【正文】 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(jī)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(jī)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(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)動的速度不會很高 ,與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度相差比較大 ,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)行傳動。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)在啟動和運(yùn)行時所需要的激磁無功。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(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 ,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(kuò)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(yùn)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(kuò)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 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(jī)， 它的優(yōu)點(diǎn)在于并網(wǎng)研究相對簡單，因?yàn)楦袘?yīng)電機(jī)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(diǎn)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?yàn)槲覀兛偪梢酝ㄟ^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(jī)中同步發(fā)電機(jī)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(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。 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(jī)組輸出功率的波動，下面將分析并網(wǎng)風(fēng)電機(jī)組輸出功率波動引起電壓波動和閃變的機(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， R 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(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。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(jī)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(jī)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(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，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)能夠減小風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動。 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)矩波動也將造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率的波動，并且這些波動隨湍流強(qiáng)度的增加而增加。常見的轉(zhuǎn)矩和輸出功率的波動頻率與葉片經(jīng)過塔筒的頻率相同。對于三葉片風(fēng)電機(jī)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(jī)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(yuǎn)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(jī)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(jī)組輪轂為極點(diǎn)的極坐標(biāo)下的二項(xiàng)式級數(shù)表示 [68]。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(jī)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(jī)組不僅在持續(xù)運(yùn)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(jī)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(jī)組啟動、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，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 壓波動和閃變。 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(hù)、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： 1 100%nIHR In I?? 其中， 1I 和 nI 分別是基波和 n 次諧波的電流有效值。 對于風(fēng)電機(jī)組來說，發(fā)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)