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風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題研究

文檔作者：黃守道孫延昭黃科元文檔來(lái)源：湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月01日
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第23卷第2期
2008年6月
電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)
JOURNAL OF ELECTRIC POW ER SCIENCE AND TECHNOLOGY
V01．23 No．2
Jun．2008
風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題研究
黃守道，孫延昭，黃科元
(湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410012)
摘 要：針對(duì)不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用不同的并網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行討論和研究，對(duì)并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行
分析，提出相應(yīng)的對(duì)策和解決辦法．
關(guān)鍵詞：風(fēng)能；并網(wǎng)；電壓波動(dòng)；閃變
中圖分類(lèi)號(hào)：TM 315；TM 614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673—9140(2008)02-0013-06
Review on cutting—in strategies of wind power
HUANG Shou—dao，SUN Yan—zhao，HUANG Ke—yuan
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410012，China)
Abstract：This paper made some discussions and researches on different kinds of cutting—in strategies
which used in diferent kinds of wind power generators，analyzed the influence of grid caused by the grid—
connected wind power，and proposed the corresponding strategies and resolutions．
Key words：wind power；cutting—in；voltage fluctuation；flicker
隨著全球化能源危機(jī)日益嚴(yán)重，資源短缺和環(huán)
境惡化，使得世界各國(guó)開(kāi)始重視開(kāi)發(fā)和利用可再生、
無(wú)污染的能源．風(fēng)能作為一種綠色能源有著改善能
源結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)能源發(fā)展的
一個(gè)趨勢(shì)．
近年來(lái)，風(fēng)力發(fā)電在技術(shù)上日趨成熟，商業(yè)化應(yīng)
用不斷提高，同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電的成本也在不斷降低，
這為充分利用風(fēng)能提供了諸多有利條件．大規(guī)模風(fēng)
力發(fā)電必須要實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行，然而，隨著風(fēng)電場(chǎng)的容
量越來(lái)越大，對(duì)電網(wǎng)的影響也越來(lái)越明顯，研究風(fēng)力
發(fā)電并網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)的影響已成為重要課題．一般風(fēng)力
資源豐富的地區(qū)往往人口稀少，處于供電網(wǎng)絡(luò)的末
端，承受沖擊的能力較弱，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在持續(xù)運(yùn)行
和切換操作過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變，給當(dāng)
地電網(wǎng)的電能質(zhì)量及穩(wěn)定性造成不良影響．因此，風(fēng)
電機(jī)組的并網(wǎng)問(wèn)題正逐漸成為新的研究熱點(diǎn)，引起
人們的廣泛關(guān)注．本文對(duì)發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制以及風(fēng)
電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的影響等問(wèn)題進(jìn)行了討論．
收稿日期：2008-05-28
基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(754202004)
作者簡(jiǎn)介：黃守道(1962一)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究
通訊作者：黃守道，男，教授，博士生導(dǎo)師；E—mail：shoudaohuang@tom．con
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14 電 力 科 學(xué) 與 技’術(shù) 學(xué) 報(bào) 2008年6月
1 風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)
1．1 恒速恒頻發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)
早期的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，大多采用恒速恒頻發(fā)
電機(jī)組，對(duì)于恒速恒頻發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)，根據(jù)發(fā)電機(jī)
種類(lèi)不同，采用不同的并網(wǎng)方法．
1)同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行．
由于同步發(fā)電機(jī)本身固有的特性，將其移植到
風(fēng)電機(jī)組中使用時(shí)，效果不甚理想，這是由于風(fēng)速隨
機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩很不穩(wěn)定，使得并網(wǎng)時(shí)
其調(diào)速性能很難達(dá)到期望的精度，若不進(jìn)行有效地
控制，常會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的無(wú)功振蕩和失步，對(duì)系統(tǒng)造成
嚴(yán)重影響 j．同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制如下：當(dāng)風(fēng)速
超過(guò)切入風(fēng)速時(shí)，啟動(dòng)風(fēng)電機(jī)組，當(dāng)發(fā)電機(jī)被帶到接
近同步速時(shí)，啟動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁，使發(fā)
電機(jī)的端電壓接近電網(wǎng)電壓．在幾乎達(dá)到同步速時(shí)，
檢測(cè)出斷路器兩側(cè)電位差，當(dāng)其為零或非常小時(shí)，合
閘并網(wǎng)，此時(shí)只要接近同步轉(zhuǎn)速，就可使并網(wǎng)瞬態(tài)電
流減至最小，因而發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)受到的沖擊也最
?。箫L(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)
頻率偏差達(dá)到容許值時(shí)方可并網(wǎng)，因此對(duì)調(diào)節(jié)器的
要求較高．
2)異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行．
異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，靠轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整負(fù)荷，對(duì)機(jī)
組調(diào)速要求不高，可直接并網(wǎng)，也可通過(guò)晶閘管調(diào)壓
裝置與電網(wǎng)相連接，然而，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)存在一些
特殊的問(wèn)題，如直接并網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大沖擊電流，造成
電壓大幅度下降，會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全構(gòu)成威脅；本身不發(fā)
無(wú)功功率，需要無(wú)功補(bǔ)償；當(dāng)輸出功率超出其最大轉(zhuǎn)
矩所對(duì)應(yīng)的功率會(huì)引起網(wǎng)上飛車(chē)等等．因此運(yùn)行時(shí)
必須嚴(yán)格監(jiān)視并采取相應(yīng)的有效措施才能保障風(fēng)力
發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行．
目前國(guó)內(nèi)外采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)方
式主要有以下幾種：
① 直接并網(wǎng)方式，采用這種方式時(shí)只要發(fā)電機(jī)
轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)即可并網(wǎng)．
② 準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式，在轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，先
用電容勵(lì)磁，建立額定電壓，然后對(duì)已建立的發(fā)電機(jī)
電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步，當(dāng)發(fā)
電機(jī)的電壓，頻率，相位與系統(tǒng)一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投
入電網(wǎng)運(yùn)行．
③ 降壓并網(wǎng)方式，為了抑制并網(wǎng)時(shí)的沖擊電
流，可在異步電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電感器，使系統(tǒng)電
壓不致下跌過(guò)大，并網(wǎng)后穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，再將其短接．
對(duì)于較大型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，目前比較先進(jìn)的
并網(wǎng)方法是采用雙向晶閘管控制的軟切入法．當(dāng)發(fā)
電機(jī)達(dá)到同步速附近時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出端的短路器閉
合，發(fā)電機(jī)組通過(guò)雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，雙向晶閘
管觸發(fā)角由180。一0o逐漸打開(kāi)，雙向晶閘管的導(dǎo)通
角由0o一180。通過(guò)電流反饋對(duì)雙向晶閘管導(dǎo)通角
控制，將并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流限定在額定電流1．5倍
以?xún)?nèi)，從而得到一個(gè)比較平滑的并網(wǎng)過(guò)程．瞬態(tài)過(guò)程
結(jié)束后，微處理機(jī)發(fā)出信號(hào)，利用一組開(kāi)關(guān)將雙向晶
閘管短接，完成并網(wǎng)過(guò)程(圖1)．
風(fēng)
電網(wǎng)
圖1 感應(yīng)發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)框圖
Figure 1 Diagram of induction generator soft cut—in
1．2 變速恒頻發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)
隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，變速恒頻發(fā)電機(jī)組
已成為大型并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主流機(jī)型．相對(duì)于
恒速恒頻發(fā)電機(jī)組，變速恒頻發(fā)電機(jī)組最為重要的
一個(gè)優(yōu)勢(shì)就是能在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)保持最佳葉尖
速比，從而使風(fēng)能利用系數(shù)c 保持最大值不變，以
捕獲最大風(fēng)能，提高發(fā)電機(jī)組的效率．
1)雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的并網(wǎng)．
交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電方案是通過(guò)
在雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相交流電進(jìn)行勵(lì)磁，調(diào)節(jié)
勵(lì)磁電流幅值，頻率和相位，以實(shí)現(xiàn)定子側(cè)恒頻恒壓
輸出(圖2)．
在雙饋風(fēng)電系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)與網(wǎng)側(cè)是柔性連接
關(guān)系，可通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流實(shí)現(xiàn)軟并網(wǎng)，避免并
網(wǎng)時(shí)發(fā)生的電流沖擊和過(guò)大的電壓波動(dòng)．
目前，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要
有空載并網(wǎng)，帶獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)，孤島并網(wǎng) ．
空載并網(wǎng)方式并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)不帶負(fù)載，不參與
能量和轉(zhuǎn)速的控制．為了防止在并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)的能
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第23卷第2期 黃守道，等：風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題研究 15
量失衡而引起的轉(zhuǎn)速失控，應(yīng)由原動(dòng)機(jī)來(lái)控制發(fā)電
機(jī)組的轉(zhuǎn)速．文獻(xiàn)[3]介紹了雙饋電機(jī)空載并網(wǎng)控
制，將矢量變換技術(shù)移植到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制上，提出
了一種基于定子磁鏈定向方式的空載并網(wǎng)控制策
略．圖3給出了該種控制策略的控制框圖．
風(fēng)
電網(wǎng)
圖2 交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)變速恒頻發(fā)電框圖
Figure 2 Diagram of the DFIG wind
power generation s~tem
圈3 變速恒頻發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制框圖
Figure 3 Control of VSCF generator cut--in with no--load
帶獨(dú)立負(fù)載并網(wǎng)方式并網(wǎng)前接有負(fù)載，發(fā)電機(jī)
參與原動(dòng)機(jī)的能量控制，表現(xiàn)在一方面改變發(fā)電機(jī)
的負(fù)載、調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的能量輸出，另一方面在負(fù)載一
定的情況下，改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，改變能量在電
機(jī)內(nèi)部的分配關(guān)系．前一種作用實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)能量
的粗調(diào)，后一種實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)能量的細(xì)調(diào)．帶獨(dú)立負(fù)
載并網(wǎng)方式，發(fā)電機(jī)具有一定的能量調(diào)節(jié)作用，可與
原動(dòng)機(jī)配合實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，降低了對(duì)原動(dòng)機(jī)調(diào)速
能力的要求，但控制復(fù)雜，需要進(jìn)行電壓補(bǔ)償和檢測(cè)
更多的電壓、電流量．
孤島并網(wǎng)方式工作過(guò)程如下：首先進(jìn)行預(yù)充電
過(guò)程，當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，而且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到勵(lì)磁范圍
時(shí)(可定為50％)開(kāi)始勵(lì)磁．電網(wǎng)從預(yù)充電變壓器經(jīng)
直流整流器向雙PWM變流器的直流母線(xiàn)電容充
電，用以激勵(lì)整個(gè)系統(tǒng)．控制器通過(guò)控制電機(jī)側(cè)的逆
變器使雙饋電機(jī)定子發(fā)電電壓達(dá)到額定值．當(dāng)定子
電壓達(dá)到額定值時(shí)，發(fā)電機(jī)定子輸出和轉(zhuǎn)子輸入與
雙PWM逆變器分別連接，形成一個(gè)獨(dú)立能量環(huán)路
通道，控制器通過(guò)網(wǎng)側(cè)逆變器將直流母線(xiàn)電壓調(diào)節(jié)
到額定值．當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)將
調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓同步，實(shí)現(xiàn)同步后，并網(wǎng)
發(fā)電．
文獻(xiàn)[4]詳細(xì)介紹了孤島并網(wǎng)方式的工作思路
和原理，并分別給出了電機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器
的具體控制方案．
2)同步發(fā)電機(jī)交一直一交系統(tǒng)并網(wǎng)．
由于風(fēng)速的隨機(jī)性，輸入到發(fā)電機(jī)的能量也在
不斷地變化，然而，同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和電網(wǎng)頻率之
間是剛性耦合的，不可直接并網(wǎng)．現(xiàn)在一般采取的方
法是在同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間采用交一直一交變頻
系統(tǒng)，使得這一問(wèn)題得到解決，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：
① 由于采用交一直一交變頻系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)組
工作頻率與電網(wǎng)頻率相互獨(dú)立，因此不必?fù)?dān)心并網(wǎng)
時(shí)可能出現(xiàn)的失步問(wèn)題．發(fā)電機(jī)可以運(yùn)行在不同轉(zhuǎn)
速下，最大限度地捕捉風(fēng)能．
② 采用變頻裝置進(jìn)行輸出控制，并網(wǎng)時(shí)沒(méi)有電
流沖擊，對(duì)系統(tǒng)幾乎沒(méi)有影響．
目前在變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域中，直驅(qū)永磁同步發(fā)
電機(jī)組較受歡迎 (圖4)．永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，
沒(méi)有勵(lì)磁繞組，節(jié)省了電機(jī)的用銅量，無(wú)電刷，無(wú)滑
環(huán)，消除了轉(zhuǎn)子損耗，運(yùn)行可靠．直驅(qū)永磁同步發(fā)電
機(jī)與風(fēng)力機(jī)直接耦合，省去了變速箱，提高可靠性，
減少系統(tǒng)噪聲，降低了維護(hù)成本．是未來(lái)風(fēng)電機(jī)組發(fā)
展的一個(gè)重要方向．
3)輕型直流輸電技術(shù)(HVDC Light)在風(fēng)力發(fā)
風(fēng)
圖4 采用交一直一交變頻系統(tǒng)的
直驅(qū)永磁同步發(fā)電系統(tǒng)框圖
Figure 4 Diagram of direct—drive permanent magnet
synchronous generation system using AC—DC—AC converter
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l6 電 力 科 學(xué) 與 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2008年6月
電系統(tǒng)中的應(yīng)用．
輕型直流輸電(HVDC Light)技術(shù)是在電壓源
換流器(VSC)技術(shù)和全控型功率器件(GTO、IGBT、
IGCT等)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種直流輸電新技
術(shù) ，7_，與傳統(tǒng)直流輸電比較，具有采用無(wú)源逆變工
作方式，克服了傳統(tǒng)直流輸電受端必須是有源網(wǎng)絡(luò)
的根本缺陷；可以實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的獨(dú)立控制，控制
靈活方便；不需要交流側(cè)無(wú)功功率，能夠?qū)崿F(xiàn)靜止無(wú)
功補(bǔ)償功能；交流側(cè)電流可控，不會(huì)增加系統(tǒng)短路容
量；通過(guò)采用PWM控制技術(shù)，有效減少了濾波裝置
容量；易于構(gòu)成與交流系統(tǒng)相同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多端直
流系統(tǒng)，運(yùn)行方式靈活多變等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)
(尤其是海上風(fēng)電場(chǎng))與電網(wǎng)或用戶(hù)連接的理想輸
電方式．
輕型直流輸電作為一種經(jīng)濟(jì)、靈活、高質(zhì)量的輸
電方式，已用于國(guó)外許多直流輸電工程中，并產(chǎn)生了
良好的輸電及環(huán)保效益 J．如在瑞典建成的歷史上
第1個(gè)實(shí)驗(yàn)性HVDC Light工程一赫爾斯揚(yáng)
(Hellsjon)試驗(yàn)工程，瑞典的果蘭特(Gotland)工程，
以及在丹麥、澳大利亞和美國(guó)建起的示范性工程．基
于目前HVDC Light技術(shù)的不斷成熟，以及風(fēng)電的遠(yuǎn)
距離傳輸?shù)囊?，將HVDC Light應(yīng)用于風(fēng)電的運(yùn)送
傳輸中具有很好的前景．
2 風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響
隨著越來(lái)越多的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，風(fēng)力發(fā)電
對(duì)電網(wǎng)的影響也越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注．風(fēng)力
發(fā)電原動(dòng)力是不可控的，它的出力大小決定于風(fēng)速
的狀況．從電網(wǎng)的角度看，并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組相當(dāng)
于一個(gè)具有隨機(jī)性的擾動(dòng)源，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量和
穩(wěn)定性等方面造成影響．
2．1 對(duì)電能質(zhì)量的影響
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，如電壓波動(dòng)和閃變，諧波污染等問(wèn)題 ]．
1)電壓波動(dòng)和閃變．
電壓波動(dòng)和閃變是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)
量的主要負(fù)面影響之一．并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在持續(xù)運(yùn)行
和切換操作過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變 J．文
獻(xiàn)[10]給出了風(fēng)電機(jī)組在持續(xù)運(yùn)行和切換操作期
間引起的閃變值和相對(duì)電壓變動(dòng)的計(jì)算公式．
引起電壓波動(dòng)和閃變的因素很多，如風(fēng)速，風(fēng)電
機(jī)組類(lèi)型，控制系統(tǒng)以及風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)的短
路容量，電網(wǎng)線(xiàn)路X／R比和公共連接點(diǎn)所連的負(fù)荷
特性等 加 ．
風(fēng)速，尤其是平均風(fēng)速和湍流強(qiáng)度對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)
和閃變影響很大．隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的
電壓波動(dòng)和閃變也不斷增大．湍流強(qiáng)度對(duì)電壓波動(dòng)
和閃變的影響幾乎成正比例增長(zhǎng)．
并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組類(lèi)型和控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的電
能質(zhì)量影響很大．變速風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生的電壓波
動(dòng)和閃變水平遠(yuǎn)低于恒速風(fēng)電機(jī)組，幾乎是恒速風(fēng)
電機(jī)組的1／4．
并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)短路比和電網(wǎng)線(xiàn)路
X／R比是影響風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變的
重要因素．風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)短路比越大，風(fēng)電機(jī)
組引起的電壓波動(dòng)和閃變?cè)叫?．合適的X／R比
可以使有功功率引起的電壓波動(dòng)被無(wú)功功率引起的：
電壓波動(dòng)補(bǔ)償?shù)?，從而使整個(gè)平均閃變值有所減輕．
并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組在啟動(dòng)、停止、和發(fā)電機(jī)切換過(guò)程
中也產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變．文獻(xiàn)[12]分別計(jì)算了恒
速定槳距和恒速變槳距風(fēng)電機(jī)組在切換操作過(guò)程中
產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變，并與持續(xù)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生
的電壓波動(dòng)和閃變作了比較．
2)諧波污染問(wèn)題．
諧波會(huì)造成供電質(zhì)量變差，使得電網(wǎng)功率因數(shù)
降低．風(fēng)電系統(tǒng)中諧波的影響主要有：增加發(fā)電機(jī)的
銅損和鐵損，引起電容器組和變壓器的發(fā)熱故障，控
制電路受影響，傳感器測(cè)不準(zhǔn)等．風(fēng)電給系統(tǒng)中諧波
產(chǎn)生的途徑主要有2種_】 ：一種是風(fēng)力本身配備的
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，通常可以忽略．但是對(duì)于變速風(fēng)機(jī)組，其轉(zhuǎn)速
控制系統(tǒng)采用了電力電子裝置，當(dāng)它將電能輸送給
電網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波．隨著電力電子器件的不斷改進(jìn)，
脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)的采用有效地抑制了電力電
子器件帶來(lái)的諧波．另一種是風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容
器可能和線(xiàn)路電抗發(fā)生諧振，產(chǎn)生諧波．
2．2 對(duì)穩(wěn)定性的影響
風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)通常接人電網(wǎng)的末端，改變了配
電網(wǎng)功率單向流動(dòng)的特點(diǎn)，使潮流流向和分布發(fā)生
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第23卷第2期 黃守道，等：風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題研究 17
改變，這在原有電網(wǎng)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)是沒(méi)有預(yù)先考
慮的．當(dāng)風(fēng)電注入功率增大時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)附近局部電網(wǎng)
的電壓和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率可能會(huì)超出安全范圍，嚴(yán)重時(shí)
會(huì)導(dǎo)致電壓崩潰．
在異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)中，風(fēng)電系統(tǒng)在向電網(wǎng)
注入功率的同時(shí)需要從電網(wǎng)吸收大量的無(wú)功功率．
因此，為了補(bǔ)償風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功功率，每臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)
都配有功率因數(shù)校正裝置，目前常用的是分組投切
的并聯(lián)電容器．電容器的無(wú)功補(bǔ)償量的大小與接人
點(diǎn)電壓的平方成正比，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平較低時(shí)，并聯(lián)
電容器的無(wú)功補(bǔ)償量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)
的無(wú)功需求上升，進(jìn)一步惡化電壓水平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造
成電壓崩潰．
由于異步發(fā)電機(jī)的功率恢復(fù)特性，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生
短路故障時(shí)，若故障排除不及時(shí)，也將容易導(dǎo)致暫態(tài)
電壓失穩(wěn)．另外，隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，風(fēng)電
場(chǎng)在系統(tǒng)中所占的比例不斷增加，風(fēng)電輸出的不穩(wěn)
定性對(duì)電網(wǎng)的功率沖擊效應(yīng)也不斷增大，對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)
定性的影響就更加顯著，嚴(yán)重情況下，將會(huì)使系統(tǒng)失
去動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的瓦解．
3 改善風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)性能的一些措施
風(fēng)力發(fā)電是一種新型的能源，具有廣泛的社會(huì)
效益和經(jīng)濟(jì)效益，但是風(fēng)電系統(tǒng)的并網(wǎng)給電網(wǎng)的質(zhì)
量和穩(wěn)定性等方面帶來(lái)了諸多負(fù)面影響．因此，采取
科學(xué)的方法來(lái)改善風(fēng)電并網(wǎng)性能具有重要的現(xiàn)實(shí)意
義和經(jīng)濟(jì)意義．
1)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)．
利用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)減小風(fēng)力發(fā)電功
率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響．風(fēng)電場(chǎng)是一個(gè)發(fā)出有功
功率、吸收無(wú)功功率的特殊元件，風(fēng)電場(chǎng)的電壓往
往很低，利用svC改善系統(tǒng)電能質(zhì)量和提高系統(tǒng)的
穩(wěn)定性是一個(gè)有效的措施．目前TRC—FC型SVC在
國(guó)內(nèi)外風(fēng)電場(chǎng)已得到了廣泛的應(yīng)用．
2)有源電力濾波器(aPS)．
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，有效地抑制了電
壓波動(dòng)和閃變．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)只需向負(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)．
3)超導(dǎo)儲(chǔ)能裝置(SMES)．
通過(guò)采用基于GTO 的雙橋結(jié)構(gòu)換流裝置，
SMES可以在四象限靈活地調(diào)節(jié)有功和無(wú)功功率，
為系統(tǒng)提供功率補(bǔ)償，跟蹤電氣量的波動(dòng)．充分利
用SMES有功無(wú)功綜合調(diào)節(jié)能力，可以降低風(fēng)電場(chǎng)
輸出功率的波動(dòng)，穩(wěn)定風(fēng)電場(chǎng)電壓，提高系統(tǒng)的穩(wěn)
定性．SMES是一種有源的補(bǔ)償裝置，與SVC相比其
無(wú)功補(bǔ)償量對(duì)接人點(diǎn)電壓的依賴(lài)程度小，在低電壓
時(shí)的補(bǔ)償效果更好H ．
4 結(jié)論
由于風(fēng)能的可再生性、無(wú)污染性，且資源豐富，
在常規(guī)能源日趨緊張的今天，風(fēng)能的開(kāi)發(fā)和利用越
來(lái)越受到人們的矚目．風(fēng)力發(fā)電是21世紀(jì)發(fā)展最快
的一種可再生能源，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在興起的短短20
多年時(shí)間里，已經(jīng)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電
技術(shù)不斷成熟，從早期的恒速恒頻發(fā)展到現(xiàn)在的變
速恒頻，在電機(jī)的使用上，雙饋電機(jī)已經(jīng)取代感應(yīng)電
機(jī)，極大地提高了機(jī)組的效率，但雙饋異步發(fā)電機(jī)要
通過(guò)齒輪變速箱增速，這樣也造成了風(fēng)力發(fā)電機(jī)可
靠性差、效率低等缺點(diǎn)，因此很多公司紛紛推出基于
永磁低速同步電動(dòng)機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組．
當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正朝著大型化、直驅(qū)化、永磁
化方向發(fā)展，機(jī)組大型化有利于減少占地，降低并網(wǎng)
成本和單位功率造價(jià)；機(jī)組直驅(qū)化簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，
提高了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率，減少系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用；機(jī)組永磁
化可以減小體積，同時(shí)還可以省去電刷和集電環(huán)等
易耗機(jī)械部件，提高了系統(tǒng)的可靠性．可以預(yù)見(jiàn)，直
驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)組是未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)重要方向．
隨著風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的不斷增大，與風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)有
關(guān)的電能質(zhì)量問(wèn)題，穩(wěn)定性問(wèn)題正逐漸成為新的研
究熱點(diǎn)，吸引著越來(lái)越多的研究機(jī)構(gòu)和科研人員從
事風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)的研究和咨詢(xún)工作．
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l8 電 力 科 學(xué) 與 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2008年6月
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