李亞楠， 楊 鵬， 王華君

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300130)

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響及解決措施

李亞楠， 楊 鵬*， 王華君

(河北工業(yè)大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300130)

指出了風(fēng)資源的不確定性直接影響風(fēng)電功率的穩(wěn)定性，分析了傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組通過(guò)電力電子裝置與電網(wǎng)相連的矛盾，其諧波導(dǎo)致電力系統(tǒng)諧振，波形畸變，增加輸電損耗，危及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)支持能力有限，配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，增加了系統(tǒng)成本，參與一次調(diào)頻還有難度；而且，風(fēng)電變流器復(fù)雜的結(jié)構(gòu)是機(jī)組故障率較高的部件，從而降低了風(fēng)電機(jī)組的可靠性.為解決上述問(wèn)題，提出了以較低成本、高可靠性、較強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)性為目標(biāo)的各種新型風(fēng)電機(jī)組技術(shù)，以滿足風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的友好性.

電壓波動(dòng)；諧波；電力系統(tǒng)穩(wěn)定性；有功調(diào)頻；無(wú)功補(bǔ)償

AbstractThe uncertainty of wind is the direct impact on the stability of wind power output. Electric power systems have issues such as harmonic resonance, waveform distortion and increasing transmission loss caused by the electronic device on the traditional wind turbine connected with the grid. Wind converters become the high failure rate due to complicated components so that reducing the reliability of wind turbine. The traditional wind turbine system support ability is limited through the method of Static Var Compensator (SVC), so it is increasing system cost and it is difficultly for frequency adjustment. In order to solve the contradiction mentioned above, scholars aim at lower cost, high reliability and strong adaptability to explore a variety of new wind turbine technology for meeting the demand of large scale wind power connected to grid friendly.

Keywordsvoltage fluctuation； harmonics； power system stability； active frequency modulation； static var compensator

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)電能質(zhì)量的影響引起了廣泛關(guān)注.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)組的輸出功率具有間歇性和隨機(jī)性的特點(diǎn)，進(jìn)而影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量，如電壓波動(dòng)和閃變、電壓偏差、諧波等.由于我國(guó)風(fēng)能資源豐富地區(qū)與用電負(fù)荷中心之間距離遙遠(yuǎn)，需采用輸電網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)距離電力傳輸.當(dāng)遠(yuǎn)距離輸送的風(fēng)電功率過(guò)大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功需求增加，電網(wǎng)線路壓降過(guò)大，無(wú)功損耗增大，穩(wěn)定裕度降低，威脅局部電網(wǎng)的安全運(yùn)行，降低了電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性.大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行控制、保護(hù)、調(diào)度等方面提出了新的挑戰(zhàn)，需采取必要措施對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù).同時(shí)應(yīng)改進(jìn)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組，提升并網(wǎng)性能，從源頭上解決風(fēng)電并網(wǎng)與電力系統(tǒng)之間的矛盾.

1 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響因素及應(yīng)對(duì)措施

1.1電壓波動(dòng)和閃變

電壓波動(dòng)的危害表現(xiàn)在照明燈光閃爍、電視機(jī)畫面質(zhì)量下降、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不均勻和影響電子儀器、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制設(shè)備的正常工況等[1].

1.1.1 產(chǎn)生原因

(1)功率波動(dòng).風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行引起的電壓波動(dòng)歸根結(jié)底是由風(fēng)速的變動(dòng)引起.風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率為P= 1/2ρCp(λ,β)Av3，由于風(fēng)速v的變化由自然條件決定，隨機(jī)性較強(qiáng)，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(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率將出現(xiàn)波動(dòng)，有功電流和無(wú)功電流隨之變化，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變[2].

(2)公共連接點(diǎn)短路比.并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)短路比和電網(wǎng)線路比X/R也是影響風(fēng)電機(jī)組引起電壓波動(dòng)和閃變的重要因素.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.研究表明，當(dāng)線路X/R比對(duì)應(yīng)的線路阻抗角為60°～70°時(shí)，并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)和閃變最小.

(3)塔影效應(yīng).在并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組持續(xù)運(yùn)行過(guò)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(jī)組在葉輪旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不穩(wěn)定，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，并且這些波動(dòng)隨湍流強(qiáng)度的增加而增加.

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[3].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.

1.1.2 應(yīng)對(duì)措施

現(xiàn)有研究分別從變速風(fēng)機(jī)控制、無(wú)功補(bǔ)償、有功和無(wú)功結(jié)合等方面提出對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變的抑制策略.

(1)變速風(fēng)機(jī)控制策略.楊頎，紀(jì)志成在文獻(xiàn)[4]中建立將遺傳算法應(yīng)用于考慮風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)速影響的風(fēng)速模型上并進(jìn)行PID控制參數(shù)優(yōu)化的閃變抑制器，研究結(jié)果表明可有效抑制雙饋風(fēng)力機(jī)引起的電壓閃變.

但是對(duì)變速風(fēng)機(jī)本身的控制只能在一定程度上減小風(fēng)機(jī)輸出功率的波動(dòng)，且不能完全消除閃變對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響.

(2)無(wú)功補(bǔ)償策略.戴成昕在文獻(xiàn)[5]中利用串聯(lián)型電壓補(bǔ)償裝置，采用完全補(bǔ)償法的控制策略進(jìn)行電壓補(bǔ)償，在傳統(tǒng)的比例積分控制基礎(chǔ)上結(jié)合重復(fù)控制，研究結(jié)果表明提高了穩(wěn)態(tài)控制的精度和動(dòng)靜態(tài)性能.

在并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)輸出端并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，能夠消除并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電力系統(tǒng)無(wú)功功率變化的影響，對(duì)電壓的波動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償.然而對(duì)于隨風(fēng)能自然波動(dòng)的有功功率引起的電壓波動(dòng)并不能產(chǎn)生抑制作用，因此僅對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償是無(wú)法有效抑制風(fēng)電并網(wǎng)帶來(lái)的電壓閃變.

(3)有功無(wú)功結(jié)合策略.江海敏在文獻(xiàn)[6]中采用超級(jí)電容器為儲(chǔ)能元件，功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電壓源型變流器雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)，將低通濾波器濾過(guò)的風(fēng)功率作為控制目標(biāo)，建立儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的追蹤.

Virtanen A與Tuusa H在文獻(xiàn)[7]中對(duì)傳統(tǒng)STATCOM與帶有儲(chǔ)能裝置的STATCOM裝置在中低壓系統(tǒng)中的補(bǔ)償作用進(jìn)行了比較.研究結(jié)果表明：傳統(tǒng)STATCOM與帶有儲(chǔ)能裝置的STATCOM的補(bǔ)償作用相比，帶有儲(chǔ)能設(shè)備的補(bǔ)償裝置在電壓校正、閃變抑制、平滑供電電流波形等方面表現(xiàn)更為優(yōu)異，且其橋式電路的額定容量小于傳統(tǒng)STATCOM.

有功和無(wú)功結(jié)合對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變抑制的方法能夠有效抑制風(fēng)電并網(wǎng)引起的電壓波動(dòng)和閃變，但存在制造成本高，檢測(cè)算法復(fù)雜等缺點(diǎn).

變速風(fēng)機(jī)控制、無(wú)功補(bǔ)償、有功和無(wú)功結(jié)合等策略能夠在一定程度上有效抑制風(fēng)電并網(wǎng)引起的電壓波動(dòng)和閃變，但依然存在不能從根本上消除電壓波動(dòng)和閃變對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的弊端，并且在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)受到治理成本的制約.

1.2諧波

諧波注入電網(wǎng)，會(huì)增加輸電線路和變壓器的損耗，加速設(shè)備的絕緣老化，縮短使用壽命甚至使設(shè)備損壞報(bào)廢；易引起電網(wǎng)局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振，使諧波進(jìn)一步放大；還會(huì)影響線路中的保護(hù)元件，使保護(hù)裝置誤動(dòng)作，電氣測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確[8].

1.2.1 產(chǎn)生原因

風(fēng)力機(jī)自身的電力電子控制裝置是諧波的主要來(lái)源.變速風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)后變流器始終處于工作狀態(tài)，由于變流器的開(kāi)關(guān)頻率是不固定的，運(yùn)用PWM開(kāi)關(guān)變流器和濾波器能夠使諧波畸變最小化.但若電力電子裝置的開(kāi)關(guān)頻率恰好在產(chǎn)生諧波的范圍內(nèi)，則產(chǎn)生嚴(yán)重的諧波問(wèn)題，諧波電流大小與輸出功率基本呈線性關(guān)系，即與風(fēng)速大小有關(guān)[9].諧波干擾的程度取決于變流器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及其濾波裝置狀況，同時(shí)與電網(wǎng)的短路容量有關(guān)[10].采用新技術(shù)的逆變器低頻諧波分量較小，但會(huì)產(chǎn)生一定的高頻間諧波分量，由于頻率較高，容易去除.

此外，風(fēng)機(jī)的并聯(lián)補(bǔ)償電容器可能和線路電抗發(fā)生諧振，將對(duì)諧波起到嚴(yán)重的放大作用.

1.2.3 應(yīng)對(duì)措施

治理諧波有以下兩種常見(jiàn)方法：一是改造電路變流設(shè)備以抑制或降低諧波源所產(chǎn)生的諧波量，適用受限于作為主要諧波源的裝置；另一種是對(duì)電網(wǎng)諧波進(jìn)行集中補(bǔ)償，使電源只輸出有功電流，適用范圍更廣，通常應(yīng)用無(wú)源電力濾波器和有源電力濾波器進(jìn)行諧波治理[11].

(1)無(wú)源濾波器.無(wú)源濾波器作為傳統(tǒng)的諧波抑制方式而言造價(jià)低廉，易于設(shè)計(jì)，但由于其受系統(tǒng)參數(shù)變化影響較大容易導(dǎo)致串并聯(lián)諧振，且只能濾除特定某幾階次諧波并可能會(huì)放大其他次的諧波分量，可能會(huì)產(chǎn)生過(guò)載從而導(dǎo)致設(shè)備損壞.因此正逐漸被有源電力濾波器和混合型濾波器取代[12].

(2)有源電力濾波器.有源電力濾波器具有較好的自適應(yīng)和快速響應(yīng)能力，對(duì)諧波狀態(tài)不斷變化的情況能實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償.該裝置不需要儲(chǔ)能元件即可實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，而在補(bǔ)償諧波時(shí)所需要的儲(chǔ)能元件容量也相對(duì)較小，且不易受電網(wǎng)阻抗變化的影響[13].

但采用有源電力濾波器進(jìn)行諧波抑制的控制電路多為模擬電路，線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不利于廣泛推廣應(yīng)用.另外，在電力系統(tǒng)中有源電力濾波器的安裝主要考慮到容量受到限制，無(wú)法應(yīng)用于大功率場(chǎng)合和無(wú)功不平衡較為嚴(yán)重的場(chǎng)合[14].

(3)混合電力濾波器.根據(jù)不同的功能結(jié)構(gòu)需求，混合型濾波器主要有以下兩類：一類是電力線路功率調(diào)節(jié)器，即單純的有源與無(wú)源兩者的混合；另一類是有源濾波器與其他變流器的聯(lián)合電路結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠?qū)o(wú)功功率補(bǔ)償與諧波治理功能分別實(shí)現(xiàn)[15].

混合電力濾波器能夠改善無(wú)源濾波裝置的品質(zhì)因數(shù)，提高濾波效果，防止設(shè)備過(guò)電流，適應(yīng)三相平衡補(bǔ)償，不平衡系統(tǒng)分相補(bǔ)償?shù)?

2 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響因素及應(yīng)對(duì)措施

2.1頻率穩(wěn)定性

2.1.1 產(chǎn)生原因

為追求風(fēng)能的最大化利用，風(fēng)電機(jī)組通常在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，不提供有功備用，無(wú)法在系統(tǒng)頻率下降時(shí)提供類似傳統(tǒng)機(jī)組的調(diào)頻等輔助服務(wù).如果缺失的這部分慣性響應(yīng)和頻率調(diào)節(jié)能力得不到補(bǔ)充，將使系統(tǒng)整體慣性和頻率調(diào)節(jié)能力減弱，使系統(tǒng)在擾動(dòng)(機(jī)組脫網(wǎng)、線路故障、負(fù)荷突變)下的頻率變化率增加、頻率最低點(diǎn)降低、穩(wěn)態(tài)頻率偏差增加，發(fā)生頻率穩(wěn)定性問(wèn)題更頻繁[16].

2.1.2 應(yīng)對(duì)措施

變速型風(fēng)機(jī)具有較大的控制靈活性，通過(guò)調(diào)整控制目標(biāo)和控制策略，可以使機(jī)組主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，使其具備類似于傳統(tǒng)機(jī)組的慣性響應(yīng)和頻率調(diào)節(jié)能力.目前，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要通過(guò)轉(zhuǎn)子慣性、超速和變槳方式進(jìn)行有功功率控制，以參與系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié).

(1)轉(zhuǎn)子慣性控制.轉(zhuǎn)子慣性控制是風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)改變機(jī)組轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的電流給定，控制轉(zhuǎn)子速度發(fā)生臨時(shí)性變化情況下短時(shí)釋放/吸收風(fēng)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)質(zhì)體所存儲(chǔ)的部分動(dòng)能，以快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率的暫態(tài)變化，提供類似于傳統(tǒng)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量[17].

轉(zhuǎn)子慣性控制適用于全風(fēng)速工況，可提供慣性響應(yīng)，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)大，響應(yīng)速度快；但持續(xù)時(shí)間較短，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速恢復(fù)造成頻率二次降低，低頻低風(fēng)速和高頻高速時(shí)，難以提供有效慣性[18].

(2)轉(zhuǎn)子超速控制.轉(zhuǎn)子超速控制是控制轉(zhuǎn)子超速運(yùn)行，使風(fēng)機(jī)運(yùn)行于非最大功率捕獲狀態(tài)的次優(yōu)點(diǎn)，保留一部分的有功功率備用，用于一次頻率調(diào)節(jié)[19].

轉(zhuǎn)子超速控制適用于中低風(fēng)速工況，響應(yīng)速度快，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)大，提供一次調(diào)頻備用；但在高風(fēng)速時(shí)，難以提供系統(tǒng)要求的備用容量，風(fēng)速波動(dòng)性影響提供備用容量的可信度，采用減載發(fā)電模式在一定程度上降低了風(fēng)電場(chǎng)效益[20].

(3)變槳距控制.變槳距控制是通過(guò)控制風(fēng)機(jī)的槳距角，改變槳葉的迎風(fēng)角度與輸入的機(jī)械能量，使其處于最大功率點(diǎn)之下的某一運(yùn)行點(diǎn)，從而留出一定的備用容量.風(fēng)況一定的情況下，槳距角越大，機(jī)組留有的有功備用也就越大[21].

變槳控制主要用于高風(fēng)速工況，提供一次調(diào)頻備用，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)，調(diào)節(jié)功率范圍廣；但受機(jī)械特性限制，響應(yīng)速度較慢，對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性貢獻(xiàn)較小，槳葉機(jī)械損耗增加，降低機(jī)組運(yùn)行壽命，風(fēng)速的隨機(jī)波動(dòng)影響備用容量的可信度[22].

基于以上分析，很多研究提出將風(fēng)電機(jī)組上述調(diào)頻手段進(jìn)行組合應(yīng)用，以形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高風(fēng)電調(diào)頻能力和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益.風(fēng)電機(jī)組的組合控制有效利用了自身調(diào)頻手段的優(yōu)點(diǎn)，但也不可避免受制于風(fēng)速變化和機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的影響，在全風(fēng)況下參與系統(tǒng)一次調(diào)頻和慣性響應(yīng)的容量可信度難以得到有效保證.

2.2電網(wǎng)無(wú)功欠缺

2.2.1 產(chǎn)生原因

并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)主要由風(fēng)電機(jī)組、變壓器、輸電線路、升壓站主變等感性設(shè)備組成，這些設(shè)備在正常運(yùn)行時(shí)，需要從電網(wǎng)吸收一部分無(wú)功功率，如表1[23]所示.若不對(duì)其進(jìn)行控制，將導(dǎo)致電網(wǎng)無(wú)功欠缺，增加輸電線路損耗，降低傳輸容量.當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部或電網(wǎng)出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，易引起系統(tǒng)電壓失穩(wěn)，給電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)威脅.

表1 風(fēng)電場(chǎng)各設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的無(wú)功損耗Tab.1 Reactive power loss in normal operation of wind farm

2.2.2 應(yīng)對(duì)措施

風(fēng)電場(chǎng)的無(wú)功補(bǔ)償分為靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種.由于靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，通常與動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置配合使用[24].動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有同步調(diào)相機(jī)、晶閘管控制電抗器(TCR)、晶閘管投切電容器(TSC)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)、靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)等[25].

風(fēng)電場(chǎng)在進(jìn)行電能質(zhì)量治理時(shí)，經(jīng)常選取的無(wú)功補(bǔ)償裝置有靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)和靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM).

(1)靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC).通過(guò)加裝SVC進(jìn)行電能質(zhì)量治理的主要原理是當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)電壓下降時(shí)，SVC發(fā)出無(wú)功功率，使節(jié)點(diǎn)電壓上升；反之，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓升高時(shí)，SVC吸收無(wú)功功率，使節(jié)點(diǎn)電壓下降.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)通過(guò)加裝SVC可以動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率，平滑電壓波動(dòng)并改善諧波，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行治理.

(2)靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM).STATCOM的優(yōu)點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)連續(xù)補(bǔ)償功率因數(shù)，可以發(fā)無(wú)功，也可吸收無(wú)功，自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)風(fēng)電場(chǎng)所需要的無(wú)功功率.一方面有效解決了諧波干擾投切并聯(lián)電容器裝置的問(wèn)題，另一方面，可根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際要求抑制或治理諧波，改善電能質(zhì)量.

STATCOM與SVC相比，在技術(shù)上具有以下一些優(yōu)勢(shì)[26]：1)響應(yīng)速度快.SVC的響應(yīng)時(shí)間約為20～40ms，STATCOM的響應(yīng)時(shí)間為5ms，更有利于風(fēng)電場(chǎng)電能質(zhì)量的快速改善.2)諧波電壓小.STATCOM由于采用電力電子逆變技術(shù)的無(wú)功補(bǔ)償方法可以消除自身輸出電壓中的諧波成分.在用STATCOM進(jìn)行電能質(zhì)量治理時(shí)，系統(tǒng)的諧波電壓更小.3)輸出特性好.風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)在電壓較低時(shí)，STATCOM可以注入更大容量的無(wú)功功率，提高并網(wǎng)點(diǎn)的電壓，相比同容量的SVC更具有技術(shù)上的優(yōu)勢(shì).4)占地面積小.同容量的STATCOM占地面積僅為SVC的1/3～1/2.

盡管STATCOM在技術(shù)上更有優(yōu)勢(shì)，但SVC在價(jià)格上更為經(jīng)濟(jì).SVC的價(jià)格一般在180～300元/kVar，而STATCOM為1000～1500元/kVar.因此在實(shí)際應(yīng)用中，需根據(jù)治理目標(biāo)綜合考慮成本和技術(shù)上的最優(yōu)組合，使綜合治理成本最小.

3 通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題

以上分析表明，采用電壓波動(dòng)和閃變的抑制策略、應(yīng)用濾波器治理諧波、控制有功功率、加裝無(wú)功補(bǔ)償裝置等技術(shù)來(lái)提升電能質(zhì)量、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性是當(dāng)前我國(guó)解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)問(wèn)題采取的主要措施，這在一定程度上使并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)滿足了電網(wǎng)的要求，但存在控制策略繁瑣、技術(shù)手段復(fù)雜、系統(tǒng)成本過(guò)高等弊端，增加了風(fēng)電系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性.若想從根本上解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)與電網(wǎng)之間的矛盾，還需改進(jìn)傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組，將隨風(fēng)速變化的不可控量轉(zhuǎn)變?yōu)榭煽亓?，使其發(fā)電特性與傳統(tǒng)發(fā)電方式的電能特性類似，從而更好地適應(yīng)電網(wǎng).

3.1液力耦合調(diào)速裝置

Dewind公司提出Windrive液力耦合調(diào)速裝置，將行星齒輪與液力調(diào)距器組合，齒輪箱高速軸與同步發(fā)電機(jī)軸連接實(shí)現(xiàn)前端調(diào)速.輸出電能具有良好的正弦性，機(jī)組的低電壓穿越能力和無(wú)功支持能力相比傳統(tǒng)機(jī)組均有較大提升[27].

3.2電磁耦合調(diào)速裝置

陳基和、周強(qiáng)明等人提出了基于電磁耦合器調(diào)速的新型風(fēng)電機(jī)組，電磁耦合器的兩端分別與變速齒輪箱的高速軸和恒速同步發(fā)電機(jī)的輸入軸連接，兩個(gè)軸系之間的轉(zhuǎn)速差由電磁耦合器及變頻器控制.當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，同步發(fā)電機(jī)通過(guò)強(qiáng)勵(lì)向電網(wǎng)提供無(wú)功支撐，有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)；同時(shí)發(fā)電機(jī)的故障沖擊轉(zhuǎn)矩被電磁耦合器隔離，保護(hù)了齒輪箱免受沖擊載荷破壞[28].

3.3機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)

孫西凱和程明提出了一種新型機(jī)電混合無(wú)級(jí)變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)M-EVT，采用一級(jí)機(jī)械增速裝置進(jìn)行升速，電氣無(wú)級(jí)變速器進(jìn)行調(diào)速.提供了機(jī)械功率和電功率雙功率流，保證較高的輸出電能質(zhì)量以及系統(tǒng)可靠性；同時(shí)減小了電氣變速器的容量和速差，提高了風(fēng)能利用率和系統(tǒng)效率[29].

3.4永磁雙轉(zhuǎn)子調(diào)速系統(tǒng)

付蘭芳、孫鶴旭、王華君等提出了由永磁雙轉(zhuǎn)子調(diào)速電機(jī)連接齒輪箱與常規(guī)同步發(fā)電機(jī)的新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.該機(jī)組具有常規(guī)電站類似的電能質(zhì)量和并網(wǎng)特征；在應(yīng)對(duì)電網(wǎng)故障和無(wú)功調(diào)節(jié)等方面較傳統(tǒng)機(jī)組有明顯優(yōu)勢(shì)；調(diào)速電機(jī)有效隔離了發(fā)電機(jī)故障對(duì)齒輪箱的沖擊破壞[30].

與傳統(tǒng)機(jī)型相比，現(xiàn)有改進(jìn)型機(jī)組在一定程度上提升了風(fēng)力發(fā)電的電能質(zhì)量，提高了風(fēng)電機(jī)組的可靠性，電網(wǎng)適應(yīng)性更強(qiáng).但同時(shí)存在體積大、成本高、控制策略繁瑣、技術(shù)手段復(fù)雜等弊端.因此需要以體積小、成本低、故障率低、發(fā)電效率高、便于控制，以及較高電能質(zhì)量和較強(qiáng)的電網(wǎng)適應(yīng)性為目標(biāo)繼續(xù)優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組.

4 結(jié)論與展望

大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)給電能質(zhì)量和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性造成一定程度的影響，在加裝電力裝置降低或消除該負(fù)面影響的同時(shí)還需改進(jìn)完善傳統(tǒng)機(jī)組，從根本上解決風(fēng)電并網(wǎng)與電力系統(tǒng)之間的矛盾，開(kāi)發(fā)新型結(jié)構(gòu)或采用先進(jìn)控制策略使風(fēng)電機(jī)組接近或達(dá)到常規(guī)電站的并網(wǎng)特性，滿足風(fēng)電大規(guī)模接入電網(wǎng)的“友好性”.

“智能風(fēng)機(jī)”是未來(lái)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展方向，通過(guò)智能控制技術(shù)、主動(dòng)性能控制、數(shù)據(jù)分析專家系統(tǒng)和基于可靠性的決策算法的組合及應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)準(zhǔn)確感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境條件，優(yōu)化調(diào)整控制策略和運(yùn)行方式，達(dá)到降低有害載荷，提高機(jī)組發(fā)電量和系統(tǒng)可靠性，增強(qiáng)電網(wǎng)適應(yīng)性等目標(biāo).

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TheImpactandSolutiononaLargeScaleWindPowerConnectedtoPowerGrid

LiYanan,YangPeng,WangHuajun

(College of Control Science and Engineering of Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

TM614；TM727

A

1672-4321(2017)03-0084-06

2016-11-03 *

楊 鵬(1960-)，男，教授，博導(dǎo)，研究方向：智能假肢及其現(xiàn)代先進(jìn)制造設(shè)備，E-mail：yphebut@163.com

李亞楠(1990-)，女，博士，研究方向：復(fù)雜系統(tǒng)行為與建模的研究，E-mail: jjliyanan0701@sina.com

河北省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(F2015202231)