可再生能源论文

天津城建大学

可再生能源利用论文

题目：并网式风力发电对电能质量的影响

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并网式风力发电对电能质量的影响

摘要：对传统发电技术和风力发电技术进行了对比，研究了恒速、变速风力发电机的不同拓扑结构以及风力发电机的各种并网控制技术，并对这几种并网技术所带来的电能质量问题的控制策略进行了总结。指出今后风力发电的研究方向是提高单机容量，以及加强电力电子装置在风电并网及电能质量控制等方面的应用。

关键词：风力发电；电能质量控制；恒速恒频；变速恒频；双馈异步发电机

前言

电能是人们日常生活中必不可少的资源，无论生活、生产、工作、学习都离不开电的使用，因此储存与制造电能是我们需要不断深究的话题。而对于目前我们制造电能的方式来看，主要还是利用燃烧煤炭，石油，液化天然气等燃烧来产生热能，并推动汽轮机转动，进而带动发电机发电，这种方式对于我们的环境有非常大的影响，排出的二氧化硫，一氧化碳等有毒物质会产生许多不良结果，比如温室效应现象已经非常显著，因此为了人类可以长久的在地球上生存，保护环境，寻找无污染和可再生的能源进行发电迫在眉睫。

风能作为大自然赐予人类最好的资源之一，是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对环境无污染，对生态无破坏，环保效益和生态效益良好，如果可以很好的加以利用可以满足人类对电能的大量需求，对人类社会可持续发展具有重要意义。

1. 中国风电发展历史

我国风力发电始于上世纪80年代，发展相对滞后，但是起点较高，主要经历了三个重要的发展阶段。

第一阶段：1985年～1995年试验阶段

利用丹麦、德国、西班牙政府贷款，进行一些小项目的示范。欧洲风电大国利用本国贷款和赠款的条件，将他们的风机在中国市场进行试验运行，积累了大量的经验。同时国家“七·五”“八·五”设立的国产风机攻关项目，取得了初步成果。

第二阶段：1995～2003年

在第一阶段取得的成果基础上，中国各级政府相继出台了各种优惠的鼓励政策。科技部通过科技攻关和国家863高科技项目促进风电技术的发展，原经贸委、计委分别通过双加工程、国债项目、乘风计划等项目促进风电的持续发展。

第三阶段：2003～至今

国家发展和改革委员会通过风电特许权经营，下放5万千瓦以下风电项目审批权，要求国内风电项目国产化比例不小于70％等优惠政策，扶持和鼓励国内风电制造业的发展，使国内风电市场的发展进入到一个高速发展的阶段。中国2006年新增装机134.7万千瓦，比以前翻了一番还多，比2005年增加70%。中国目前风电累计装机为260.4万千瓦，是全世界第6大市场。

综上所述，选用合理的方式，材料，经济的方式进行发电是非常必要的。随着科学技术的不断发展深入，越来越多的发展方式已经开始实施，而对于我们人口众多，用电需求量大来说，并网式

风力发电是个很好的方式，但这种方式也存在着一些问题，下面将具体阐述。

2. 问题的提出

早期的风电场采用的是小型恒速风力发电机，它的优点在于并网研究相对简单，因为感应电机的自然滑动可以轻易的获得很大的阻尼，往往只需增加少量的额定功率既可产生很好效果；缺点在于它必然受困于电抗储能与释放能量的延时性同并网的瞬时性之间的矛盾。但目前这个问题已经得到解决，因为我们总可以通过吸收电抗储能的方法来限制电路中的电压升高。

但是随着发展，尤其是为风力发电机中同步发电机的出现，对于如何并网提出了很高的要求。对此人们提出了大量设计方案，例如在驱动装置上采用了可拆卸元件，或是使用弹簧调节器来反应发电机转子和变速箱结构。在适当的功率下这些装置可以很有效的发挥作用，使并网成功。但这些方案不足以解决对并网式风力发电技术对电能质量的控制，因此，以下将对此问题进行深入探讨。

3. 恒速恒频风电系统

恒速恒频发电机系统采用的是普通异步发电机。这种风电机组的发电机正常T作在超同步状态，转差率为负值，并且其变化范围较小，所以被称为恒速恒频风力发电机组。

目前，国内应用较多的是恒速恒频发电机组，但是电力电子装置应用较少，其中也有些机组的转子回路接入电阻，用电力电子器件控制转子电流的大小来调节转速。这种风电机组的主要缺点是：当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损坏。同时在正常工作时这类风电机组无法对电压稳定进行控制，不能和同步发电机一样提供电压支撑能力。因此，当电网故障时会影响系统电压的恢复和系统稳定。这也是普通异步发电机的风电机组的主要缺陷。其次．因为恒速恒频风力发电系统发出的电能是随风速波动的，若风速急剧变化，可能会引起风电机组发出的电能质量有问题，如电压闪变、无功波动等。通常在这类风电系统中采用静止无功补偿器SVC或TSC来进行动态无功补偿，并通过软启动方法抑制启动时的发电机电流。

4. 变速恒频风电系统

随着电机变频凋速技术的不断发展．采用双馈异步发电机和永磁多极同步电机的变速恒频风力发电系统得到了更加广泛的研究与应用。变速恒频风力发电系统有下列优点：

a．根据风速的变化．风力机以不同的转速旋转．减少了对风力机等机械装置的机械应力；

b．通过对最佳转速的跟踪，风力发电机组在可发电风速范围内均町获得最佳功率输出；

c．风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲，使输出功率的波动变化减小；

d．通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制．并采用一定的控制策略．町以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力。

因此．变速恒频风力发电系统对电网的稳定安全运行很有利。当前的变速恒频风力发电系统中较多的是采用双馈异步发电机的风电机组。该类机组在国外的应用已经很普及．困内新建的风场也

大都采用这种机型。另外,采用永磁多极同步发电机的风电机组技术已比较成熟．国外已开始应用。

在双馈风力发电机组的控制方面，电力电子装置起到了关键作用。当风速变化引起发电机转速n变化时，通过变频器调整转子电流的频率fr，可使定子频率fs恒定，即应满足：fs=pfm+fr。其中，fs为定子电流频率，与电网频率相同；fm为转子机械频率；P为电机的极对数；fr为转子电流频率。有下述3种情况：

a．n

b．当n>n1时，此时发电机处于超同步状态，由定子和转子共同向电网提供电能；

c．当n=n1时，发电机处于同步状态，此时发电机等效为同步电机运行．变频器向转子提供直流励磁。

双馈电机通过变频器调节转子的励磁电流实现变速恒频控制,此时转子电路的功率只是由交流励磁发电机的转速运行范同决定转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的一小部分，所以对变频器的容量要求、控制难度及成本大幅度降低。并且采用变频器调节交流励磁的双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，还可以对有功、无功功率实现单独解耦控制，对电网而言可起到补偿无功和稳定电压的作用}。

双馈风力发电机组有如下优点：

a．转子侧仅传递转差能量，变频器容量要求大幅降低，且发电机可在50％的同步转速时正常工作；

b．双馈电机中变频器的谐波含量较少，减少了相应的滤波器容量，降低了成本：

c．可以通过调节双馈发电机发出和吸收的无功功率，实现无功调节和电压控制。

5．永磁多极同步发电机的风电系统

在永磁多极同步风力发电机组中，在发电机和电网之间安装有电力电子变流器，可实现对有功和无功的解耦控制。且当风速发生变化时也可以保证所发电能的电能质量。

该系统的工作原理如下：首先．采用永磁多极同步发电机发出频率变化的交流电，然后通过整流装置将该频率变化的交流电整流成为直流电，最后再通过逆变器将直流电变换为工频的交流电送人电网。这种系统在并网时没有电流冲击，可以对发电机的无功功率进行调节。但是，所有的电能都要通过变流器送入电网，因此变流器容量和风力发电系统的容量相同，电力电子变流器设备成本较高，并且有高频电流谐波注入电网。与传统的风力发电机相比，永磁多极同步风力发电机组可以更多地捕获风能和提高风电机组发出电力的电能质量，虽然成本较大，但对系统的稳定运行有利。永磁多极同步发电机的转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源。其变速恒频控制是在定子电路实现的。把永磁发电机的交流电通过变流器转变为与电网同频率的交流电．因此变流器的容最与系统的额定容量相同。采用永磁发电机可做到风力机与结构．可大幅减少系统运行时由于齿轮箱等机械装置导致的故障．从而提高整个风电机组的可靠性。