風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)設(shè)計(jì)

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1、第一章 緒論 風(fēng)能是一種清潔的、儲(chǔ)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(huì)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(chǔ)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。[1] 1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(jì)約53106億kWh /年。作為可再生的清潔能源，受到世界各國(guó)的高度重視。近20年來風(fēng)電技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，發(fā)展速度驚人。而風(fēng)能售價(jià)也已能為電力用戶所承受：一些美國(guó)的電

2、力公司提供給客戶的風(fēng)電優(yōu)惠售價(jià)已達(dá)到2～2.5美分/kWh，此售價(jià)使得美國(guó)家庭有25%的電力可以通過購(gòu)買風(fēng)電獲得。 2004年歐洲風(fēng)能協(xié)會(huì)和綠色和平組織簽署了《風(fēng)力12——關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量的12%的藍(lán)圖》的報(bào)告，“風(fēng)力12%”的藍(lán)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(shì)，預(yù)計(jì)2008～2012年期間裝機(jī)容量增長(zhǎng)率為20%，以后到2015年期間為15%，2017～2020年期間為10%。其推算的結(jié)果2010年風(fēng)電裝機(jī)1.98億KW，風(fēng)電電量0.43104億kWh，2020年風(fēng)電裝機(jī)12.45億KW，風(fēng)電電量3.05104億kWh，占

3、當(dāng)時(shí)世界總電消費(fèi)量25.58104億kWh的11.9%。[2] 世界風(fēng)電發(fā)展有如下特點(diǎn)： （1）風(fēng)電單機(jī)容量不斷擴(kuò)大。風(fēng)電機(jī)組的技術(shù)沿著增大單機(jī)容量、提高轉(zhuǎn)換效率的方向發(fā)展。風(fēng)機(jī)的單機(jī)容量已從600KW發(fā)展到2000～5000KW,如德國(guó)在北海和易北河口已批量安裝了單機(jī)5000KW的風(fēng)機(jī),丹麥已批量建設(shè)了單機(jī)容量2000～2200KW的風(fēng)機(jī)。新的風(fēng)電機(jī)組葉片設(shè)計(jì)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(jì)能力和水平。另外,可變槳翼和雙饋電機(jī)的采用,使機(jī)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(jī)等,進(jìn)一步提高了安全性和效率。 （2）風(fēng)電制造企業(yè)集中

4、度較高。目前，主要風(fēng)電設(shè)備制造企業(yè)集中在歐美國(guó)家，全世界風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商的前10位供應(yīng)了世界新增裝機(jī)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(guó)REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市場(chǎng)份額提高迅速。 （3）風(fēng)電電價(jià)快速下降。由于新技術(shù)的運(yùn)用，風(fēng)電的電價(jià)呈快速下降趨勢(shì)，且日益接近燃煤發(fā)電的成本。以美國(guó)為例，風(fēng)電機(jī)組的造價(jià)和發(fā)電成本正逐年降低，達(dá)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(cè)，世界風(fēng)力發(fā)電能力每增加一倍，成本就下降15%。 中國(guó)的風(fēng)能資源十分豐富。根據(jù)全國(guó)900多個(gè)氣象站的觀測(cè)資料進(jìn)行估

5、計(jì)，中國(guó)陸地風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約32.26億KW，其中可開發(fā)的風(fēng)能儲(chǔ)量為2.53億KW，而海上的風(fēng)能儲(chǔ)量有7.5億KW，總計(jì)為10億KW。我國(guó)的風(fēng)電開發(fā)起步較晚，大體分為三個(gè)階段。 第一階段是1986～1990年我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電項(xiàng)目的探索和示范階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模小，單機(jī)容量小，最大單機(jī)200KW，總裝機(jī)容量4.2千KW。 第二階段是1991～1995年示范項(xiàng)目取得成效并逐步推廣階段。共建5個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，安裝風(fēng)機(jī)131臺(tái)，裝機(jī)容量3.3萬KW，最大單機(jī)500KW。 第三階段是1996年后擴(kuò)大建設(shè)規(guī)模階段。其特點(diǎn)是項(xiàng)目規(guī)模和裝機(jī)容量較大，發(fā)展速度較快，平均年新增裝機(jī)容量6.18萬KW

6、，最大單機(jī)容量達(dá)到1300KW。 隨著風(fēng)電技術(shù)的日趨成熟和電力規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率在向大型化方向發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電這一朝陽(yáng)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(diǎn) 風(fēng)力發(fā)電是利用風(fēng)能來發(fā)電，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的機(jī)械。風(fēng)輪是風(fēng)電機(jī)組最主要的部件，由槳葉和輪轂組成。槳葉具有良好的動(dòng)力外形，在氣流的作用下能產(chǎn)生空氣動(dòng)力是風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再通過齒輪箱增速驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，將機(jī)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(chǔ)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(diǎn) （1）可再生，且清潔無污染。 （2

7、）風(fēng)速隨時(shí)變化，風(fēng)電機(jī)組承受著十分惡劣的交變載荷。 （3）風(fēng)電的不穩(wěn)定性會(huì)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(yùn)行方式主要有兩種：一類是獨(dú)立運(yùn)行的供電系統(tǒng)，即在電網(wǎng)未通達(dá)的地區(qū)，用小型發(fā)電機(jī)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(yùn)行。 1.3風(fēng)力發(fā)電機(jī)分類及結(jié)構(gòu) 風(fēng)力機(jī)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(jī)和垂直軸風(fēng)力機(jī)。風(fēng)力機(jī)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(jī)如圖1-1；水平軸風(fēng)力機(jī)主要由葉片、輪轂、機(jī)艙、塔架構(gòu)成。常見的風(fēng)力機(jī)有由三個(gè)葉片，葉片安裝在輪轂上構(gòu)成風(fēng)輪，風(fēng)吹

8、風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)艙 內(nèi)的發(fā)電機(jī)發(fā)電，塔架是整個(gè)風(fēng)力機(jī)的支撐其結(jié)構(gòu)圖如圖1-2 圖1-1水平軸風(fēng)力機(jī) 圖1-2水平軸風(fēng)力機(jī)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(jī)如圖1-3 圖1-3垂直軸風(fēng)力機(jī) 1.4風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)原理 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要利用氣動(dòng)升力的風(fēng)輪。氣動(dòng)升力是由飛行器的機(jī)翼產(chǎn)生的一種力，如圖1-4。 圖1-4氣動(dòng)升力圖 從圖可以看出，機(jī)翼翼型運(yùn)動(dòng)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(shí)也產(chǎn)生阻力，風(fēng)速也會(huì)有所下降。升力總是推動(dòng)葉片繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng) 1.5風(fēng)力機(jī)的功率

9、 風(fēng)的動(dòng)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(jì)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(huì)增加8倍。 風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率如下： (2—1) (2—2) 式中：P為輸出功率，為風(fēng)輪機(jī)的功率系數(shù)，ρ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(jī)的空氣全部動(dòng)能都被風(fēng)力機(jī)全部吸收，那么風(fēng)輪后的空氣就不動(dòng)了，然而空氣當(dāng)然不能完全停止，所以風(fēng)力機(jī)的效率總是小于1

10、 2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(jī)性風(fēng)能也就是隨機(jī)的和不可控制的。風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，風(fēng)能密度分布相對(duì)比較低,為了盡可能捕獲較多的風(fēng)能,風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)具有較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。為了有效的轉(zhuǎn)換風(fēng)能,風(fēng)力機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的速度不會(huì)很高,與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度相差比較大,發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間不能直接相連,必須通過一定變比的升速齒輪箱進(jìn)行

11、傳動(dòng)。這樣發(fā)電機(jī)與風(fēng)力機(jī)之間的剛性度大大降低。換句話說,風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)兩大系統(tǒng)之間是柔性連接的異步發(fā)電機(jī)。 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(jī)直接并網(wǎng)的運(yùn)行方式。通常機(jī)端配備有補(bǔ)償電容器組,以提供異步發(fā)電機(jī)在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)所需要的激磁無功。異步發(fā)電機(jī)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(jī)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(chǎng)附近電網(wǎng)母線電壓的波動(dòng),嚴(yán)重時(shí)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(jī)可以選用變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī),則無須配備補(bǔ)償電容器組。這種變速恒頻雙饋異步發(fā)電機(jī)不僅能發(fā)有功功率,

12、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(chǎng)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(kuò)大,風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的比例越來越大,風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)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(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大變得愈加明顯,成為制約風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)采用的是小型恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)在于并網(wǎng)研究相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)的自然滑動(dòng)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(diǎn)在于它必然受困于電抗儲(chǔ)能與釋放能量的延時(shí)性同并網(wǎng)的瞬時(shí)性之間的矛盾。但目

13、前這個(gè)問題已經(jīng)得到解決，因?yàn)槲覀兛偪梢酝ㄟ^吸收電抗儲(chǔ)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(jī)中同步發(fā)電機(jī)的出現(xiàn)，對(duì)于如何并網(wǎng)提出了很高的要求。對(duì)此人們提出了大量設(shè)計(jì)方案，例如在驅(qū)動(dòng)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(jī)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(jī)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(jī)機(jī)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(dòng)和閃變 風(fēng)力發(fā)電引起電壓波動(dòng)和閃變的根本原因是并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)，下

14、面將分析并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動(dòng)引起電壓波動(dòng)和閃變的機(jī)理。圖1為風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)示意圖，其中?為風(fēng)電機(jī)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(dòng)的有功電流和無功電流相量。一般而言，有功電流要遠(yuǎn)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(jì)。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(jì)。所以有功電流和無功電流都會(huì)造成明顯的電壓降落，分別為和。當(dāng)并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組的輸出功率波動(dòng)時(shí)，有功電流和無功電流隨之變化，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)和閃變。影響風(fēng)電機(jī)組輸出功率的因素很多，其中風(fēng)速的自然變化是

15、主要因素。風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械功率可以表示為 式中P為功率；ρ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(jī)組利用風(fēng)能的效率，它是葉尖速比λ和槳距角β的函數(shù)，葉尖速比λ定義為 式中ω為葉輪轉(zhuǎn)速，R為葉輪半徑。 由式(1)可見，空氣密度ρ、葉輪轉(zhuǎn)速ω、槳距角β和風(fēng)速v的變化都將對(duì)風(fēng)電機(jī)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(jī)性比較強(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)組的輸出功率將隨之快速變化。葉輪轉(zhuǎn)速ω和槳距角β的變化由風(fēng)電機(jī)組類型和控制系統(tǒng)決定，先進(jìn)的控制系統(tǒng)能

16、夠減小風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動(dòng)。 此外，在并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組持續(xù)運(yùn)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(jī)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(dòng)也將造成風(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。常見的轉(zhuǎn)矩和輸出功率的波動(dòng)頻率與葉片經(jīng)過塔筒的頻率相同。對(duì)于三葉片風(fēng)電機(jī)組而言，波動(dòng)頻度為3P（P為葉輪旋轉(zhuǎn)頻率）時(shí)，最大波動(dòng)幅度約為轉(zhuǎn)矩平均值的20% 。 塔影效應(yīng)是指風(fēng)電機(jī)組塔筒對(duì)空氣流動(dòng)的阻礙作用，當(dāng)葉片經(jīng)過塔筒時(shí)，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩減小。遠(yuǎn)離塔筒時(shí)風(fēng)速是恒定的，接近塔筒時(shí)風(fēng)速開始增加，而更接近時(shí)風(fēng)速開始下降。塔影效應(yīng)對(duì)下風(fēng)向類型風(fēng)電機(jī)組的

17、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(jí)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(huì)引起轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。風(fēng)剪切可用以風(fēng)電機(jī)組輪轂為極點(diǎn)的極坐標(biāo)下的二項(xiàng)式級(jí)數(shù)表示[6-8]。從風(fēng)輪的角度看，風(fēng)廓線是一個(gè)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(dòng)外，在風(fēng)電機(jī)組輸出功率中還可檢測(cè)到頻率為p的波動(dòng)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(duì)稱。此外，頻率為塔筒諧振頻率的波動(dòng)分量也比較明顯，它可能是由于輪轂的橫向擺動(dòng)引起的。 并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組不僅在持續(xù)運(yùn)行過程中產(chǎn)生電壓波動(dòng)和閃變，而且在啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換過程中也會(huì)產(chǎn)

18、生電壓波動(dòng)和閃變。典型的切換操作包括風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)、停止和發(fā)電機(jī)切換，其中發(fā)電機(jī)切換僅適用于多臺(tái)發(fā)電機(jī)或多繞組發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組。這些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。 2.3諧波污染 風(fēng)電并網(wǎng)后對(duì)電力系統(tǒng)電流質(zhì)量影響主要體現(xiàn)在諧波上。諧波會(huì)對(duì)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(hù)、自動(dòng)裝置不能正常動(dòng)作；不能正確計(jì)量?jī)x表；干擾通信系統(tǒng)。 在衡量電流質(zhì)量的指標(biāo)中，對(duì)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(duì)于風(fēng)電機(jī)組來說，發(fā)

19、電機(jī)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(jī)在運(yùn)行期間產(chǎn)生的各種擾動(dòng)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(jī)中，大量采用了具有變頻功能的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的頻率與電網(wǎng)頻率相獨(dú)立，并維持電網(wǎng)頻率不變。整流逆變就必然會(huì)帶來諧波污染，這些諧波電流注入電力系統(tǒng)后，會(huì)引起電網(wǎng)電壓畸變，降低了電能質(zhì)量。第二種是風(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。實(shí)際運(yùn)行中，曾觀測(cè)在風(fēng)電場(chǎng)出口變壓器的低壓側(cè)有大量諧波的現(xiàn)象。 風(fēng)電

20、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(jī)、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(jī)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(jī)組采用了電力電子設(shè)備。其中，雙饋式異步式風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)定子直接饋入電網(wǎng)，而發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過經(jīng)直流環(huán)節(jié)連接的兩個(gè)變流器接入電網(wǎng)（如圖）。永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)組，機(jī)組投入運(yùn)行后變頻器都將始

21、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(huì)產(chǎn)生很嚴(yán)重的諧波問題。 圖1 雙饋式異步式風(fēng)電機(jī)組 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，不過因?yàn)檫^程很短，發(fā)生的次數(shù)也不多，通?？梢院雎浴? 2.4系統(tǒng)穩(wěn)定性 大型風(fēng)電機(jī)組多為異步發(fā)電機(jī)，發(fā)出有功的同時(shí)也從電網(wǎng)中吸收無功，其對(duì)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(jìn)行自身調(diào)節(jié)的電源，因此導(dǎo)致了風(fēng)電場(chǎng)和電力系統(tǒng)進(jìn)行能量交換時(shí)存在隨機(jī)性，改變了系統(tǒng)中的潮流分布，增加了接入點(diǎn)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(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性

22、的影響 風(fēng)電場(chǎng)一般在電網(wǎng)的末端接入，而風(fēng)電場(chǎng)的大規(guī)模異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組向電網(wǎng)注入功率時(shí)也從系統(tǒng)吸收大量的無功功率，同時(shí)風(fēng)電場(chǎng)出力的隨機(jī)性造成了接入點(diǎn)的潮流是雙向流動(dòng)的，這在原有的電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和建造時(shí)是未曾考慮的。隨著風(fēng)電場(chǎng)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(huì)超出額定范圍，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)潰。 由于異步發(fā)電機(jī)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(jī)組在系統(tǒng)故障排除后能恢復(fù)機(jī)端電壓并穩(wěn)定運(yùn)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(jī)組在故障排除后無法恢復(fù)機(jī)端電壓,風(fēng)電機(jī)組將超速運(yùn)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(shí),需利用風(fēng)電場(chǎng)的無功補(bǔ)償裝置、風(fēng)電機(jī)組的無功支

23、撐能力在暫態(tài)過程中支撐電網(wǎng)電壓,或者及時(shí)切除風(fēng)電機(jī)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(gè)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(duì)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(huì)使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性被破壞，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)解列。 （2）對(duì)地區(qū)電網(wǎng)電壓的影響 風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行特性使得輸出功率呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，對(duì)電網(wǎng)電壓造成不利影響，電壓波動(dòng)和閃變是其中最主要的表現(xiàn)形式。 風(fēng)電場(chǎng)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(jī)機(jī)端的并聯(lián)電容器，在投切的過程中會(huì)引起電壓的跳變，當(dāng)系統(tǒng)電壓水平較低時(shí)，并聯(lián)電容器的無功補(bǔ)償量迅速下降，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)對(duì)電網(wǎng)的無功需

24、求上升，進(jìn)一步惡化電壓水平，嚴(yán)重也時(shí)會(huì)造成電壓崩潰。 風(fēng)電場(chǎng)不同接入方式對(duì)電壓穩(wěn)定性的影響，在風(fēng)電場(chǎng)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(chǎng)受到漸變風(fēng)、陣風(fēng)、切除風(fēng)影響時(shí)，應(yīng)選用集中式接入 （3） 對(duì)電網(wǎng)頻率的影響 風(fēng)電并網(wǎng)容量越大，其功率特性對(duì)電網(wǎng)頻率造成的影響也越大。由于風(fēng)電機(jī)組投切頻繁，使風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)的潮流處于一個(gè)雙向流動(dòng)的過程，這在一定程度上影響了系統(tǒng)的頻率，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)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(dòng)的波形和時(shí)間長(zhǎng)度是對(duì)影響電網(wǎng)頻率的兩個(gè)主要因素，風(fēng)擾動(dòng)的波形變化越劇烈,對(duì)系統(tǒng)頻率曲線的

25、影響越快,而風(fēng)擾動(dòng)的波形峰值越高,對(duì)頻率曲線的峰值影響越大。 2.5風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越 低電壓穿越(LVRT)，指在風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落的時(shí)候，風(fēng)機(jī)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(gè)低電壓時(shí)間(區(qū)域)。是對(duì)并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時(shí)仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求。不同國(guó)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(guó)家，如丹麥、德國(guó)等已經(jīng)相繼制定了新的電網(wǎng)運(yùn)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(shí)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(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷

26、部分時(shí)，發(fā)電機(jī)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(qiáng)的低電壓穿越(LVRT)能力，同時(shí)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(duì)自如，學(xué)術(shù)界尚有爭(zhēng)論，而永磁直接驅(qū)動(dòng)型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已被證實(shí)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(jī)容量比例較大時(shí)，電力系統(tǒng)故障導(dǎo)致電壓跌落后，風(fēng)電場(chǎng)切除會(huì) 嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機(jī)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(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該具有低電壓穿越能力： （a)風(fēng)電場(chǎng)

27、必須具有在電壓跌至20%額定電壓時(shí)能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行620ms的低電壓穿越能力; （b)風(fēng)電場(chǎng)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(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須保持并網(wǎng)運(yùn)行; （c)風(fēng)電場(chǎng)升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)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(jī)并網(wǎng)方式 同步發(fā)電機(jī)在運(yùn)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(jī)組上使用卻不甚理想，這是由于風(fēng)速時(shí)大時(shí)小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精度。并網(wǎng)后若不進(jìn)

28、行有效的控制，常會(huì)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(zhǎng)的時(shí)問內(nèi)，國(guó)內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)的方案又引起了人們的重視。 目前國(guó)內(nèi)外大量采用的是交流異步發(fā)電機(jī)，其并網(wǎng)方式根據(jù)電機(jī)的容量不同和控制方式不同而變化。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，即可自動(dòng)并入電網(wǎng)，自動(dòng)并網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出，而后通過自動(dòng)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

29、在異步電機(jī)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(jī)并網(wǎng)后，進(jìn)入穩(wěn)定進(jìn)行狀態(tài)時(shí)，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(jī)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(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流，得到一個(gè)平滑的暫態(tài)過程。 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組常用的并網(wǎng)運(yùn)行方式如下： (1)恒速恒頻方式。風(fēng)力機(jī)組的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的波動(dòng)而變化，始終維持恒轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而輸出恒定頻率的交流電，但具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)，但是風(fēng)能利用率較低。恒速風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中沒有產(chǎn)生諧波電流，但當(dāng)其在投入時(shí)

30、，往往采用軟并網(wǎng)可控硅裝置并網(wǎng)，勢(shì)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(shí)際上是可以忽略的。 (2)變速恒頻方式。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的波動(dòng)作變速運(yùn)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(shí)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(dòng)和閃變?cè)u(píng)估 IEC 61400——21《并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量測(cè)試和評(píng)估》標(biāo)準(zhǔn)中給出了閃變計(jì)算與評(píng)估方法。IEC 61400-21的主要內(nèi)容包括：描述并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)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(cè)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(píng)估方法。IEC 6140

31、0-21定義的并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量特征參數(shù)包括風(fēng)電機(jī)組額定參數(shù)、最大允許功率、最大測(cè)量功率、無功功率、電壓波動(dòng)和諧波等，其中電壓波動(dòng)測(cè)量和評(píng)估是IEC 61400-21的重點(diǎn)。 考慮到電網(wǎng)中其他波動(dòng)負(fù)荷可能在風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)引起明顯的電壓波動(dòng)，且風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)依賴于電網(wǎng)特性。因此，為了在風(fēng)電機(jī)組公共連接點(diǎn)獲得不受電網(wǎng)條件影響的測(cè)試結(jié)果，IEC 61400-21采用了一個(gè)無其他電壓波源的虛擬電網(wǎng)來模擬風(fēng)電機(jī)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(gè)理想的相對(duì)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

32、標(biāo)稱值，相角等于風(fēng)電機(jī)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(jī)組輸出電流的測(cè)量值，ufic(t)為計(jì)算出的風(fēng)電機(jī)組的瞬時(shí)電壓。ufic(t)可以表示為 （1）持續(xù)運(yùn)行過程 評(píng)估持續(xù)運(yùn)行過程中的電壓波動(dòng)時(shí)必須涵蓋不同的電網(wǎng)阻抗角φk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(cè)量數(shù)據(jù)作為虛擬電網(wǎng)的輸入量，計(jì)算出風(fēng)電機(jī)組的輸出電壓ufic(t)。根據(jù)國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-4-15[10]提供的閃變值算法，由ufic(t)計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst,fic。然后，由下式計(jì)算閃變

33、系數(shù)c(φk) 組的額定視在功率。 根據(jù)服從瑞利分布的風(fēng)速和計(jì)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(cè)量的最終結(jié)果。 為了評(píng)估一臺(tái)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)，可以根據(jù)下式計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst和長(zhǎng)時(shí)間閃變值Plt 式中ci(φk,va)為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的閃變系數(shù)；Sn,i為單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組的額定視在功率；Nwt為連接到公共連接點(diǎn)的風(fēng)電機(jī)組的數(shù)目。 （2）切換操作過程 評(píng)估切換操作過程中的電壓波動(dòng)必須涵蓋不同的電網(wǎng)阻抗角φk情況，以及下面3種切換操作過程：

34、 （1）風(fēng)電機(jī)組在切入風(fēng)速下啟動(dòng)； （2）風(fēng)電機(jī)組在額定風(fēng)速下啟動(dòng)； （3）發(fā)電機(jī)在最差條件下切換（只適用于多臺(tái)發(fā)電機(jī)或多繞組發(fā)電機(jī)的風(fēng)電機(jī)組），最差條件是指閃變階躍系數(shù)kf(φk)最高和電壓變化系數(shù)ku(φk)最高的情況。 由虛擬電網(wǎng)仿真所得的風(fēng)電機(jī)組輸出電壓ufic(t)計(jì)算出短時(shí)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(φk)和電壓變化系數(shù)ku(φk) 式中TP為測(cè)量持續(xù)時(shí)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(duì)計(jì)算所得的kf(φ

35、k)和ku(φk)分別取平均值，即為測(cè)量過程的最終結(jié)果。 為了評(píng)估單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組引起的電壓波動(dòng)，可以根據(jù)下式計(jì)算短時(shí)間閃變值Pst和長(zhǎng)時(shí)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(tái)風(fēng)電機(jī)組連在公共連接點(diǎn)，則可按下式估計(jì)它們?cè)谇袚Q操作中引起的閃變 對(duì)于多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組連在公共連接點(diǎn)的情況，由于兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組不可能在同一時(shí)間完成切換操作，因此沒有必要考慮多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組引起的相對(duì)電壓變動(dòng)問題。短時(shí)間、長(zhǎng)時(shí)間閃變值和相對(duì)電壓變化值不能超過電網(wǎng)允許的最大限值。國(guó)際電工

36、標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000-3-7[11]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(duì)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Δ繞組進(jìn)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(gè)問題。 因此需根據(jù)每臺(tái)機(jī)的諧波發(fā)生量，計(jì)算出公共接入點(diǎn)上的諧波電壓畸變值和諧波電流注入值，如計(jì)算值超過允許

37、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(guó)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(dá)到對(duì)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(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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

38、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(gè)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(dá)到抑制諧波的目的；另一方面，無源濾波器在基波時(shí)呈容性，可以對(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行基波無功補(bǔ)償。 這種濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，運(yùn)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(shí)無源濾波器可能對(duì)某次諧波在某個(gè)條件下會(huì)起放大作用，效果會(huì)收到限制。 有源濾波器(Active Power Filter，簡(jiǎn)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(jìn)行補(bǔ)償

39、，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(huì)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(jià)比。 用于補(bǔ)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(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí) 檢測(cè)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(bǔ)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)，P

40、WM技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)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(duì)變化的諧波進(jìn)行迅速的動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到相當(dāng)?shù)闹匾?。電力有源濾波器的變流電路分為電壓型和電流型，如圖4所示。目前實(shí)用的裝置90%以上為電壓型。從與補(bǔ)償對(duì)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(dú)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(shí)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(dú)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 (

41、c)與LC濾波器串聯(lián)使用的并聯(lián)型有源濾波器 (d)單獨(dú)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(gè)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(bǔ)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(bǔ)償諧波的同時(shí)動(dòng)態(tài)補(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)償較高次的諧波，則起到了補(bǔ)充有源濾波器補(bǔ)償性能的作用。在這種方式

42、下，有源濾波器也可以對(duì)無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。 圖6c方式下，有源濾波器主要不是用來直接補(bǔ)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(bǔ)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(gè)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

43、。對(duì)容性負(fù)載的諧波源，可采用單獨(dú)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(bǔ)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(guó)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，高速發(fā)展的大規(guī)模風(fēng)電裝機(jī)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(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者從各個(gè)方面進(jìn)行了大量的研究，并提出了針對(duì)性的解決方案 （1）配備充足的無功補(bǔ)償容量 在風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行過程中，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要從電網(wǎng)吸收無功

44、功率來提供其建立磁場(chǎng)所需的勵(lì)磁電流，，因此要保證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的健康穩(wěn)定運(yùn)行，為其配備充足的無功補(bǔ)償容量是采取的最主要措施。目前，一般采用機(jī)端并聯(lián)電容、、靜止無功發(fā)生器（SVG）、靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）以及靜止同步補(bǔ)償器（STATCOM）等來補(bǔ)償風(fēng)力發(fā)電機(jī)的無功 （2）提高風(fēng)電機(jī)組低壓穿越能力風(fēng)電機(jī)組的低壓穿越能力（Low Voltage Ride Through）是指風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)公公連接點(diǎn)電壓跌落時(shí)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(shí)，電網(wǎng)的電壓會(huì)下降，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致功率

45、缺額，如果不對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行相應(yīng)功率控制，提高風(fēng)電場(chǎng)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(jī)組整流器的控制策略，研究顯示，基于H技術(shù)和μ分析法設(shè)計(jì)的控制器能有效的提高機(jī)組的LVRT能力。二是增加其他的設(shè)備。為了在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的狀態(tài)下保護(hù)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(duì)于Crowbar控制的

46、雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）系統(tǒng)，在引入計(jì)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(shí)無需動(dòng)作，縮短了DFIG在故障清除后供電的時(shí)間。 （3）儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用 在電力系統(tǒng)引入大容量?jī)?chǔ)能裝置，不僅可以有效減小風(fēng)電對(duì)系統(tǒng)的沖擊和影響，提高風(fēng)電出力與預(yù)測(cè)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(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)提高電力系統(tǒng)接納風(fēng)電的能力。應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的儲(chǔ)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(chǔ)能。研究顯示，將風(fēng)電機(jī)組和儲(chǔ)能單元相結(jié)合，利用電力儲(chǔ)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(dòng)下使風(fēng)電場(chǎng)的功率輸出得到平穩(wěn)控制，降低風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊、提高并網(wǎng)風(fēng)電場(chǎng)的穩(wěn)定性。