风力发电中的电能质量问题分析李春会

风力发电中的电能质量问题分析李春会

李春会张明

中广核苏右风电场内蒙古锡林郭勒盟011299

摘要：风力发电为我国电能做了很大的贡献，是其主要来源之一。但是，风力发电厂的容量也随着时代的进步不断增加，这对电网系统的整体产生了一定的影响。风力发电厂位置区域通常离供电网络的中心处较远，而大多数会位于人口数量不多的区域，所以，承受的冲击力不会过大。但是对风力发电技术进行使用的过程中或许会导致配电网产生闪变或谐波污染等情况，并且风力发电过程中也有可能受到发电随机性的影响。因此，如何利用风力发电技术进行电能质量的控制也成为当下各企业关注的方面。

关键词：风力发电；电能质量；发电技术；电能质量

1风力发电系统类型与特点

1.1恒速恒频风力发电系统

恒速恒频风力发电系统，通过保持发电机的转速不变，获得与电网频率一致的电能。其构成相对简单，主要采用同步电机与鼠笼型感应电机作为其发电机。同步电机转速取决于极对数和频率，鼠笼型感应电机转速则稍高于同步转速。其特点是设计简单可靠，造价低，维护量小；缺点是气动效率低，结构负荷高，只能在同步转速下运行，操作实现复杂，当风速改变会使其偏离最佳运行转速。

1.2变速恒频风力发电系统

变速恒频风力发电系统是主流的风力发电系统，其风力机采取变速运行，发电机转速随风速变化，通过电力电子变换装置得到恒频电能。在风速变化情况下，通过此系统可以在捕获最大风能的同时调节发电机转速，使其输出最大功率。同时，变速恒频风力发电系统可以调节发出的有功功率和无功功率，能补偿电网的功率因数。此外，该技术还能使发电机组与电力系统之间形成柔性连接。变速恒频风力发电系统相比恒速恒频风力发电系统，更易实现操作，具有明显的优越性。

2风力发电技术的基础

2.1同步风力发电技术

风力发电技术最理想的状态是同步发电机组和风力发电机组两者之间步调一致、完美结合。一般情况下，因为风速一直是变幻不定的状态，所以受之影响的发电转子也会有大幅度的摇摆不定，就导致了风力发电调速无法达到同步发电机的精度，很容易出现失步状况。正是因为存在这一难题，同步发电机虽然在一些领域有所涉及，但一直都没有大规模去做推广应用。如何使同步发电机与风力发电机有效协调步调同步，一直是电力学方面研讨的关键与核心。电力及相关专业的专家学者在研发出可以有效应对此难题的变频设备之后，即将其运用到同步风力发电技术中并不断加以完善，在坚持不懈的努力之下，同步发电与风力发电运营组已经实现了初步的有机结合，前景看好。

2.2异步风力发电技术

与同步风力发电技术有所区别的是异步风力发电技术，即异步发电动力组与风力发电动力组两者结合后再一同运转。异步风力发电技术在运用方面优于同步风力发电技术的是没有那么多的限制条件，它并不需要风力发电调速准确达到同步发电机的精度，只要在发电转子运转时风力发电调速异步发电机的转动转速保持一定程度上的协调与一致即可。当然，有优点，也就会有不足之处。当风力发电动力组与异步风力发电动力组完成之后，很有可能因为一些突发状况如冲击电流过大、电压下降等而直接造成整个运行中的风力发电系统的瘫痪，稍不注意就容易发生危险事故。想要解决异步发电机机组不易的问题，有效规避风险危机也并非易事。目前能做到的也只是加大加强对异步风力发电机组的运转监管。同时还应积极寻求技术创新和突破，以求从根源上杜绝安全隐患。

3我国风力发电的概况

我国风能资源丰富，中国气象局2004年至2006年组织开展的第三次全国风能资源普查结果显示，我国陆域离地10米高度可开发风能总储量约有43.5亿千瓦，其中，可开发和利用的陆地风能储量有6亿到10亿千瓦，近海风能储量有1亿到2亿千瓦，共计约7亿到12亿千瓦。主要分布在“三北”（西北大部、华北北部、东北北部）地区、青藏高原腹地、东部沿海陆地、岛屿及近岸海域。另外，内陆也有一些局部风能资源丰富区。我国风能资源受地域和季节的影响明显：北部地区风力较南部地区强；冬春两季受西伯利亚高气压的影响，风力较夏秋两季强。因此，我国的风能资源季节分布与水能资源季节分布可以互补。发展风电可以一定程度上弥补冬春两季枯水期水电发电量之不足。

截止2009年末，我国电力装机8.74亿千瓦，全社会用电量36430亿千瓦时，已经成为电力生产和消费的大国。目前，火力发电居于我国电力生产的主导地位。根据中国可再生能源学会风能专业委员会公布的统计数字，2009年底，风电累计装机容量达到2580万千瓦，占总装机的2.95%。其中风电装机1613万千瓦，同比增长了92.26%，风电装机容量新增1380万千瓦，新增装机世界第一，累计装机达到2580万千瓦，超过德国，位列世界第二。2009年中国（不含台湾省）新增风电机组10129台，累计风电机组达到21544台。

从风电装机容量分布来看，累计装机容量超过100万千瓦的省有9个，超过200万千瓦的省有4个。其中，内蒙古自治区累计装机容量920万千瓦，河北省278万千瓦，辽宁省242万千瓦，吉林省201万千瓦。目前，我国能源政策调整将加快各种清洁能源和可再生能源的开发利用，风电也是国家产业指导目录鼓励类行业，其装机容量和发电量将持续提高。

我国风电建设始于20世纪80年代，至今已有20多年的历史。在发展初期，风电建设速度缓慢，风电项目不仅规模小，装机容量不足1万千瓦，而且设备主要依靠进口，建设成本高，市场竞争力弱。到2002年末，全国风电装机容量仅为45万千瓦，最大投运机组为600千瓦。近年来，随着风电技术进步和国家产业政策的扶持，我国风电得到快速发展。

风电场的投资以国有电力企业为主、从事能源开发建设的央企为主，主要有五大电力集团、国开投、中广核、中海油、中节能、国家电网、中国水电建设集团、三峡总公司、神华集团等。2009年新增装机容量中五大电力集团企业投资的占到了54%。另外还有：国开投、中广核、中海油、中节能、国家电网、中国水电建设集团、三峡总公司、神华集团等。国电龙源集团是目前国内最大的风电公司，2009年6月装机容量达到300万千瓦，在11个省（区）有50个风电场，占全国的近四分之一。2009年末，大唐集团公司风电装机规模突破300万千瓦，达到302万千瓦。

4风力发电对电网质量的影响

4.1电压波与闪变

风电为一种清洁型能源，但是因为近年来风电容量不断增加，时很容易会对整个电网电压造成影响，产生电压波动与闪变。如果风力发电时，所选连接位置相距配电变压器过小，风电接入电网后产生的电压闪变只会造成比较小的影响，但是此种接入方式会对电流产生较大影响，馈线附近的电压会出现大幅度的波动，进而会造成发电的用电设备受损，导致风力发电无法正常进行。另外，接入风力发电后电网电压还会增大，尤其是现在风力发电应用最多的是异步电机，发电机处于正常运行状态下，构建旋转磁场需要消耗大量的无功功率，而功率分布方式的变化直接影响着电网电压，后会消耗掉一部分无功功率，进而会使得电网线路上的压降增大。

4.2谐波影响

风力发电过程中会产生一系列谐波，而对电网整体运行状态产生影响，主要可以从两个方面来进行分析。第一，时涉及到的逆变器形成的谐波。第二，接通风力电源以后，运行时也有可能会产生谐波。谐波被引入电网中，会直接影响整个结构的电能质量。另外，现在风力发电常用的为软技术，整个过程会产生较大冲击电流，如果切出风速小于外界风速，风机便会脱离额定处理状态，同样也会对整个电网电能质量产生影响。

5电能质量控制策略

5.1提高电能质量

电能质量的高低影响着人们的日常生活和工作，因此在改善电能质量的基础上，必须有所提高。很多城市的电能质量虽然得到了改善，但还是没有办法满足人们的需求，因此，提高电能质量成为了人们的迫切要求，对于科研人员来说也是一项重要的任务。要想提高电能质量，首先要找出供电电压超过允许偏差的原因，经过大量的调查和研究，我们发现原因主要有三点，一是冲击性负荷、非对称性负荷的影响；二是调压措施缺乏或使用不当；三是线路过负荷运行。根据上述三点原因，使用风力发电技术可以有效的提高电能质量，不仅节省了运营成本，而且对风能的利用率也提高了不少。

5.2抑制电压的闪变和波动

5.2.1加设动态电压恢复设备以及优良补偿装置要想利用技术来实现电能质量的有效控制可以通过在系统中加设动态电压恢复设备，并且还需添加更具有优良特性的补偿装置。因补偿装置本身具有能够储存能量的单元，能够在无功功率被提供出去的同时可以补偿有功功率，所以，可以进一步使电能质量得到有效地控制与提升。

5.2.2添加有源电力滤波设备

在利用技术对风力发电进行实际工作时，为了防止出现电压闪变现象，可以在负荷电流出现剧烈波动的时候，补偿因负荷变化而产生的无功电流，进一步实现及时补偿负荷电流的目的。可关断电子设备是风力发电过程中的一种电子零件，用于有源电力滤波设备中，所以，可以借用电子控制设备来替换此过程中中的系统电源，将畸变电流输送给电压负荷，保证系统的正弦基波电流只提供给负荷电流。电能质量控制过程中用到的有源电力滤波设备具备很多优点，如具备很强的可靠性、快速的反应能力、大幅度地电压波动状态以及高闪变补偿率与高稳定率等。

5.3改善电能质量

电能质量就是电力系统中电能的质量，理想的电能应该是完美对称的正弦波，但有些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。很多城市的电能质量较低，对人们的生活和工作产生了很大的影响，因此必须改善电能质量。主要方法为：首先可以改善电功率因数，使无功就地平衡，但要注意的是，一定要合理选择供电半径。其次要合理选择供电系统线路的导线截面，但要注意合理配置变电与配电设备，防止其过负荷运行。第三要适当设置调压措施，例如串联补偿、变压器加装有载调压装置、安装同期调试相机或者静电电容器等。以上三种措施，在实际的应用中对电能质量的改善具有良好的效果，可以大力推广。同时，我们要注意及时对百姓的用电情况进行调查，找出不足之处，以便于对电能质量及时进行改善。

6风力发电技术与电能质量控制

经过多年的研发，风力发电技术已经开始应用在人们的生活和工作当中，虽然存在一定不足，但对于电能质量的控制也起到了一定的积极效果，改善了人们的工作和生活。在日后的发展当中，相信风力发电技术能够成为电能质量控制的主要技术。在现阶段的社会，电能已经成为人们离不开的一项重要资源，而利用风力发电不仅能够节省资源，还能提高电能质量，是一项非常可取的措施。风力发电技术与电能质量控制是密不可分的，前者对后者具有促进作用，而后者是检验前者的有效方式。二者相辅相成，对人们的生活和工作产生了较大的积极影响。

结束语

风力发电规模迅速扩大，风电场是电力系统发展趋势。但风力发电过程中产生的电力谐波、电压波动及闪变等问题，严重影响着风力发电的效率。只有这些问题得到有效解决，才能发挥风力发电效能，使整个发电系统稳定运行。

参考文献：

[1]汤韬.大规模风电场影响的研究[D].长沙：湖南大学，2017.

[2]黄永宁，张爽，周建丽，等.风电场风力发电机类型对网侧电能质量特性的影响[J].电力建设，2018，34（5）：99-105.

[3]魏巍，关乃夫，徐冰.风力发电技术及电能质量控制[J].吉林电力，2017，42（5）：24-26.

[4]李雅倩，茹意，何瑶.风力发电中电力电子技术的应用[J].科技风，2018（17）：202，211.

[5]何东升，刘永强，王亚.型风力发电系统的研究[J].高电压技术，2018（01）.

[6]耿华，杨耕，马小亮.型风力发电机组的控制技术综述[J].电力电子技术，2017（06）.

[7]韩俊良.风力发电设备的技术特点及发展前景[J].机械研究与应用，2018（05）.