風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計

第一章 緒論風(fēng)能是一種清潔的、儲量極為豐富的可再生能源，它和存在于自然界的礦物質(zhì)燃料能源，如煤、石油、天然氣等不同，它不會隨著其本身的轉(zhuǎn)化和利用而減少，因此可以說是一種取之不盡、用之不竭的能源。而礦物質(zhì)燃料儲量有限，正在日趨減少，況且其帶來的嚴(yán)重的污染問題和溫室效應(yīng)正越來越困擾著人們。因此風(fēng)力發(fā)電正越來越引起人們的關(guān)注。11風(fēng)力發(fā)電概述1.1風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀與展望全球風(fēng)能資源極為豐富，技術(shù)上可以利用的資源總量估計約53106億kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國的高度重視。近20年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進步，發(fā)展速度驚人。而風(fēng)能售價也已能為電力用戶所承受：一些美國的電力公司提供給客戶的風(fēng)電優(yōu)惠售價已達到22.5美分/kWh，此售價使得美國家庭有25%的電力可以通過購買風(fēng)電獲得。2004年歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織簽署了風(fēng)力12關(guān)于2020年風(fēng)電達到世界電力總量的12%的藍圖的報告，“風(fēng)力12%”的藍圖展示出風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)成為解決世界能源問題的不可或缺的重要力量。按照風(fēng)電目前的發(fā)展趨勢，預(yù)計20082012年期間裝機容量增長率為20%，以后到2015年期間為15%，20172020年期間為10%。其推算的結(jié)果2010年風(fēng)電裝機1.98億KW，風(fēng)電電量0.43104億kWh，2020年風(fēng)電裝機12.45億KW，風(fēng)電電量3.05104億kWh，占當(dāng)時世界總電消費量25.58104億kWh的11.9%。2世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點：（1）風(fēng)電單機容量不斷擴大。風(fēng)電機組的技術(shù)沿著增大單機容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。風(fēng)機的單機容量已從600KW發(fā)展到20005000KW,如德國在北海和易北河口已批量安裝了單機5000KW的風(fēng)機,丹麥已批量建設(shè)了單機容量20002200KW的風(fēng)機。新的風(fēng)電機組葉片設(shè)計和制造廣泛采用了新技術(shù)和新材料，有效地改善并提高了風(fēng)力發(fā)電總體設(shè)計能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機的采用,使機組更能適應(yīng)風(fēng)速的變化, 大大提高了效率。最近,又發(fā)展了無齒風(fēng)機等,進一步提高了安全性和效率。（2）風(fēng)電制造企業(yè)集中度較高。目前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國家，全世界風(fēng)電機組供應(yīng)商的前10位供應(yīng)了世界新增裝機容量的90% 以上的份額，集中度比較高。近來，GE風(fēng)能（GE Wind Energy）、德國REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場份額提高迅速。 （3）風(fēng)電電價快速下降。由于新技術(shù)的運用，風(fēng)電的電價呈快速下降趨勢，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國為例，風(fēng)電機組的造價和發(fā)電成本正逐年降低，達到可與常規(guī)發(fā)電設(shè)備不相上下的水平。有關(guān)專家預(yù)測，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。中國的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國900多個氣象站的觀測資料進行估計，中國陸地風(fēng)能資源總儲量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲量為2.53億KW，而海上的風(fēng)能儲量有7.5億KW，總計為10億KW。我國的風(fēng)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個階段。 第一階段是19861990年我國并網(wǎng)風(fēng)電項目的探索和示范階段。其特點是項目規(guī)模小，單機容量小，最大單機200KW，總裝機容量4.2千KW。 第二階段是19911995年示范項目取得成效并逐步推廣階段。共建5個風(fēng)電場，安裝風(fēng)機131臺，裝機容量3.3萬KW，最大單機500KW。第三階段是1996年后擴大建設(shè)規(guī)模階段。其特點是項目規(guī)模和裝機容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機容量6.18萬KW，最大單機容量達到1300KW。隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴大，風(fēng)力發(fā)電機的功率在向大型化方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽產(chǎn)業(yè)必將蓬勃發(fā)展，成為將來能源供給的支柱產(chǎn)業(yè)。1.2風(fēng)能發(fā)電的原理和特點風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機械。風(fēng)輪是風(fēng)電機組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化電能。然后在依據(jù)具體要求需要，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q將其存儲為化學(xué)能或者并網(wǎng)或者直接為負(fù)載供電。3風(fēng)力發(fā)電有如下特點（1）可再生，且清潔無污染。（2）風(fēng)速隨時變化，風(fēng)電機組承受著十分惡劣的交變載荷。（3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會給電網(wǎng)或負(fù)載帶來一定的沖擊影響。風(fēng)力發(fā)電的運行方式主要有兩種：一類是獨立運行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達的地區(qū)，用小型發(fā)電機組為蓄電池充電，再通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電向終端電器供電；另一類是作為常規(guī)電網(wǎng)的電源，與電網(wǎng)并聯(lián)運行。1.3風(fēng)力發(fā)電機分類及結(jié)構(gòu)風(fēng)力機經(jīng)過多年的發(fā)展和演變，已經(jīng)有很多形式，但是歸納起來，可分為兩類：水平軸風(fēng)力機和垂直軸風(fēng)力機。風(fēng)力機風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸與地面呈水平狀態(tài)稱為水平軸風(fēng)力機如圖1-1；水平軸風(fēng)力機主要由葉片、輪轂、機艙、塔架構(gòu)成。常見的風(fēng)力機有由三個葉片，葉片安裝在輪轂上構(gòu)成風(fēng)輪，風(fēng)吹風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)帶動機艙內(nèi)的發(fā)電機發(fā)電，塔架是整個風(fēng)力機的支撐其結(jié)構(gòu)圖如圖1-2 圖1-1水平軸風(fēng)力機圖1-2水平軸風(fēng)力機結(jié)構(gòu)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軸垂直與地面或氣流方向稱為垂直軸風(fēng)力機如圖1-3圖1-3垂直軸風(fēng)力機1.4風(fēng)力機的氣動原理風(fēng)力發(fā)電機組主要利用氣動升力的風(fēng)輪。氣動升力是由飛行器的機翼產(chǎn)生的一種力，如圖1-4。圖1-4氣動升力圖從圖可以看出，機翼翼型運動的氣流方向有所變化，在其上表面形成低壓區(qū)，在其下表面形成高壓區(qū)，產(chǎn)生向上的合力，并垂直于氣流方向。在產(chǎn)生升力的同時也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會有所下降。升力總是推動葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動1.5風(fēng)力機的功率風(fēng)的動能和風(fēng)速的平方成正比，功率是力和速度的乘積，也可用于風(fēng)輪功率的計算。風(fēng)力與速度平方成正比，所以風(fēng)的功率與風(fēng)度的三次方成正比。如果風(fēng)速增加一倍，風(fēng)的功率便會增加8倍。風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： (21) (22)式中：P為輸出功率，為風(fēng)輪機的功率系數(shù)，為空氣密度，R為風(fēng)輪半徑，v為風(fēng)速。眾所周知，如果接近風(fēng)力機的空氣全部動能都被風(fēng)力機全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機的效率總是小于12風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)相關(guān)問題 由于扮能的特殊性,與常規(guī)的水火電系統(tǒng)相比風(fēng)電系統(tǒng)具有很大的差別,風(fēng)能的隨機性風(fēng)能也就是隨機的和不可控制的。風(fēng)力機轉(zhuǎn)動慣量大，風(fēng)能密度分布相對比較低,為了盡可能捕獲較多的風(fēng)能,風(fēng)力機轉(zhuǎn)動的葉片直徑必須做的很大,顯然,巨大的轉(zhuǎn)子葉片的直徑,必然使得風(fēng)力機具有較大的轉(zhuǎn)動慣量。為了有效的轉(zhuǎn)換風(fēng)能,風(fēng)力機轉(zhuǎn)子由于受到風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率理論極限值是的限制,葉尖速率比入不可能很大,風(fēng)力機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的速度不會很高,與發(fā)電機轉(zhuǎn)動的速度相差比較大,發(fā)電機與風(fēng)力機之間不能直接相連,必須通過一定變比的升速齒輪箱進行傳動。這樣發(fā)電機與風(fēng)力機之間的剛性度大大降低。換句話說,風(fēng)力機和發(fā)電機兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的異步發(fā)電機。 目前,大規(guī)模的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一般采用異步發(fā)電機直接并網(wǎng)的運行方式。通常機端配備有補償電容器組,以提供異步發(fā)電機在啟動和運行時所需要的激磁無功。異步發(fā)電機的頻率由大系統(tǒng)來決定,風(fēng)能的變化將引起異步發(fā)電機轉(zhuǎn)差的變化,相應(yīng)地其注入電網(wǎng)的有功和吸收的無功也要隨著風(fēng)速的變化而變化,這將導(dǎo)致系統(tǒng),特別是風(fēng)電場附近電網(wǎng)母線電壓的波動,嚴(yán)重時還可能引起電壓閃變。隨著電力電子的發(fā)展,新型的風(fēng)力發(fā)電機可以選用變速恒頻雙饋異步發(fā)電機,則無須配備補償電容器組。這種變速恒頻雙饋異步發(fā)電機不僅能發(fā)有功功率,而且還能發(fā)無功功率,且能方便地調(diào)節(jié)有功功率和無功功率使得風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較好的性能。風(fēng)電場并網(wǎng)面臨的一些技術(shù)問題隨著風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的不斷擴大,風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例越來越大,風(fēng)電場的并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的電能質(zhì)量!安全穩(wěn)定等諸多方面的負(fù)面影響也隨著風(fēng)電場規(guī)模的擴大變得愈加明顯,成為制約風(fēng)電場容量和規(guī)模的嚴(yán)重障礙。主要面臨下面一些技術(shù)問題2.1并網(wǎng)方式 早期的風(fēng)電場采用的是小型恒速風(fēng)力發(fā)電機，它的優(yōu)點在于并網(wǎng)研究相對簡單，因為感應(yīng)電機的自然滑動可以輕易的獲得很大的阻尼，往往只需增加少量的額定功率既可產(chǎn)生很好效果；缺點在于它必然受困于電抗儲能與釋放能量的延時性同并網(wǎng)的瞬時性之間的矛盾。但目前這個問題已經(jīng)得到解決，因為我們總可以通過吸收電抗儲能的方法來限制電路中的電壓升高。但是隨著發(fā)展，尤其是為風(fēng)力發(fā)電機中同步發(fā)電機的出現(xiàn)，對于如何并網(wǎng)提出了很高的要求。對此人們提出了大量設(shè)計方案，例如在驅(qū)動裝置上采用了可拆卸元件，或是使用彈簧調(diào)節(jié)器來反應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子和變速箱結(jié)構(gòu)。在適當(dāng)?shù)墓β氏逻@些裝置可以很有效的發(fā)揮作用，使并網(wǎng)成功。 值得一提的是，現(xiàn)代風(fēng)力發(fā)電機組主要采用的就是由此裝置衍生出來的軟并網(wǎng)方式，即采用電力電子轉(zhuǎn)換裝置在發(fā)電機機軸轉(zhuǎn)速同電力網(wǎng)絡(luò)頻率之間建立一種柔性連接。2.2電壓波動和閃變 風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機組輸出功率的波動，下面將分析并網(wǎng)風(fēng)電機組輸出功率波動引起電壓波動和閃變的機理。圖1為風(fēng)電機組并網(wǎng)示意圖，其中為風(fēng)電機組出口電壓相量，為電網(wǎng)電壓相量，R1、X1分別為線路電阻和電抗，分別為線路上流動的有功電流和無功電流相量。一般而言，有功電流要遠大于無功電流。由圖1(b)可見，是造成電壓降落的主要原因，垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。由圖1(c)可見，是造成電壓降落的主要原因，垂直，造成的電壓降落可以忽略不計。所以有功電流和無功電流都會造成明顯的電壓降落，分別為和。當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電機組的輸出功率波動時，有功電流和無功電流隨之變化，從而引起電網(wǎng)電壓波動和閃變。影響風(fēng)電機組輸出功率的因素很多，其中風(fēng)速的自然變化是主要因素。風(fēng)電機組的機械功率可以表示為 式中P為功率；為空氣密度；A為葉片掃風(fēng)面積；v為風(fēng)速；CP為功率系數(shù)，表示風(fēng)電機組利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)，葉尖速比定義為式中為葉輪轉(zhuǎn)速，R為葉輪半徑。 由式(1)可見，空氣密度、葉輪轉(zhuǎn)速、槳距角和風(fēng)速v的變化都將對風(fēng)電機組的輸出功率產(chǎn)生影響。風(fēng)速v的變化是由自然條件決定的，隨機性比較強，且功率與風(fēng)速的三次方近似呈正比，因此當(dāng)風(fēng)速快速變化時，并網(wǎng)風(fēng)電機組的輸出功率將隨之快速變化。葉輪轉(zhuǎn)速和槳距角的變化由風(fēng)電機組類型和控制系統(tǒng)決定，先進的控制系統(tǒng)能夠減小風(fēng)電機組輸出功率的波動。 此外，在并網(wǎng)風(fēng)電機組持續(xù)運行過程中，由于受塔影效應(yīng)、偏航誤差和風(fēng)剪切等因素的影響，風(fēng)電機組在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，而轉(zhuǎn)矩波動也將造成風(fēng)電機組輸出功率的波動，并且這些波動隨湍流強度的增加而增加。常見的轉(zhuǎn)矩和輸出功率的波動頻率與葉片經(jīng)過塔筒的頻率相同。對于三葉片風(fēng)電機組而言，波動頻度為3P（P為葉輪旋轉(zhuǎn)頻率）時，最大波動幅度約為轉(zhuǎn)矩平均值的20% 。 塔影效應(yīng)是指風(fēng)電機組塔筒對空氣流動的阻礙作用，當(dāng)葉片經(jīng)過塔筒時，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小。遠離塔筒時風(fēng)速是恒定的，接近塔筒時風(fēng)速開始增加，而更接近時風(fēng)速開始下降。塔影效應(yīng)對下風(fēng)向類型風(fēng)電機組的影響最嚴(yán)重。塔影效應(yīng)可以用頻率為3P倍數(shù)的傅立葉級數(shù)表示6。由于葉片掃風(fēng)面積內(nèi)垂直風(fēng)速梯度的存在，風(fēng)剪切同樣會引起轉(zhuǎn)矩波動。風(fēng)剪切可用以風(fēng)電機組輪轂為極點的極坐標(biāo)下的二項式級數(shù)表示6-8。從風(fēng)輪的角度看，風(fēng)廓線是一個周期性變化的方程，變化頻率為3P的倍數(shù)。 除了塔影效應(yīng)和風(fēng)剪切引起的輸出功率波動外，在風(fēng)電機組輸出功率中還可檢測到頻率為p的波動分量，其出現(xiàn)的主要原因可能是葉片結(jié)構(gòu)或重力不完全對稱。此外，頻率為塔筒諧振頻率的波動分量也比較明顯，它可能是由于輪轂的橫向擺動引起的。 并網(wǎng)風(fēng)電機組不僅在持續(xù)運行過程中產(chǎn)生電壓波動和閃變，而且在啟動、停止和發(fā)電機切換過程中也會產(chǎn)生電壓波動和閃變。典型的切換操作包括風(fēng)電機組啟動、停止和發(fā)電機切換，其中發(fā)電機切換僅適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風(fēng)電機組。這些切換操作引起功率波動，并進一步引起風(fēng)電機組端點及其他相鄰節(jié)點的電壓波動和閃變。2.3諧波污染風(fēng)電并網(wǎng)后對電力系統(tǒng)電流質(zhì)量影響主要體現(xiàn)在諧波上。諧波會對電力網(wǎng)帶來一定危害，如增加了電力網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能；增加電氣設(shè)備附加損耗；加速絕緣老化，縮短使用壽命；繼電保護、自動裝置不能正常動作；不能正確計量儀表；干擾通信系統(tǒng)。在衡量電流質(zhì)量的指標(biāo)中，對諧波是用諧波電流含有率定義的，其定義如下：其中，和分別是基波和n次諧波的電流有效值。對于風(fēng)電機組來說，發(fā)電機本身產(chǎn)生的諧波是可以忽略的，諧波電壓是由電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、電力電子控制元件和電容器產(chǎn)生的。風(fēng)機在運行期間產(chǎn)生的各種擾動的程度，主要依賴于其裝備的電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的形式。風(fēng)電并網(wǎng)給系統(tǒng)帶來諧波污染主要有兩種途徑：一種是在風(fēng)力發(fā)電機中，大量采用了具有變頻功能的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機，發(fā)電機組發(fā)出的交流電經(jīng)過整流逆變裝置與電網(wǎng)連接，從而實現(xiàn)發(fā)電機的頻率與電網(wǎng)頻率相獨立，并維持電網(wǎng)頻率不變。整流逆變就必然會帶來諧波污染，這些諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會引起電網(wǎng)電壓畸變，降低了電能質(zhì)量。第二種是風(fēng)機的并聯(lián)補償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振。實際運行中，曾觀測在風(fēng)電場出口變壓器的低壓側(cè)有大量諧波的現(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、變壓器、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)電系統(tǒng)中存在的諧波次數(shù)為5、7、11、13、17等。風(fēng)機本身配備的電力電子裝置，可能帶來諧波問題。變速風(fēng)電機組采用了電力電子設(shè)備。其中，雙饋式異步式風(fēng)電機組的發(fā)電機定子直接饋入電網(wǎng)，而發(fā)電機轉(zhuǎn)子通過經(jīng)直流環(huán)節(jié)連接的兩個變流器接入電網(wǎng)（如圖）。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機組所發(fā)電力則通過背靠背全功率變頻器直接接入電網(wǎng)，該背靠背全功率變頻器由發(fā)電機側(cè)變流器、直流環(huán)節(jié)和電網(wǎng)變流器組成。不論是哪種類型的變速風(fēng)電機組，機組投入運行后變頻器都將始終處于工作狀態(tài)。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)，則會產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題。圖1 雙饋式異步式風(fēng)電機組對于直接和電網(wǎng)相連的恒速風(fēng)機，軟啟動階段要通過電力電子裝置與電網(wǎng)相連，因此會產(chǎn)生一定的諧波，不過因為過程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通常可以忽略。2.4系統(tǒng)穩(wěn)定性大型風(fēng)電機組多為異步發(fā)電機，發(fā)出有功的同時也從電網(wǎng)中吸收無功，其對無功的需求隨著有功變化而變化。風(fēng)電這種與生俱來的特性使得它成為不能進行自身調(diào)節(jié)的電源，因此導(dǎo)致了風(fēng)電場和電力系統(tǒng)進行能量交換時存在隨機性，改變了系統(tǒng)中的潮流分布，增加了接入點電網(wǎng)的負(fù)擔(dān)，影響了電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定性。（1）對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響風(fēng)電場一般在電網(wǎng)的末端接入，而風(fēng)電場的大規(guī)模異步風(fēng)力發(fā)電機組向電網(wǎng)注入功率時也從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，同時風(fēng)電場出力的隨機性造成了接入點的潮流是雙向流動的，這在原有的電網(wǎng)的設(shè)計和建造時是未曾考慮的。隨著風(fēng)電場注入電網(wǎng)的功率的加大，當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電壓和聯(lián)絡(luò)線功率會超出額定范圍，嚴(yán)重時會導(dǎo)致電網(wǎng)潰。由于異步發(fā)電機具有規(guī)律恢復(fù)特性，在系統(tǒng)故障發(fā)生后，若風(fēng)電機組在系統(tǒng)故障排除后能恢復(fù)機端電壓并穩(wěn)定運行,則地區(qū)電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性便能得到維持；若風(fēng)電機組在故障排除后無法恢復(fù)機端電壓,風(fēng)電機組將超速運行并失去穩(wěn)定,破壞區(qū)域電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。此時,需利用風(fēng)電場的無功補償裝置、風(fēng)電機組的無功支撐能力在暫態(tài)過程中支撐電網(wǎng)電壓,或者及時切除風(fēng)電機組，以保證區(qū)域電網(wǎng)的暫態(tài)電壓穩(wěn)定性。隨著風(fēng)力發(fā)電在整個系統(tǒng)中所占的比重越來越大，風(fēng)電不穩(wěn)定的有功功率輸出對電網(wǎng)的功率沖擊效應(yīng)也將不斷增大，嚴(yán)重情況下，將會使系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性被破壞，導(dǎo)致整個系統(tǒng)解列。（2）對地區(qū)電網(wǎng)電壓的影響風(fēng)電機組的運行特性使得輸出功率呈現(xiàn)波動性變化，對電網(wǎng)電壓造成不利影響，電壓波動和閃變是其中最主要的表現(xiàn)形式。 風(fēng)電場電壓崩潰的根本原因是系統(tǒng)無功功率的供給不足，配置在風(fēng)力發(fā)電機機端的并聯(lián)電容器，在投切的過程中會引起電壓的跳變，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平較低時，并聯(lián)電容器的無功補償量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場對電網(wǎng)的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，嚴(yán)重也時會造成電壓崩潰。 風(fēng)電場不同接入方式對電壓穩(wěn)定性的影響，在風(fēng)電場出力穩(wěn)定或者并網(wǎng)線路參數(shù)一致的情況下，應(yīng)選用分布式接入；在風(fēng)電場受到漸變風(fēng)、陣風(fēng)、切除風(fēng)影響時，應(yīng)選用集中式接入（3） 對電網(wǎng)頻率的影響 風(fēng)電并網(wǎng)容量越大，其功率特性對電網(wǎng)頻率造成的影響也越大。由于風(fēng)電機組投切頻繁，使風(fēng)電場接入系統(tǒng)的潮流處于一個雙向流動的過程，這在一定程度上影響了系統(tǒng)的頻率，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致整個風(fēng)電場突然切除，使得瞬間電源和負(fù)荷失衡，引起電網(wǎng)頻率的降低研究顯示風(fēng)擾動的波形和時間長度是對影響電網(wǎng)頻率的兩個主要因素，風(fēng)擾動的波形變化越劇烈,對系統(tǒng)頻率曲線的影響越快,而風(fēng)擾動的波形峰值越高,對頻率曲線的峰值影響越大。2.5風(fēng)電場低電壓穿越低電壓穿越(LVRT)，指在風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)點電壓跌落的時候，風(fēng)機能夠保持并網(wǎng)，甚至向電網(wǎng)提供一定的無功功率，支持電網(wǎng)恢復(fù)，直到電網(wǎng)恢復(fù)正常，從而“穿越”這個低電壓時間(區(qū)域)。是對并網(wǎng)風(fēng)機在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運行功能要求。不同國家(和地區(qū))所提出的LVRT要求不盡相同。目前在一些風(fēng)力發(fā)電占主導(dǎo)地位的國家，如丹麥、德國等已經(jīng)相繼制定了新的電網(wǎng)運行準(zhǔn)則，定量地給出了風(fēng)電系統(tǒng)離網(wǎng)的條件(如最低電壓跌落深度和跌落持續(xù)時間)，只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)力發(fā)電機脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時，發(fā)電機應(yīng)提供無功功率。這就要求風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有較強的低電壓穿越(LVRT)能力，同時能方便地為電網(wǎng)提供無功功率支持，但目前的雙饋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是否能夠應(yīng)對自如，學(xué)術(shù)界尚有爭論，而永磁直接驅(qū)動型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已被證實在這方面擁有出色的性能。低電壓穿越- 具備能力 低電壓穿越能力是當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，風(fēng)電場切除會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機組具有低電壓穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機組不間斷并網(wǎng)運行。風(fēng)電機組應(yīng)該具有低電壓穿越能力：（a)風(fēng)電場必須具有在電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行620ms的低電壓穿越能力; （b)風(fēng)電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運行; （c)風(fēng)電場升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風(fēng)電場必須不間斷并網(wǎng)運行。3風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)問題解決方案3.1風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)方式同步發(fā)電機在運行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛采用。然而，把它移植到風(fēng)力發(fā)電機組上使用卻不甚理想，這是由于風(fēng)速時大時小，隨機變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到同步發(fā)電機所要求的精度。并網(wǎng)后若不進行有效的控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步問題，在重載下尤為嚴(yán)重。這就是在相當(dāng)長的時問內(nèi)，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機組很少采用同步發(fā)電機的原因。但近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通過在同步發(fā)電機與電網(wǎng)之問采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了這些問題，采用同步發(fā)電機的方案又引起了人們的重視。目前國內(nèi)外大量采用的是交流異步發(fā)電機，其并網(wǎng)方式根據(jù)電機的容量不同和控制方式不同而變化。風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)方法有：(1)直接并網(wǎng)。這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，即可自動并入電網(wǎng)，自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出，而后通過自動空氣開關(guān)完成并網(wǎng)過程。(2)降壓并網(wǎng)。這種并網(wǎng)方法是通過在異步電機與電網(wǎng)之間通過串接電阻、電抗器、自耦變壓器等方式，從而降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。由于電阻、電抗器等元件消耗功率，在發(fā)電機并網(wǎng)后，進入穩(wěn)定進行狀態(tài)時，必須將其迅速切除。(3)通過晶閘管軟并網(wǎng)。這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管連接起來，從而使發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流，得到一個平滑的暫態(tài)過程。風(fēng)力發(fā)電機組常用的并網(wǎng)運行方式如下：(1)恒速恒頻方式。風(fēng)力機組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，從而輸出恒定頻率的交流電，但具有簡單可靠的優(yōu)點，但是風(fēng)能利用率較低。恒速風(fēng)電機組在運行過程中沒有產(chǎn)生諧波電流，但當(dāng)其在投入時，往往采用軟并網(wǎng)可控硅裝置并網(wǎng)，勢必造成諧波電流注入電網(wǎng)，由于投入過程較短，發(fā)生的次數(shù)也不多，諧波電流注入實際上是可以忽略的。(2)變速恒頻方式。風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動作變速運行，但輸出恒定頻率的交流電。這種方式提高了風(fēng)能的利用率，但需增加實現(xiàn)恒頻輸出的整流逆變的電力電子設(shè)備。3.2電壓波動和閃變評估 IEC 6140021并網(wǎng)風(fēng)電機組電能質(zhì)量測試和評估標(biāo)準(zhǔn)中給出了閃變計算與評估方法。IEC 61400-21的主要內(nèi)容包括：描述并網(wǎng)風(fēng)電機組電能質(zhì)量特征參數(shù)的定義或說明；電能質(zhì)量特征參數(shù)的測量過程；這些電能質(zhì)量特征參數(shù)是否滿足電網(wǎng)要求的評估方法。IEC 61400-21定義的并網(wǎng)風(fēng)電機組電能質(zhì)量特征參數(shù)包括風(fēng)電機組額定參數(shù)、最大允許功率、最大測量功率、無功功率、電壓波動和諧波等，其中電壓波動測量和評估是IEC 61400-21的重點。 考慮到電網(wǎng)中其他波動負(fù)荷可能在風(fēng)電機組公共連接點引起明顯的電壓波動，且風(fēng)電機組引起的電壓波動依賴于電網(wǎng)特性。因此，為了在風(fēng)電機組公共連接點獲得不受電網(wǎng)條件影響的測試結(jié)果，IEC 61400-21采用了一個無其他電壓波源的虛擬電網(wǎng)來模擬風(fēng)電機組輸出的電壓，虛擬電網(wǎng)的單相電路如圖2所示。圖2中的虛擬電網(wǎng)由一個理想的相對地電壓源u0(t)、線路電阻Rfic和電感Lfic組成，u0(t)的幅值等于電網(wǎng)相電壓的標(biāo)稱值，相角等于風(fēng)電機組輸出電壓基波分量的相角，線路阻抗角等于電網(wǎng)阻抗角，im(t)為風(fēng)電機組輸出電流的測量值，ufic(t)為計算出的風(fēng)電機組的瞬時電壓。ufic(t)可以表示為 （1）持續(xù)運行過程 評估持續(xù)運行過程中的電壓波動時必須涵蓋不同的電網(wǎng)阻抗角k和風(fēng)速分布情況，其中風(fēng)速分布按不同年平均風(fēng)速va的瑞利分布9來考慮。以不同情況下的電壓、電流測量數(shù)據(jù)作為虛擬電網(wǎng)的輸入量，計算出風(fēng)電機組的輸出電壓ufic(t)。根據(jù)國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-1510提供的閃變值算法，由ufic(t)計算短時間閃變值Pst,fic。然后，由下式計算閃變系數(shù)c(k) 組的額定視在功率。 根據(jù)服從瑞利分布的風(fēng)速和計算得出的閃變系數(shù)，得到閃變系數(shù)的累積概率分布函數(shù)為測量的最終結(jié)果。 為了評估一臺風(fēng)電機組引起的電壓波動，可以根據(jù)下式計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt 式中ci(k,va)為單臺風(fēng)電機組的閃變系數(shù)；Sn,i為單臺風(fēng)電機組的額定視在功率；Nwt為連接到公共連接點的風(fēng)電機組的數(shù)目。（2）切換操作過程 評估切換操作過程中的電壓波動必須涵蓋不同的電網(wǎng)阻抗角k情況，以及下面3種切換操作過程： （1）風(fēng)電機組在切入風(fēng)速下啟動； （2）風(fēng)電機組在額定風(fēng)速下啟動； （3）發(fā)電機在最差條件下切換（只適用于多臺發(fā)電機或多繞組發(fā)電機的風(fēng)電機組），最差條件是指閃變階躍系數(shù)kf(k)最高和電壓變化系數(shù)ku(k)最高的情況。 由虛擬電網(wǎng)仿真所得的風(fēng)電機組輸出電壓ufic(t)計算出短時間閃變值Pst,fic之后，可根據(jù)下式分別求得閃變階躍系數(shù)kf(k)和電壓變化系數(shù)ku(k) 式中TP為測量持續(xù)時間；Ufic,max和Ufic,min分別為切換操作過程中ufic(t)有效值的最大值與最小值；Un為額定線電壓。 對計算所得的kf(k)和ku(k)分別取平均值，即為測量過程的最終結(jié)果。 為了評估單臺風(fēng)電機組引起的電壓波動，可以根據(jù)下式計算短時間閃變值Pst和長時間閃變值Plt 式中N10為10min內(nèi)切換操作次數(shù)最大值；N120為2h內(nèi)切換操作次數(shù)最大值。 如果多臺風(fēng)電機組連在公共連接點，則可按下式估計它們在切換操作中引起的閃變 對于多臺風(fēng)電機組連在公共連接點的情況，由于兩臺風(fēng)電機組不可能在同一時間完成切換操作，因此沒有必要考慮多臺風(fēng)電機組引起的相對電壓變動問題。短時間、長時間閃變值和相對電壓變化值不能超過電網(wǎng)允許的最大限值。國際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-711提供了估算中高壓電網(wǎng)所允許的閃變和電壓變化最大限值的方法。3.3諧波污染解決方案在電力系統(tǒng)中，電壓波型是中心對稱的，基本上不含有偶次諧波，存在的諧波主要是奇次諧波，而三、九次諧波可以通過變壓器的繞組進行隔離。而11、 13次以上高次諧波由于其頻率比較高，在線路傳輸過程中衰減比較快，在電網(wǎng)中所占的比重也不大。往往5次諧波和7次諧波成分較多。如超過電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波（GB/T14549-93）的允許值，須裝設(shè)濾波裝置解決這個問題。因此需根據(jù)每臺機的諧波發(fā)生量，計算出公共接入點上的諧波電壓畸變值和諧波電流注入值，如計算值超過允許值需要采取措施，通過裝設(shè)濾波裝置使注入電網(wǎng)的諧波電流降低到國標(biāo)允許值內(nèi)，濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。無源濾波器是通過電容、電抗和電阻等元件串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，達到對該次諧波治理的目的。電力無源濾波器具有成本低、容量大、易實現(xiàn)等優(yōu)點，應(yīng)用較廣。電力無源濾波器由電力電容器、電力電抗器和電力電阻器按一定結(jié)構(gòu)組合而成。目前常用的電力無源濾波器有單調(diào)諧濾波器(Single tuned filter，STF)、高通濾波器(High pass filter，HPF)等。工程上實用的無源濾波裝置一般由一組或幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器組成。單調(diào)諧濾波器濾除幅值大的單次諧波，高通濾波器則濾除頻率較高而幅值較小的諧波。每組濾波器在某一諧波頻率附近或者在某一個頻帶內(nèi)呈現(xiàn)低阻抗特性，從而吸收諧波電流，減小流入交流系統(tǒng)的諧波電流，以達到抑制諧波的目的；另一方面，無源濾波器在基波時呈容性，可以對風(fēng)電場進行基波無功補償。這種濾波器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，運行可靠。在出力雖風(fēng)速變化，諧波也是在變化的，諧波治理有一定難度，同時無源濾波器可能對某次諧波在某個條件下會起放大作用，效果會收到限制。有源濾波器(Active Power Filter，簡記為APF)的基本工作原理是把電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進行補償，使流入電源的總諧波電流為零。這是諧波治理的發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，功率電子元件的成本下降，這一技術(shù)一定會在諧波治理上占主導(dǎo)地位的。有些情況下，采用APF和傳統(tǒng)的濾波裝置組合而成的混合型濾波器，由電容吸收高次諧波，而APF提高濾波性能，具有較好的性價比。用于補償諧波的典型裝置為電力有源濾波器。80年代以來，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，有源濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理見圖。圖2 有源濾波器原理 用于補償諧波的典型裝置為電力有源濾波器。80年代以來，由于新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，PWM技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出，有源濾波器得以迅速發(fā)展。其基本原理見圖。電力有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到相當(dāng)?shù)闹匾暋ｋ娏τ性礊V波器的變流電路分為電壓型和電流型，如圖4所示。目前實用的裝置90%以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看，電力有源濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型中有單獨使用、L濾波器混合使用及注入電路方式。目前并聯(lián)型占實用裝置的大多數(shù)。圖5和圖6分別為電力有源濾波器的分類情況及其主電路結(jié)構(gòu)。(a)單獨使用的并聯(lián)型有源濾波器 (b)與LC濾波器并聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器(c)與LC濾波器串聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器 (d)單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器(e)與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型有源濾波器圖6a是電力有源濾波最基本的構(gòu)成方式。PWM逆變器并聯(lián)在電網(wǎng)上，相當(dāng)于一個受控電流源，產(chǎn)生與負(fù)載諧波大小相同而方向相反的諧波電流，使得電源電流被補償為正弦。這種方式下，電源基波電壓全部加在逆變器上，因而裝置容量較大。這種方式的電力有源濾波器具有連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率的功能，能在補償諧波的同時動態(tài)補償無功功率。圖6b中的LC濾波器若被用來與有源濾波器分擔(dān)補償相同次數(shù)的諧波，則可降低所需逆變器的容量，若用來補償較高次的諧波，則起到了補充有源濾波器補償性能的作用。在這種方式下，有源濾波器也可以對無功功率進行調(diào)節(jié)。圖6c方式下，有源濾波器主要不是用來直接補償諧波，而是用來抑制LC濾波器與電網(wǎng)阻抗之間的并聯(lián)諧振，即所謂的諧波放大現(xiàn)象以改善LC濾波器的諧波補償效果。其逆變器不承受基波電壓，因而逆變器的裝置容量大大減小。注入電路方式的并聯(lián)型有源濾波器將電感和電容作為逆變器注入電路，利用電感和電容的諧振特性，使有源濾波器不承受基波電壓，從而減小逆變器的裝置容量、減小體積、降低成本。圖6d和e的有源濾波器均通過變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間，相當(dāng)于一個受控電壓源。圖6d方式可以消除電源電壓可能存在的畸變，維持負(fù)載端壓為正弦。需指出，并聯(lián)型有源濾波器一般適用于感性負(fù)載。對容性負(fù)載的諧波源，可采用單獨使用方式的串聯(lián)型有源濾波器，通過控制有源濾波器的補償電壓來改變負(fù)載端的電壓，從而使電源電流為正弦。圖6e為與LC濾波器混合使用的串聯(lián)型電力有源濾波器，與圖6c方式等效。由于其所需逆變器的裝置容量很小，一般不超過負(fù)載容量的3%，因而頗受關(guān)注。3.4風(fēng)電廠低電壓穿越解決方案結(jié)合我國風(fēng)電場的運行經(jīng)驗來看，高速發(fā)展的大規(guī)模風(fēng)電裝機容量和滯后的電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)之間的矛盾是當(dāng)今風(fēng)電并網(wǎng)難的主要矛盾。著眼于這方面，國內(nèi)外的專家學(xué)者從各個方面進行了大量的研究，并提出了針對性的解決方案（1）配備充足的無功補償容量在風(fēng)電場并網(wǎng)運行過程中，異步風(fēng)力發(fā)電機需要從電網(wǎng)吸收無功功率來提供其建立磁場所需的勵磁電流，因此要保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的健康穩(wěn)定運行，為其配備充足的無功補償容量是采取的最主要措施。目前，一般采用機端并聯(lián)電容、靜止無功發(fā)生器（SVG）、靜止無功補償裝置（SVC）以及靜止同步補償器（STATCOM）等來補償風(fēng)力發(fā)電機的無功（2）提高風(fēng)電機組低壓穿越能力風(fēng)電機組的低壓穿越能力（Low Voltage Ride Through）是指風(fēng)電機組在電網(wǎng)公公連接點電壓跌落時保持并網(wǎng)狀態(tài)并向電網(wǎng)提供一定的無功功率以支撐電網(wǎng)電壓從而穿越低電壓區(qū)域的能力。典型的低壓穿越曲線如圖3-1所示。圖3-1 在故障發(fā)生時，電網(wǎng)的電壓會下降，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致功率缺額，如果不對風(fēng)電場加以控制，甚至?xí)a(chǎn)生“脫網(wǎng)”現(xiàn)象，給處于暫態(tài)過程中的電網(wǎng)引入了新的沖擊，對電網(wǎng)的暫態(tài)穩(wěn)定性將產(chǎn)生不利影響。隨著風(fēng)電場并網(wǎng)容量的增大，這種影響將越發(fā)明顯，因此應(yīng)采取措施對風(fēng)電場進行相應(yīng)功率控制，提高風(fēng)電場的低壓穿越能力，使其能在故障期間向電網(wǎng)提供無功功率，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。 目前常用的提高低壓穿越能力的方式有兩種：一是完善風(fēng)電機組整流器的控制策略，研究顯示，基于H技術(shù)和分析法設(shè)計的控制器能有效的提高機組的LVRT能力。二是增加其他的設(shè)備。為了在發(fā)電機并網(wǎng)的狀態(tài)下保護轉(zhuǎn)子側(cè)的變流器，常在DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)電路增加Crowbar電路，研究顯示，對于Crowbar控制的雙饋異步發(fā)電機（DFIG）系統(tǒng)，在引入計及定子電壓瞬態(tài)變化的DFIG數(shù)學(xué)模型后，能使Crowbar在電網(wǎng)電壓恢復(fù)時無需動作，縮短了DFIG在故障清除后供電的時間。（3）儲能技術(shù)的應(yīng)用在電力系統(tǒng)引入大容量儲能裝置，不僅可以有效減小風(fēng)電對系統(tǒng)的沖擊和影響，提高風(fēng)電出力與預(yù)測的一致性，保障電源電力供應(yīng)的可信度，還可降低電力系統(tǒng)的備用容量需求，提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，同時提高電力系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力。應(yīng)用于風(fēng)電場的儲能手段中，抽水蓄能因其常受環(huán)境因素制約，最常見的是鉛酸電池儲能。研究顯示，將風(fēng)電機組和儲能單元相結(jié)合，利用電力儲能系統(tǒng)快速的功率吞吐能力和靈活的四象限調(diào)節(jié)能力，則能在頻繁的風(fēng)速擾動下使風(fēng)電場的功率輸出得到平穩(wěn)控制，降低風(fēng)電場功率波動對電網(wǎng)的沖擊、提高并網(wǎng)風(fēng)電場的穩(wěn)定性。