变频器在风电并网中的应用

王 玲，范遵涛山东科技大学，山东青岛 266590

变频器在风电并网中的应用

王 玲，范遵涛
山东科技大学，山东青岛 266590

近年来，随着风力发电技术的不断发展以及日益严峻的能源匮乏形势，风力发电逐渐受到人们的广泛关注，风电并网的规模也越来越大。风电并网比例的增大势必会对电网的稳定运行产生不利影响，本文简单介绍了风电并网对电网产生的影响，分析了变速恒频风力发电机的结构和工作原理以及交—直—交变频器在变速恒频风力发电机中的应用。

风电并网；变速恒频；变频器

随着人类社会的发展和科学技术进步，面对日益严峻的能源匮乏形势，人们积极寻求可以替代传统化石能源的新能源，风力发电凭借它技术成熟，成本低和清洁无污染等优势逐渐得到人们的重视。发展风电是改善能源结构和应对气候变化的重大举措，是我国能源战略的重要组成，风电的并网运行将在很大程度上缓解能源危机，风电并网具有很大的发展空间。与此同时，随着风电并网的规模的不断增大，对电网稳态运行的不利影响也日益突出，为了实现风电并网的稳态运行，必须了解风电并网是如何影响电网的，本文以带变频器的变速恒频风电发电机为例，给出了应对风电并网不利影响问题的一种解决方案。风电并网还有很大的发展空间，风力机的结构和性能也有待改进。

1 风电并网运行的特点

风力发电机依靠风力发电，由于自然风的风速风向具有随机性、不可控性以及不连续性等性质，因此风力发电机的输出电压和频率也是不断变化的，风力机的输出电能无法直接使用。

由于风能的能量密度不如水能等能源的能量密度高，因此风力机的单机容量相对较小，这是风力发电与水利发电和火力发电相比的一大弊端。

2 风电并网对电网的影响

2.1 对电能质量的影响

在风电容量比较高的电网中，风电并网会对电网的电能质量产生很大的影响，其中包括电压的波动和闪变、频率的偏差、由于电网中的电力电子装置所造成的谐波污染等问题。由于风速风量风向的不可控问题，会导致风力发电机的出力不可控，若将风电机组直接接入配电网，随着风速的变化，风力机会有相应的动作来调节，若风速过高时，风机会自动切机，如果切机的范围比较大的话，很可能会造成整个电网系统的崩溃和瘫痪。这对电网造成的影响将是十分巨大的。

2.2 对电压稳定的影响

大范围的风电并网会造成电网电压骤降，这是风电场对电网无功功率的消耗造成的，这对于电网电压的稳定运行十分不利。

2.3 对电网频率稳定的影响

电网的稳态运行需要保证电网的频率保持在一个相对稳定的数值，电网频率的变化跟电网的有功功率的变化有关系。风力发电机由于风速等因素的波动，会导致输入电网的有功率的波动，功率的波动又会造成电网频率的波动，最终造成系统调频的难度加大。

3 带变频器的变速恒频风力发电机

3.1 变速恒频风力发电机的结构和工作原理

在风力发电过程中让风车的转速随风速的变化而变化，通过其他控制方法来得到恒频电能的方法称为变速恒频发电。变速恒频风力发电系统在并网时可以定子直接上网，通过改变转子电流的相位和幅值来调节有功功率和无功功率，它采用双向变频器通过对发电机的转子侧进行励磁，定子侧直接输出与电网电压频率和相位相同的电能，无需在接入电网之前加变频转换装置。另一种并网方式是发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接，当风速变化时，风力机和发电机的转速随着变化，发电机发出的为变频交流电，必须通过变频器的转换后才能与电网相连，交—直—交变频器可以用来进行频率转换，以直接驱动的风力同步发电机为例，在变频恒速风力发电系统中，风力机直接与发电机相连，不需要通过齿轮机升速，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连。交-直-交变频器的主电路包括整流和逆变两部分。整流电路把来自交流发电机的交流电变成直流，经电容或电感滤波，再由逆变电路将直流电转换为交流电送给电网，其基本结构如图1所示。

3.2 脉冲宽度调制技术

PWM技术是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变为一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，按一定的规则对各脉冲的宽度和脉冲序列周期进行调制，从而控制逆变器的输出电压和频率。

由于电力电子技术的不断发展和电力电子器件制作水平的不断成熟，变频器在风电并网中的应用也越来越广泛。

3.3 变速恒频风力发电机的特点

在变速恒频的风力发电系统中，当风速变化时，可以实现最大风能捕捉，发电机的转速随风速的变化而变化，发电机发出的交流电为变频交流电，通过变频器变频后获得可以与电网直接相连的恒频交流电，需要变频器作为一个转换装置接入系统，由于同步发电机通过变频器与电网相连，并网时不会产生较大的电流冲击，由于发电机的频率和电网的频率是相互独立的，因此并网过程比较平坦，不会对电网的稳态运行造成太大影响，但是由于变频器的接入，就会向电网注入高次谐波，这会对电网的电能质量产生一定影响，另外，电力电子装置的价格一般较高，控制较为复杂，这就需要电力电子技术的更加进步和电力电子器件制作水平的不断提高来完善。

4 结论

风力发电作为一种传统化石能源的替代能源，具有很大的发展前景和必要性，由于现在风力发电并网的发展还受到技术资源等因素的制约，要想提高风电并网的稳定性，有效控制风电并网对电网造成的影响，除了协调好风电并网的容量和接入点之外，还应该加强对风电并网处电网的实时监测和反馈，这就需要软件和硬件的共同支持，所以技术要先行，风电并网的发展空间很大，未来会吸引更多的人投入到风电并网的建设中来。

［1］孙自珂.风电并网对电力系统可靠性影响研究［D］.济南：山东大学，2015.

［2］王旭光，房绪鹏.电力电子技术［M］.东营：中国石油大学出版社，2009.

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1674-6708（2016）168-0237-02

王玲，山东科技大学。

范遵涛，山东科技大学。