了并网型风力发电机组控制器试验条件、试验方法及与电网并联运行相应的规范[ 2] . 发电机并网及运行试验主要包括软并网功能试验、补偿电容投切试验、小电机大电机切换试验和大电机小电机切换试验.

( 1)软并网功能试验 将机组主轴升速, 当异步发电机转速接近同步速(约为同步速的92%~ 99% )时, 并网接触器动作, 发电机经一组双向晶闸管与电网连接, 控制晶闸管的触发单元, 使双向晶闸管的导通角由0b至180b逐渐增大, 调整晶闸管导通角打开的速率, 使并网过程中的冲击电流不大于技术条件的规定值. 暂态过程结束时, 旁路开关闭合, 将晶闸管短接.

( 2)补偿电容投切试验 在机组并网运行时, 通过调整发电机输出功率, 在不同负载下观察电容补偿投切动作是否正常.

( 3)小电机大电机切换试验 在机组并网运行时, 通过由小到大增加发电机负载功率, 观察小电机大电机切换过程.

( 4)大电机小电机切换试验 在机组并网运行时, 通过由大到小减少发电机负载功率, 观察大电机小电机切换过程.

在上述试验过程中, 通过瞬态记录器记录波形参数及并网过程中的冲击电流值, 同时观察并网接触器和旁路接触器及电容补偿投切动作是否正常.