宋慧君
国华（齐齐哈尔）风电有限公司 黑龙江省 161006
摘要：近年来随着中国经济的崛起，社会上对用电量的需求逐渐增加，其中风力发电发展较快，具有高效和环保的显著优势，装机容量也几乎是翻倍增长。但是电机组脱网事故概率也呈现上升趋势，如果得不到妥善解决，电网运行质量将无法保证。在这样的背景下，风电并网问题就显得至关重要。本文将重点研究风电并网的关键技术，以便为今后的风力发电安全提供保障。
关键词：风力发电；电场并网；关键技术
引言：就目前的情况来看，用电需求量逐年攀升，再加上环保理念的深入，风力发电逐渐受到社会的重视，近几年风力发电得到了较快的发展，随之而来的就是装机容量的增加，风电并网问题在一定程度上给电网的可靠运行造成了困扰。在酒泉等地区就曾经发生过大规模机组脱网事故，影响了正常供电。基于此，对风电并网技术提出较为严格的要求是确保电网运行效率的关键。
一、低电压以及风力发电机组的穿越能力
低电压穿越主要是指在电压跌落的时刻，依然可以保持并网的状态，并且在此基础上提供一定的功率给电网，帮助电网恢复到正常的电压，一直到电网可以正常供电为止，“穿越”低电压时间段。下图1为相关技术规定中的具体电压穿越要求，其中横坐标象征着电压跌落时间，而与其对应的纵坐标代表着跌落深度。从下图中我们可以看出，当电网电压满足跌落情况时，此时的并网机组才能够完成脱网，与之相反将会继续保持并网的状态。举例说明，当电压跌落幅度达到80%时，并且相应的持续时间在0-0.625秒的范围之内，电机组此时依然需要维持并网。
图1 低电压穿越的具体要求
总而言之，在整个电网中，当风电所占据的比重较轻时，一旦电网有故障出现，此时风机组就会被动开启自我保护功能，并且采取立即解列的措施。在这样的条件下是不需要考虑故障的严重程度以及持续时间的，通过这样的自我保护设置可以有效确保风机运行的安全性和可靠性。与之相反，如果在电网中风电具有比较高的占比，此时风机如果在电网故障时依然采取解列手段，那么会导致增大系统的修复难度，情况较为严重的，还会加剧故障，造成更大的影响。最严重的后果是导致系统现有的全部风电机组解列，在这样的情况下，对风电机组的要求将会更加严格，必须要求机组拥有一定的电压穿越能力，并在此基础上，搭配使用有效并且安全的电压穿越措施，以此来达到增强电网稳定性和可靠性的目的。就现阶段来看，在风力发电过程中，实际使用的设备类型众多，例如：笼型异步、绕线型异步、双馈异步以及全功率发电机等。要结合实际情况灵活选择，保证供电安全。随着科技的进步和发电系统的逐步完善，风力机变速设计水平得到了显著提升，在实际工作中，为了可以进一步提高风能的利用率和转换效率，目前变速恒频控制技术应用较为广泛，而与之相匹配的发电机以双馈异步和永磁同步发电机为佳。接下来我们将具体研究以上两种发电机类型（双馈异步和永磁同步发电机）的实际低电压穿越水平。
（一）双馈异步发电机
双馈异步发电机也被称之为变速恒频发电，在实际运行阶段，因为风力机变速的速度可以在一定的范围内进行调节，从而得到一个比较优化的系数，使风机风能利用达到一个理想的状态，不但系统的运行效率可以得到保障，维持高效平稳的状态，还可以保证较好的电功率输出。借助变频器装置实现并网的风电机组，通常情况下，不拥有发无功能力，但是在调节变频器的帮助下，基本上可以在机组并网时最大限度提升功率因数，确保高水平运行。与此同时，变速恒频机组通常具备一定的调压能力，并且在有功功率发出的同时，伴随无功功率发出，结合系统的实际需要，在相应范围内对无功输出进行有效调节。但从现阶段来看，安装的风电机组大部分是没有调压功能的，在机组运行中机端功率因数经常保持在1.0左右[1]。其原理图如下图2所示。
图2双馈异步发电机
双馈异步发电机目前应用相对广泛，其定子侧和结电网直接联结， 这种直接耦合的状态使得电网运行过程的电压降落情况可以直接通过定子端电压反映出来，造成定子磁链形成暂态直流成分，当出现不对称故障时，暂态负序分量也会形成，定子磁链的负序分量以及直流量和转速较高运转的电机转子相比会产生较大的转差，这种转差会在 转子绕组阶段感生出超强的电势，并在此基础上形成强大的电流，这样的变化会导致转子电路电流和电压同时大幅增加。因为电磁转矩的逐渐减少，随之电机转速也会提升，在两者的作用下，转差率越来越大，此时电网的无功功率会呈现递增趋势，直到超速引发失稳运行。双馈异步发电机从某种意义上来说想要真正实现低电压穿越，还是比较困难的。想要达到理想效果可以通过在输出线上安装Crowbar电路的方法来增强电压穿越性能。
（二）直驱式发电机
直驱型发电系统主要借助同步式发电机完成发电，并以此为前提条件，通过功率转换电路的方法将电能经过转换后直接并入电网，通过这样的方式可以节省大量的时间，是对传统双馈式发电的创新和完善，在双馈式发电中原本齿轮箱的故障率是比较高的，通过改良之后，可以弥补双馈式发电的不足，使电网性能更加高效和平稳。从而系统效率得到了明显的提升，可以从根本上抑制噪音，起到减噪的作用，系统可靠性增强，从目前应用的现状来看，更加容易受到市场青睐。随着越来越多直驱式风电系统的应用，全功率变流的相应技术得到了进一步的发展和推广。采用这种较为先进的并网技术，可以促使发电机调速范围和风轮调速范围得到合理扩展，在原来的基础上提升0-150%的转速，风能利用范围明显增加[2]。其运行原理图如下图3所示。
图3 直驱式发电机运行原理图
从上图中我们可以知道，其中PMSG借助全功率变流器，可以实现和电网的紧密连接，PMSG和电网是完全解耦的，即使此时电网电压发生跌落，也不会对电枢绕组产生直接影响，在电机运行阶段不会形成暂态直流磁链，电枢绕组中也没有电流和电压产生，发电机组可以连接电网继续运行，为电网运行提供无功功率支持和有功功率支持，在这样的基础上，PMSG可以比较便捷地实现低电压穿越。与此同时，通过双向变换器连接直流母线，可以起到一定的隔离作用，将风电机组和故障分离开，即使在出现故障的前提下，也可以确保风力发电机组不间断向电网提供能量，提高风电机组的运行效率，保证其运行的稳定性和可靠性。
在风电场出口位置的升压变压器一般情况下都装有SDBR，也就是我们常说的串联制动电阻，可以进行集中安装（在风电场出口位置）；也可以分布安装（在机组出口处）借助SDBR能够和桨距控制配合，消除对桨距的依赖。
另外，和无功补偿进行配合，既可以满足电压支撑的实际要求，又可以在一定程度上节省补偿装置容量。
二、高电压穿越能力
电场并网除了要具备低电压穿越功能之外，根据现在最新电网要求，风电机组还应该具备高电压穿越功能。和低电压穿越研究相比，关于高电压穿越的研究相对较少，初期并没有受到重视，直到近几年才开始重视高电压穿越的重要性。在学术界有个统一的说法，将高/低压穿越统称为故障穿越，并在此基础上制定相应的电场并网导则。导致高电压故障发生的原因有：第一，单向接地故障发生时，非故障相电压此时会明显升高；第二，大电容投切；第三，电流扰动；第四，突然甩负荷等。高电压故障发生时，也会有不平衡功率形成，不平衡功率会随电网馈入变流器。从破坏程度来说，高电压故障破坏程度相对较轻，想要实现高电压的有效穿越，可以分别从加装硬件、控制策略优化等角度入手，或者是将两种手段合理叠加，确保高电压的穿越质量。在高电压期间，可以采用控制电网侧等电压矢量的方法，使各个器件所分担的电压不超过电网电压。若并网导则关于无功补偿量并没有提出具体的要求，那么此时的高电压穿越标准就要在确保有功输出不变的基础上，结合变流器电流输出最大的无功功率，以此来确保高电压期间各个器件的安全。
三、无功补偿以及谐波
在电网系统中，需要随时根据电压的波动情况调节无功输出，这对维持电压的稳定具有重要作用，同时抑制系统电压也可以得到有效控制[3]。目前风电场中关于无功补偿主要是通过投切电容器来实现，通过这样的方式可以基本上满足系统对无功的需求，进行有效补偿，值得注意的是，补偿容量调节具有离散性的特点，并且调节速度缓慢，存在电压负特性等不足，因此，在一定情况下，系统电压质量以及系统的稳定性是无法保障的。
（一）无功补偿
电网在实际运行阶段，为了有效避免大规模电机组切机而产生的电压不稳问题，在大容量发电厂停止运行时，系统会因为突然中断大量无功注入，而面临电压崩溃的危害。再加上，风电场通常都会位于和负荷中心距离较远的电网边缘，因此与电网间的信号连接相对较弱，基于这样的情况，当切机时会造成无功功率无法及时被系统消化，当故障发生后，因为无功功率的存储，整个系统可能会存在一定的危险。基于此，条件允许的情况下，可以选择在风电场的接入位置安装具有快速无功补偿的仪器设备, 无功补偿设备要拥有双向补偿功能，例如常见的静止无功补偿设备以及静止无功发生设备等。
（二）谐波问题
由于风速具有随机波动的特性，并且容易受到风电机组运行尾流的影响，导致风电机组并网的输出功率存在较为明显的波动，从而导致电网电压发生波动和出现闪变等问题，而变速风电机组应用的大量电子变频设备会在一定程度上带来谐波或者是间谐波等问题。基于此，在实际工作中需要对并入电网的风电机组进行电能质量的相关测试，以此来避免谐波问题的产生，维持电网的稳定性，同时加强对接入点的监测和管理工作，主要是针对电能质量的监测和实时管理，为了从根本上抑制风电场造成的电压波动问题和闪变现象,在条件允许的情况下，应该尽可能选择规模较大的风电场，将其接入到短路容量相对较大的变电站。
四、备用容量和相关的风功率预测
系统设计旋转备用的主要目的是为了制定应急预案，预防突发事件的发生，即使发生不确定事件也可以进行合理有效的控制。因为风能存在很强的间歇性以及随机性，想要有效和准确预测风电在具体实施过程中是非常困难的，存在极大的误差，一般误差比例可以达到15％-20％左右，可见风功率预测的困难性。而在一些风能资源十分丰富但经济水平却比较低的地方，规模较大的风电电力是无法消纳的。另外，地区负荷特性和风电场的实际风电功率特性正好相反，也可以称之为反调峰特性，结合这样的情况，在进行电场并网时，需要电网准备众多的备用电源以及调峰容量，这在一定程度上也会增加电场并网的成本，运行费用也会随之增加，对于经济不发达的地区来说，难度较大[4]。
传统调度计划的实施和编制，主要是建立在电源可靠性的基础上，并且还要依据负荷的可预测特性，当风电容量达到相应的规模后，风电的随机性以及风电的不可预测特性会带来极高的难度给传统调度安排工作，并且阻碍后期的实施。通常情况下，如果无法对风电场的风功率进行科学有效的预测，其预测水平不能满足工程实用程度，那么相应的调度计划编制将无法得到完善，方法也得不到创新和改进,会严重影响风电机组的运行效率，电网很难满足风电场（大容量）接入的实际要求。
与此同时，当风电功率能够预测并且可以保证足够的精度时，需要将风电功率充当负的负荷，并将其叠加到预测曲线上，这样就可以有效完成风功率预测。并像传统的调度方式一样，结合预测的实际负荷量以及风电功率等参数，合理安排机组的日常发电计划，使风电机组发电变得安全可靠，可以满足当地基本的用电需求，通过科学的发电计划设计，可以起到优化发电机组的作用，使开机组合更加优化和高效，通过合理的组合在确保运行效率的同时，还可以将电网运行成本科学有效控制。基于这样的现状，精准的风电功率预测是必不可少的，风电场需要从思想上意识到风电功率预测的重要性，掌握风电功率预测的关键技术和相关注意事项，确保风电功率预测的质量和效率，为合理安排风电机组作业提供有效参考和充足保障。
五、低压侧保护
大规模风电在进行电气量保护时，主要的目标都是为了保护风机，确保其性能的稳定性，相关的设计工作也都是围绕其展开的，在实际工作中，电气量保护和继电保护所遵循的原则和系统稳定要求存在矛盾，在较为传统的35kV系统中，基本上需要按照确保供电可靠性的基本原则来进行整定，而当接入大规模风电后，需要秉持快速切除故障的基本原则，将电网故障范围合理控制，避免越级故障的出现，从而影响系统运行的稳定和安全，其中增加零序保护是最有效和最直接的方法。增加零序保护的具体功能如下：主变压器配备的低压侧装置可以很好反映单相接地故障，增加零序保护可以在一定程度上充当母线接地故障的防护以及馈线故障的后备保护。与此同时，采用增加零序保护措施可以提高设备的灵敏性，缩短动作时间，实现故障发生的快速定位，并及时作出反应。通过增加馈线零序保护，使其和主变零序保护相互配合，在两者的共同作用下，当馈线发生接地故障时，可以快速切除故障，将故障有效控制，确保线路的安全性，从而避免越级故障的发生，维护系统稳定。
结论：综上所述，本文主要从低压侧保护措施、备用容量和相关的风功率预测手段、无功补偿以及谐波以及风力发电机组的穿越能力等方面，重点研究大规模风力发电场并网的关键技术，以便进一步提高风力发电水平。
参考文献：
[1]肖浩庆.适用于大规模海上风电的并网技术分析[J].电力设备管理,2019(09):76-78.
[2]邹璐.风电新能源的发展现状及其并网技术的发展前景研究[J].无线互联科技,2019,16(17):130-131.
[3]辛博然.风力发电并网技术及电能质量控制措施[J].电子技术与软件工程,2019(11):228.
[4]徐明.刍议风力发电并网技术及电能质量的提升[J].绿色环保建材,2017(09):200+202.