风力发电并网设计讲解23230

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1、第一章 绪论 风能是一种清洁的、 储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。1 1 风力发电概述 1.1 风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约 53106亿 kWh / 年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近 20 年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国

2、的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到 2 2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有 25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了风力 12关于 2020年风电达到世界电力总量的 12%的蓝图的报告， “风力 12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计 20082012年期间装机容量增长率为 20%，以后到 2015年期间为 15%，20172020年期间为 10%。其推算的结果 2010年风电装机 1.98亿 KW，风电电量 0.43104亿 kWh， 2020年风电装机 12.45亿 KW， 风

3、电电量 3.05104亿 kWh，占当时世界总电消费量25.58104亿 kWh的 11.9%。2 世界风电发展有如下特点： （1 ）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从 600KW发展到 20005000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机 5000KW的风机, 丹麦已批量建设了单机容量20002200KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外, 可变桨翼和双馈电机的采用, 使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。 最近, 又发展了无齿风机等, 进一

4、步提高了安全性和效率。 （2 ）风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前 10 位供应了世界新增装机容量的 90% 以上的份额，集中度比较高。近来，GE 风能（GE Wind Energy） 、德国 REpower（REpower Systems AG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。 （3 ）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。 以美国为例， 风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降 15%。 中国的

5、风能资源十分丰富。根据全国 900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约 32.26亿 KW，其中可开发的风能储量为 2.53亿 KW，而海上的风能储量有 7.5亿 KW，总计为 10 亿 KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。 第一阶段是 19861990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机 200KW，总装机容量 4.2千 KW。 第二阶段是 19911995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建 5 个风电场，安装风机 131台，装机容量 3.3万 KW，最大单机 500KW。 第三阶段是 1996年后扩大建设规模阶段。其

6、特点是项目规模和装机容量较大， 发展速度较快， 平均年新增装机容量 6.18万 KW， 最大单机容量达到 1300KW。 随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大， 风力发电机的功率在向大型化方向发展。 风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展， 成为将来能源供给的支柱产业。 1.2风能发电的原理和特点 风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转， 将风能转化为机械能， 再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者

7、并网或者直接为负载供电。3 风力发电有如下特点 （1 ）可再生，且清洁无污染。 （2 ）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。 （3 ）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。 风力发电的运行方式主要有两种： 一类是独立运行的供电系统， 即在电网未通达的地区， 用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。 1.3风力发电机分类及结构 风力机经过多年的发展和演变，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为两类：水平轴风力机和垂直轴风力机。 风力机风轮的旋转转轴与地面呈水平状态称为水平轴风力机如图1-1；水平轴风力机主

8、要由叶片、轮毂、机舱、塔架构成。常见的风力机有由三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱 内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑其结构图如图1-2 图 1-1水平轴风力机 图 1-2 水平轴风力机结构 风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向称为垂直轴风力机如图 1-3 图 1-3 垂直轴风力机 1.4风力机的气动原理 风力发电机组主要利用气动升力的风轮。 气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图 1-4。 图 1-4气动升力图 从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。在产生升力的同时也产生阻力，风速

9、也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动 1.5风力机的功率 风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加 8 倍。 风轮从风中吸收的功率如下： 3pPC A v (21) 2AR (22) 式中：P 为输出功率，pC为风轮机的功率系数， 为空气密度，R 为风轮半径，v 为风速。 众所周知， 如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收， 那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于1 2 风力发电并网相关问题 由于扮能的特殊性, 与常规的

10、水火电系统相比风电系统具有很大的差别,风能的随机性风能也就是随机的和不可控制的。风力机转动惯量大，风能密度分布相对比较低, 为了尽可能捕获较多的风能, 风力机转动的叶片直径必须做的很大, 显然, 巨大的转子叶片的直径, 必然使得风力机具有较大的转动惯量。为了有效的转换风能, 风力机转子由于受到风能转换效率理论极限值是的限制, 叶尖速率比入不可能很大, 风力机的转子转动的速度不会很高, 与发电机转动的速度相差比较大, 发电机与风力机之间不能直接相连, 必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。 这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说, 风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的异步发电机。 目

11、前, 大规模的风力发电系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组, 以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定, 风能的变化将引起异步发电机转差的变化, 相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化, 这将导致系统, 特别是风电场附近电网母线电压的波动, 严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展, 新型的风力发电机可以选用变速恒频双馈异步发电机, 则无须配备补偿电容器组。这种变速恒频双馈异步发电机不仅能发有功功率, 而且还能发无功功率, 且能方便地调节有功功率和无功功率使得风力发电系统具有较好的性能。 风电场并网面

12、临的一些技术问题随着风力发电规模的不断扩大, 风力发电在电网中的比例越来越大, 风电场的并网运行对电网的电能质量! 安全稳定等诸多方面的负面影响也随着风电场规模的扩大变得愈加明显, 成为制约风电场容量和规模的严重障碍。主要面临下面一些技术问题 2.1并网方式 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，

13、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。 值得一提的是， 现代风力发电机组主要采用的就是由此装置衍生出来的软并网方式， 即采用电力电子转换装置在发电机机轴转速同电力网络频率之间建立一种柔性连接。 2.2电压波动和闪变 风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理。 图 1 为风电机组并网示意图，其中为风电机组出口电压相量

14、，为电网电压相量，R1、X1分别为线路电阻和电抗，分别为线路上流动的有功电流和无功电流相量。一般而言，有功电流要远大于无功电流。 由图 1(b)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电压降落可以忽略不计。由图 1(c)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电压降落可以忽略不计。所以有功电流和无功电流都会造成明显的电压降落， 分别为和。 当并网风电机组的输出功率波动时，有功电流和无功电流随之变化， 从而引起电网电压波动和闪变。 影响风电机组输出功率的因素很多， 其中风速的自然变化是主要因素。 风电机组的机械功率可以表示为 式中 P 为功率； 为空气密度；A 为叶片扫风面积；v 为风速

15、；CP为功率系数，表示风电机组利用风能的效率，它是叶尖速比 和桨距角 的函数，叶尖速比 定义为 式中 为叶轮转速，R 为叶轮半径。 由式(1)可见，空气密度 、叶轮转速 、桨距角 和风速 v 的变化都将对风电机组的输出功率产生影响。 风速 v 的变化是由自然条件决定的，随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输出功率将随之快速变化。 叶轮转速 和桨距角 的变化由风电机组类型和控制系统决定，先进的控制系统能够减小风电机组输出功率的波动。 此外，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响， 风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生

16、的转矩不稳定， 而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。 常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动频度为 3P（P 为叶轮旋转频率）时，最大波动幅度约为转矩平均值的 20% 。 塔影效应是指风电机组塔筒对空气流动的阻碍作用，当叶片经过塔筒时，产生的转矩减小。远离塔筒时风速是恒定的，接近塔筒时风速开始增加，而更接近时风速开始下降。塔影效应对下风向类型风电机组的影响最严重。塔影效应可以用频率为 3P 倍数的傅立叶级数表示6。由于叶片扫风面积内垂直风速梯度的存在，风剪切同样会引起转矩波动。风剪切可用以风电机组轮毂为极点

17、的极坐标下的二项式级数表示6-8。从风轮的角度看，风廓线是一个周期性变化的方程，变化频率为 3P 的倍数。 除了塔影效应和风剪切引起的输出功率波动外， 在风电机组输出功率中还可检测到频率为 p 的波动分量， 其出现的主要原因可能是叶片结构或重力不完全对称。此外，频率为塔筒谐振频率的波动分量也比较明显，它可能是由于轮毂的横向摆动引起的。 并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变， 而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。 典型的切换操作包括风电机组启动、 停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。 这些切换操作引起功率波动，并进一步引

18、起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。 2.3谐波污染 风电并网后对电力系统电流质量影响主要体现在谐波上。谐波会对电力网带来一定危害，如增加了电力网中发生谐振的可能；增加电气设备附加损耗；加速绝缘老化，缩短使用寿命；继电保护、自动装置不能正常动作；不能正确计量仪表；干扰通信系统。 在衡量电流质量的指标中，对谐波是用谐波电流含有率定义的，其定义如下： 1100%nIHRInI 其中，1I和nI分别是基波和 n 次谐波的电流有效值。 对于风电机组来说，发电机本身产生的谐波是可以忽略的，谐波电压是由电能转换系统、电力电子控制元件和电容器产生的。风机在运行期间产生的各种扰动的程度，主要依赖于其

19、装备的电能转换系统的形式。 风电并网给系统带来谐波污染主要有两种途径：一种是在风力发电机中，大量采用了具有变频功能的变速恒频风力发电机， 发电机组发出的交流电经过整流逆变装置与电网连接，从而实现发电机的频率与电网频率相独立，并维持电网频率不变。整流逆变就必然会带来谐波污染，这些谐波电流注入电力系统后，会引起电网电压畸变，降低了电能质量。第二种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。实际运行中，曾观测在风电场出口变压器的低压侧有大量谐波的现象。 风电装置中电力电子器件是风电装置中最重要的谐波源；在风电系统中，由于异步机、变压器、电容器等设备均为三相，且采用三角型或 Y 型连接方式，故不存在

20、偶次或 3 的倍数次谐波，即风电系统中存在的谐波次数为 5 、7 、11、13、17 等。风机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。 变速风电机组采用了电力电子设备。其中，双馈式异步式风电机组的发电机定子直接馈入电网，而发电机转子通过经直流环节连接的两个变流器接入电网（如图） 。永磁直驱同步风力发电机组所发电力则通过背靠背全功率变频器直接接入电网， 该背靠背全功率变频器由发电机侧变流器、 直流环节和电网变流器组成。 不论是哪种类型的变速风电机组， 机组投入运行后变频器都将始终处于工作状态。 如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内， 则会产生很严重的谐波问题。 图 1 双馈式异步式

21、风电机组 对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过因为过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。 2.4系统稳定性 大型风电机组多为异步发电机，发出有功的同时也从电网中吸收无功，其对无功的需求随着有功变化而变化。 风电这种与生俱来的特性使得它成为不能进行自身调节的电源，因此导致了风电场和电力系统进行能量交换时存在随机性，改变了系统中的潮流分布，增加了接入点电网的负担，影响了电网电压和频率的稳定性。 （1 ）对电网稳定性的影响 风电场一般在电网的末端接入， 而风电场的大规模异步风力发电机组向电网注入功率时也从系统吸收大量的无功功率， 同时风

22、电场出力的随机性造成了接入点的潮流是双向流动的， 这在原有的电网的设计和建造时是未曾考虑的。 随着风电场注入电网的功率的加大， 当地电网的电压和联络线功率会超出额定范围， 严重时会导致电网溃。 由于异步发电机具有规律恢复特性， 在系统故障发生后，若风电机组在系统故障排除后能恢复机端电压并稳定运行, 则地区电网的暂态电压稳定性便能得到维持；若风电机组在故障排除后无法恢复机端电压, 风电机组将超速运行并失去稳定, 破坏区域电网的暂态电压稳定性。 此时, 需利用风电场的无功补偿装置、风电机组的无功支撑能力在暂态过程中支撑电网电压, 或者及时切除风电机组，以保证区域电网的暂态电压稳定性。 随着风力发电

23、在整个系统中所占的比重越来越大， 风电不稳定的有功功率输出对电网的功率冲击效应也将不断增大， 严重情况下， 将会使系统的动态稳定性被破坏，导致整个系统解列。 （2 ）对地区电网电压的影响 风电机组的运行特性使得输出功率呈现波动性变化， 对电网电压造成不利影响，电压波动和闪变是其中最主要的表现形式。 风电场电压崩溃的根本原因是系统无功功率的供给不足，配置在风力发电机机端的并联电容器，在投切的过程中会引起电压的跳变，当系统电压水平较低时， 并联电容器的无功补偿量迅速下降，导致风电场对电网的无功需求上升，进一步恶化电压水平，严重也时会造成电压崩溃。 风电场不同接入方式对电压稳定性的影响，在风电场出力

24、稳定或者并网线路参数一致的情况下，应选用分布式接入；在风电场受到渐变风、阵风、切除风影响时，应选用集中式接入 （3 ）对电网频率的影响 风电并网容量越大，其功率特性对电网频率造成的影响也越大。由于风电机组投切频繁，使风电场接入系统的潮流处于一个双向流动的过程，这在一定程度上影响了系统的频率，严重时可能导致整个风电场突然切除，使得瞬间电源和负荷失衡，引起电网频率的降低 研究显示风扰动的波形和时间长度是对影响电网频率的两个主要因素， 风扰动的波形变化越剧烈, 对系统频率曲线的影响越快, 而风扰动的波形峰值越高, 对频率曲线的峰值影响越大。 2.5风电场低电压穿越 低电压穿越 (LVRT)， 指在风

25、力发电机并网点电压跌落的时候，风机能够保持并网，甚至向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常，从而“穿越”这个低电压时间( 区域) 。是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求。不同国家 ( 和地区) 所提出的 LVRT要求不尽相同。目前在一些风力发电占主导地位的国家， 如丹麦、 德国等已经相继制定了新的电网运行准则，定量地给出了风电系统离网的条件( 如最低电压跌落深度和跌落持续时间) ，只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风力发电机脱网，当电压在凹陷部分时， 发电机应提供无功功率。 这就要求风力发电系统具有较强的低电压穿越(LVRT)能力， 同时能

26、方便地为电网提供无功功率支持， 但目前的双馈型风力发电技术是否能够应对自如， 学术界尚有争论， 而永磁直接驱动型变速恒频风力发电系统已被证实在这方面拥有出色的性能。 低电压穿越- 具备能力 低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时， 电力系统故障导致电压跌落后，风电场切除会 严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越(Low Voltage Ride Through，LVRT)能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。风电机组应该具有低电压穿越能力： （a)风电场必须具有在电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力; （b)风电场电压在发生

27、跌落后3s 内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行 ; （c)风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。 3 风力发电并网问题解决方案 3.1风力发电机并网方式 同步发电机在运行中，由于它既能输出有功功率，又能提供无功功率，周波稳定，电能质量高，已被电力系统广泛采用。然而，把它移植到风力发电机组上使用却不甚理想，这是由于风速时大时小，随机变化，作用在转子上的转矩极不稳定，并网时其调速性能很难达到同步发电机所要求的精度。并网后若不进行有效的控制，常会发生无功振荡与失步问题，在重载下尤为严重。这就是在相当长的时问内，国内外风力发电机组很少采用同步发电

28、机的原因。但近年来随着电力电子技术的发展，通过在同步发电机与电网之问采用变频装置，从技术上解决了这些问题，采用同步发电机的方案又引起了人们的重视。 目前国内外大量采用的是交流异步发电机，其并网方式根据电机的容量不同和控制方式不同而变化。风力发电机组并网方法有： (1)直接并网。这种并网方法要求在并网发电机的相序与电网的相序相同，当发电机转速接近同步转速时， 即可自动并入电网， 自动并网的信号由测速装置给出，而后通过自动空气开关完成并网过程。 (2)降压并网。这种并网方法是通过在异步电机与电网之间通过串接电阻、电抗器、 自耦变压器等方式， 从而降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。由

29、于电阻、电抗器等元件消耗功率，在发电机并网后，进入稳定进行状态时，必须将其迅速切除。 (3)通过晶闸管软并网。这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管连接起来， 从而使发电机并网瞬间的冲击电流， 得到一个平滑的暂态过程。 风力发电机组常用的并网运行方式如下： (1)恒速恒频方式。风力机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定频率的交流电， 但具有简单可靠的优点， 但是风能利用率较低。恒速风电机组在运行过程中没有产生谐波电流， 但当其在投入时， 往往采用软并网可控硅装置并网， 势必造成谐波电流注入电网， 由于投入过程较短， 发生的次数也不多，谐波电流注

30、入实际上是可以忽略的。 (2)变速恒频方式。风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但输出恒定频率的交流电。 这种方式提高了风能的利用率，但需增加实现恒频输出的整流逆变的电力电子设备。 3.2电压波动和闪变评估 IEC 61400 21并网风电机组电能质量测试和评估标准中给出了闪变计算与评估方法。IEC 61400-21的主要内容包括：描述并网风电机组电能质量特征参数的定义或说明；电能质量特征参数的测量过程；这些电能质量特征参数是否满足电网要求的评估方法。IEC 61400-21定义的并网风电机组电能质量特征参数包括风电机组额定参数、最大允许功率、最大测量功率、无功功率、电压波动和谐波等，其

31、中电压波动测量和评估是 IEC 61400-21的重点。 考虑到电网中其他波动负荷可能在风电机组公共连接点引起明显的电压波动，且风电机组引起的电压波动依赖于电网特性。 因此，为了在风电机组公共连接点获得不受电网条件影响的测试结果， IEC 61400-21采用了一个无其他电压波源的虚拟电网来模拟风电机组输出的电压，虚拟电网的单相电路如图 2 所示。 图2 中的虚拟电网由一个理想的相对地电压源u0(t)、 线路电阻Rfic和电感Lfic组成，u0(t)的幅值等于电网相电压的标称值，相角等于风电机组输出电压基波分量的相角，线路阻抗角等于电网阻抗角，im(t)为风电机组输出电流的测量值，ufic(t

32、)为计算出的风电机组的瞬时电压。ufic(t)可以表示为 （1 ）持续运行过程 评估持续运行过程中的电压波动时必须涵盖不同的电网阻抗角k和风速分布情况，其中风速分布按不同年平均风速 va的瑞利分布9来考虑。以不同情况下的电压、电流测量数据作为虚拟电网的输入量，计算出风电机组的输出电压ufic(t)。根据国际电工标准 IEC 61000-4-1510提供的闪变值算法，由 ufic(t)计算短时间闪变值 Pst,fic。然后，由下式计算闪变系数 c(k) 组的额定视在功率。 根据服从瑞利分布的风速和计算得出的闪变系数， 得到闪变系数的累积概率分布函数为测量的最终结果。 为了评估一台风电机组引起的电

33、压波动，可以根据下式计算短时间闪变值 Pst和长时间闪变值 Plt 式中 ci(k,va) 为单台风电机组的闪变系数；Sn,i为单台风电机组的额定视在功率；Nwt为连接到公共连接点的风电机组的数目。 （2 ）切换操作过程 评估切换操作过程中的电压波动必须涵盖不同的电网阻抗角k情况，以及下面3 种切换操作过程： （1 ）风电机组在切入风速下启动； （2 ）风电机组在额定风速下启动； （3 ）发电机在最差条件下切换（只适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组），最差条件是指闪变阶跃系数 kf( k) 最高和电压变化系数 ku( k) 最高的情况。 由虚拟电网仿真所得的风电机组输出电压 ufic(t

34、)计算出短时间闪变值 Pst,fic之后，可根据下式分别求得闪变阶跃系数 kf( k) 和电压变化系数 ku( k) 式中 TP为测量持续时间；Ufic,max和 Ufic,min分别为切换操作过程中 ufic(t)有效值的最大值与最小值；Un为额定线电压。 对计算所得的 kf( k) 和 ku( k) 分别取平均值，即为测量过程的最终结果。 为了评估单台风电机组引起的电压波动，可以根据下式计算短时间闪变值 Pst和长时间闪变值 Plt 式中 N10为10min内切换操作次数最大值；N120为2h 内切换操作次数最大值。 如果多台风电机组连在公共连接点，则可按下式估计它们在切换操作中引起的闪变

35、 对于多台风电机组连在公共连接点的情况，由于两台风电机组不可能在同一时间完成切换操作，因此没有必要考虑多台风电机组引起的相对电压变动问题。短时间、长时间闪变值和相对电压变化值不能超过电网允许的最大限值。 国际电工标准 IEC 61000-3-711提供了估算中高压电网所允许的闪变和电压变化最大限值的方法。 3.3谐波污染解决方案 在电力系统中，电压波型是中心对称的，基本上不含有偶次谐波，存在的谐波主要是奇次谐波，而三、九次谐波可以通过变压器的 绕组进行隔离。而 11、 13次以上高次谐波由于其频率比较高，在线路传输过程中衰减比较快，在电网中所占的比重也不大。往往 5 次谐波和 7 次谐波成分较

36、多。如超过电能质量公用电网谐波 （GB/T14549-93）的允许值，须装设滤波装置解决这个问题。 因此需根据每台机的谐波发生量，计算出公共接入点上的谐波电压畸变值和谐波电流注入值， 如计算值超过允许值需要采取措施， 通过装设滤波装置使注入电网的谐波电流降低到国标允许值内， 滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。 无源滤波器是通过电容、电抗和电阻等元件串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，达到对该次谐波治理的目的。电力无源滤波器具有成本低、容量大、易实现等优点，应用较广。电力无源滤波器由电力电容器、电力电抗器和电力电阻器按一定结构组合而成。目前常用的

37、电力无源滤波器有单调谐滤波器(Single tuned filter，STF)、高通滤波器(High pass filter，HPF)等。工程上实用的无源滤波装置一般由一组或几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成。 单调谐滤波器滤除幅值大的单次谐波， 高通滤波器则滤除频率较高而幅值较小的谐波。 每组滤波器在某一谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗特性， 从而吸收谐波电流， 减小流入交流系统的谐波电流，以达到抑制谐波的目的；另一方面，无源滤波器在基波时呈容性，可以对风电场进行基波无功补偿。 这种滤波器结构简单，价格低廉，运行可靠。在出力虽风速变化，谐波也是在变化的，谐波治理有一定难度，同时无源

38、滤波器可能对某次谐波在某个条件下会起放大作用，效果会收到限制。 有源滤波器(Active Power Filter，简记为 APF)的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，使流入电源的总谐波电流为零。这是谐波治理的发展方向。随着科学技术的发展，功率电子元件的成本下降，这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的。有些情况下，采用APF和传统的滤波装置组合而成的混合型滤波器，由电容吸收高次谐波，而 APF提高滤波性能，具有较好的性价比。 用于补偿谐波的典型装置为电力有源滤波器。 80 年代以来， 由于新型电力半 导体器件的出现，PWM技术的发展，以及基于瞬时无功

39、功率理论的谐波电流瞬时 检测法的提出，有源滤波器得以迅速发展。其基本原理见图。 图 2 有源滤波器原理 用于补偿谐波的典型装置为电力有源滤波器。80 年代以来，由于新型电力半导体器件的出现，PWM技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出，有源滤波器得以迅速发展。其基本原理见图。 电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到相当的重视。电力有源滤波器的变流电路分为电压型和电流型，如图 4 所示。目前实用的装置 90%以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看，电力有源滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独使用、L滤波器混合使用

40、及注入电路方式。目前并联型占实用装置的大多数。图 5 和图 6分别为电力有源滤波器的分类情况及其主电路结构。 (a)单独使用的并联型有源滤波器 (b)与 LC 滤波器并联使用的并联型有源滤波器 (c)与 LC 滤波器串联使用的并联型有源滤波器 (d)单独使用的串联型有源滤波器 (e)与 LC 滤波器混合使用的串联型有源滤波器 图 6a 是电力有源滤波最基本的构成方式。PWM逆变器并联在电网上，相当于一个受控电流源， 产生与负载谐波大小相同而方向相反的谐波电流， 使得电源电流被补偿为正弦。这种方式下，电源基波电压全部加在逆变器上，因而装置容量较大。 这种方式的电力有源滤波器具有连续调节无功功率的

41、功能，能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率。 图 6b 中的 LC 滤波器若被用来与有源滤波器分担补偿相同次数的谐波，则可降低所需逆变器的容量， 若用来补偿较高次的谐波， 则起到了补充有源滤波器补偿性能的作用。在这种方式下，有源滤波器也可以对无功功率进行调节。 图 6c 方式下，有源滤波器主要不是用来直接补偿谐波，而是用来抑制 LC 滤波器与电网阻抗之间的并联谐振，即所谓的谐波放大现象以改善 LC 滤波器的谐波补偿效果。其逆变器不承受基波电压，因而逆变器的装置容量大大减小。 注入电路方式的并联型有源滤波器将电感和电容作为逆变器注入电路，利用电感和电容的谐振特性，使有源滤波器不承受基波电压，从而减

42、小逆变器的装置容量、减小体积、降低成本。 图6d 和 e的有源滤波器均通过变压器串联在电源和负载之间，相当于一个受控电压源。图6d 方式可以消除电源电压可能存在的畸变，维持负载端压为正弦。需指出，并联型有源滤波器一般适用于感性负载。对容性负载的谐波源，可采用单独使用方式的串联型有源滤波器， 通过控制有源滤波器的补偿电压来改变负载端的电压，从而使电源电流为正弦。图6e 为与 LC 滤波器混合使用的串联型电力有源滤波器，与图6c 方式等效。由于其所需逆变器的装置容量很小，一般不超过负载容量的3%，因而颇受关注。 3.4风电厂低电压穿越解决方案 结合我国风电场的运行经验来看， 高速发展的大规模风电装

43、机容量和滞后的电网规划建设之间的矛盾是当今风电并网难的主要矛盾。 着眼于这方面， 国内外的专家学者从各个方面进行了大量的研究，并提出了针对性的解决方案 （1 ）配备充足的无功补偿容量 在风电场并网运行过程中， 异步风力发电机需要从电网吸收无功功率来提供其建立磁场所需的励磁电流， ，因此要保证风力发电系统的健康稳定运行，为其配备充足的无功补偿容量是采取的最主要措施。目前，一般采用机端并联电容、 、静止无功发生器（SVG） 、静止无功补偿装置（SVC）以及静止同步补偿器（STATCOM）等来补偿风力发电机的无功 （2 ）提高风电机组低压穿越能力风电机组的低压穿越能力（Low Voltage Rid

44、e Through）是指风电机组在电网公公连接点电压跌落时保持并网状态并向电网提供一定的无功功率以支撑电网电压从而穿越低电压区域的能力。 典型的低压穿越曲线如图3-1所示。 图3-1 在故障发生时，电网的电压会下降，严重时可能导致功率缺额，如果不对风电场加以控制，甚至会产生“脱网”现象，给处于暂态过程中的电网引入了新的冲击，对电网的暂态稳定性将产生不利影响。随着风电场并网容量的增大，这种影响将越发明显，因此应采取措施对风电场进行相应功率控制，提高风电场的低压穿越能力，使其能在故障期间向电网提供无功功率，提高电网的稳定性。 目前常用的提高低压穿越能力的方式有两种： 一是完善风电机组整流器的控制策

45、略，研究显示，基于 H 技术和 分析法设计的控制器能有效的提高机组的 LVRT能力。二是增加其他的设备。为了在发电机并网的状态下保护转子侧的变流器，常在 DFIG转子侧电路增加 Crowbar电路，研究显示，对于 Crowbar控制的双馈异步发电机（DFIG）系统，在引入计及定子电压瞬态变化的 DFIG数学模型后，能使 Crowbar在电网电压恢复时无需动作，缩短了 DFIG在故障清除后供电的时间。 （3 ）储能技术的应用 在电力系统引入大容量储能装置，不仅可以有效减小风电对系统的冲击和影响，提高风电出力与预测的一致性，保障电源电力供应的可信度，还可降低电力系统的备用容量需求，提高电力系统运行的经济性，同时提高电力系统接纳风电的能力。应用于风电场的储能手段中，抽水蓄能因其常受环境因素制约，最常见的是铅酸电池储能。研究显示，将风电机组和储能单元相结合，利用电力储能系统快速的功率吞吐能力和灵活的四象限调节能力，则能在频繁的风速扰动下使风电场的功率输出得到平稳控制，降低风电场功率波动对电网的冲击、提高并网风电场的稳定性。