风力发电中的电能质量问题分析

引言

风能是一种清洁的、有可靠成本效益的发电资源,具有很高的环境效益和社会效益。全球市场对于风力发电这样的具有很高环保效益和社会效益的技术有着巨大且持续增长的需求。随着风电技术发展,我国风电装机容量不断上升,风力发电将逐步成为电力系统重要的电力来源。但受自然、技术等因素影响,风力发电引起的电压波动、闪变和谐波等电能质量问题阻碍了其发展。因此,如何控制好风力发电中的电能质量就显得十分重要。

1风力发电系统类型与特点

1.1恒速恒频风力发电系统

恒速恒频风力发电系统,通过保持发电机的转速不变,获得与电网频率一致的电能。其构成相对简单,主要采用同步电机与鼠笼型感应电机作为其发电机。同步电机转速取决于极对数和频率,鼠笼型感应电机转速则稍高于同步转速。其特点是设计简单可靠,造价低,维护量小:缺点是气动效率低,结构负荷高,只能在同步转速下运行,并网操作实现复杂,当风速改变会使其偏离最佳运行转速。

1.2变速恒频风力发电系统

变速恒频风力发电系统是主流的风力发电系统,其风力机采取变速运行,发电机转速随风速变化,通过电力电子变换装置得到恒频电能。在风速变化情况下,通过此系统可以在捕获最大风能的同时调节发电机转速,使其输出最大功率。同时,变速恒频风力发电系统可以调节发出的有功功率和无功功率,能补偿电网的功率因数。此外,该技术还能使发电机组与电力系统之间形成柔性连接。变速恒频风力发电系统相比恒速恒频风力发电系统,更易实现并网操作,具有明显的优越性。

2风力发电对电网电能质量的影响

2.1电压波动和闪变

电压波动指电压方均根值一系列相对快速变动或连续改变的现象。电压波动大小可由相对电压变动特性d来描述:

式中AU一线路首末端电压差:

UN一线路额定电压。

风力发电机组本身与电网结构特点是风电场引起电压波动的主要因素。当风电场运行时,向系统送出有功功率(P>0),风电场出线上的压降为:

式中P一线路有功功率损耗:

O一一线路无功功率损耗:

R一线路电阻:

X一一线路电抗:

U1一线路首端电压。

由式(2)可以看出,当风力发电机输出功率,特别是无功功率波动,风电场出线上的压降会产生波动,导致风电机组端电压以及并网电压波动,从而引起电网电压波动。而闪变现象则是风电机组输出功率波动较大时产生。风电机组的输出功率计算式:

式中P一一输出功率:

p一空气密度:

a一风轮扫风面积:

⑦一风速:

cP(入,8)一风能利用系数,是叶尖速比入和奖距角8的函数。

由式(3)可知,风电机组的输出功率与风速、空气密度有关,其值随风况在零功率和额定功率之间不断波动,其中风速影响更大。由于风电场风速的随机性大,风机功率频繁变化会引起电压频繁波动和闪变。此外,受塔影效应、偏航误差等因素影响,风机叶轮的转矩波动会造成风机输出功率的波动。

2.2谐波

恒速恒频风力发电系统在运行过程中没有电力电子元件参与,故没有谐波产生。软并网装置含有电力电子元件,当机组在工作状态时,将产生部分谐波电流,但因为时间很短可以忽略不计。

变速恒频风力发电系统因要产生恒频电能,采用了大容量电力电子元件,给电网造成了严重的谐波污染,谐波干扰的程度取决于电力电子元件装置的整体设计结构及其安装的滤波装置性能,同时也与电网的短路容量有关。此外,当风力发电机的无功补偿装置与线路电抗产生谐振,对谐波会起到严重的放大作用。

3提高电能质量的措施

3.1电压波动与闪变的抑制技术

供电网络结构、负荷特性以及电力系统短路容量大小是决定电压波动与闪变程度的重要因素。同时,频繁启动功率

较大的电机也会给系统造成很大冲击。因而,抑制电压波动与闪变必然要从选择补偿装置、改善设备性能、提高供电能力等几方面来采取相应措施。一般可通过降压、加设斩波器、串接电阻等方式实现电动机启动特性的改善。通过如架设专用供电线路之类的供电方式的改造,可以有效降低电压波动和闪变问题的严重程度,但需从经济性角度衡量投资与效益的关系。采用快速无功功率补偿装置也能很好抑制电压波动和闪变。

3.2电力谐波抑制技术

随着越来越多敏感负荷对滤波效果要求的提高以及全控型功率器件技术的进步,有源电力滤波器开始受到人们的重视。有源电力滤波器相对于无源滤波器被动吸收固定谐波而言,其能动态产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流,以抵消非线性负荷产生的谐波电流,达到抑制谐波的目的。有源电力滤波器响应速度快,能实现动态跟踪补偿,滤波效果不受系统参数影响的特点,使其成为抑制电力谐波的良好选择。除此之外,电抗器、电容器等其他静止无功补偿装置也能对谐波起到较好的抑制效果。

4结语

风力发电规模迅速扩大,风电场并网是电力系统发展趋势。但风力发电过程中产生的电力谐波、电压波动及闪变等问题,严重影响着风力发电的效率。只有这些问题得到有效解决,才能发挥风力发电效能,使整个发电系统稳定运行。