摘要：通过比较和分析国内外的风电场在接入电网时所需要的技术规范，研究出了对风电机组进行控制的要求及与其相对应的控制的目标。阐述了VSCF（变速恒频）风电机组在以目标为MPPT（最大功率点跟踪）的控制方案；结合了输电网的相关技术规范对风电机组提出的相应控制要求，介绍了VSCF风电机组在LVRT（低电压穿越）时的控制方法和保护措施。同时分析了有关风电机组以提高电能质量、调频能力为目标的研究现状。
关键词：风电场；MPPT；LVRT性能
近年来，风电装机容量在全球范围内保持着高速的增长，欧洲、北美和亚洲等是风电装机的主要市场。截至2008年底，欧洲的风电总装机容量已经达到了65.9GW，比2007年有了大幅度的增长，约为15%，风能发电量约占了欧盟约4.4%的用电需求量。根据欧盟委员会最新的规划，计划到2020年风电装机容量需要达到230GW，来满足欧盟地区14%-18%的电力需求量[1]。中国的风电发电项目虽然起步较晚，但是截至2008年底，风电装机总容量已经达到12.2GW，以此速度计划到2020年底，全国风电总装机总容量达到3000万kW。据世界风能委员会的预测，到2020年全世界的电能消耗将有约12%的电能来自于风力发电。
1、变速恒频风力发电系统
风力发电对电力系统的影响主要体现在电能的质量方面，其中包括电压变化、谐波、闪变等3个方面的内容。同时还在于对电网可靠性的影响，包括短期的影响和长期的影响两个方面。短期影响为输电阻塞、备用、常规机组效率的降低、减排等4个方面，长期影响主要为对发电容量充裕度的影响，一般是从风电机组容量可信度的角度对其进行说明。
在世界范围内，北美、欧洲的风电技术一直处于领先地位，北欧国家的风力发电普及水平最高，德国风电的装机总容量排在欧洲前列，同时，由于北美的电力系统的电力市场构成以及输电网的所有权分散，使得与风电相关联的部分标准仍在起草或更新中。
2、风电机组的控制要求与目标
对于风电机组的标准与风电机组所接入的电网的技术规范的两个因素的权衡，形成了对风电机组的控制要求。
目前国际上比较通用的风电机组标准为IEC61400系列标准，而国内目前实行的风电机组标准绝大部分是从国际电工委员会（IEC）的标准中转化而来，比如：目前使用的GB/T 20320-2006《风电机组电能质量测量和评估标准》同IEC61400-21标准是相同的[3]。
由于电力系统中的不同配置、风电在系统中所占比重和电网调度对风电的不同要求，同时在风力发电运营中电力市场机制的引入使得非常复杂的电网互联规则更加难以制定，所以目前国际上没有关于风电场接入电力系统相应的通用标准。国内的《风电场接入电力系统技术规定》（2009修订稿）规定不论是对允许运行风电场的频率范围和LVRT 能力，还是切出风电机组的功率恢复率等方面，其标准都比较偏低，这是由于目前风力发电占国内能源结构比例较低，随着国内风电发电量比例的不断提高，风电接入电网的相应标准也将逐渐严格。实际在北欧、德国的输电网技术规范和美国的标准中，已经在很多方面要求风电场机组具备同常规发电机组同样的性能标准[4]。
通过以上有关电网对于接入的风力发电的要求和IEC中关于风电机组的标准分析，则其控制要求的内容可以概括为：1.关于风电机组发电的利用效率要不断提高；2.风电机组需要在低压运行的时候不能断开与电网的连接，同时尽可能的提供必要的无功功率来协助早点恢复电网的电压；3.符合IEC标准当中对于电能质量标准的要求；4.频率稳定的能力，能够在一定的频率范围内保持并网运行。
对应于控制要求的控制目标为：1.最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）；2.提升风电机组的LVRT性能；3.强化控制水平，增强风电机组的调频能力；4.提高风电机组的电能质量。对实现这4个控制目标的控制方案进行简单的说明介绍。
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3、LVRT性能改进
对于DFIG，除了将crowbar电路安装在转子与转子变流器之间，还可以将crowbar 电路安装在直流链上，同时配合超级电容储能装置——双电荷层电容器的使用对电网提供保护，其中双电荷层电容器当UDC（直流链电压）过高的时候就会从直流母线上吸收功率，当UDC过低的时候会将功率释放，从而来维持UDC的稳定，使得网侧的故障避免了。但是直流母线两侧存在不平衡功率，则会对电容进行过度的充电，会造成一定的危害，所以上述方案的成本相当高，控制较为复杂，在不适合应用在风电场中，但是比较适用单机的系统。
同时，为了使当电网出现故障时风电场能够更好的辅助好电网，则需将电网技术规范中提到的无功补偿的标准增加1倍，并且变流器也要加大容量，即在并网点的电压下降了25%时，就要求变流器按照额定无功电流进行无功功率的输出，其中变流器容量增大的部分全部都用来无功功率的输出。这种方法同常规方案相比较得出：在故障时以较快的速度和较大的功率输出，无功功率能够有效的改善并网点的电压，提高电网系统的稳定性，特别适用于电网设备相对薄弱的地方。本文没有对增大变流器容量与提高无功补偿标准之间的相应关系进行分析，因为全控型电力电子器件比较的昂贵，如果只是单纯的为提高风电机组的LVRT 性能而无限制地增大变流器容量是不符合经济发展的。
4、风机调频能力与电力质量
因为风电机组会对电网频率的变化进行实时的响应，所以风电机组的调频能力不可缺少。在PMSG中添加频率控制器，在小干扰影响电网的情况时，对其调频能力进行了仿真测试，结果显示调频效果比较好。同时，风电机组调频能力的提高，则表示在正常运行的情况下需要有一些旋转备用或者根据调度的指令要求进行输出确定的无功、有功功率进行保留，所以对风电功率预测进行研究，对于提升风调频能力有着重要的意义。
风电机组的输出功率波动的主要原因是由电压波动和闪变引起的。为了稳定风电场在接入点处的电压，可以使用静止的无功补偿器，但是风电场输出的有功功率不能够被调节。采用储能技术来平缓风电机组功率波动是主要的解决方法，例如国内和日本研究的EDLC技术。在PMSG的直流链上添加由buck boost变换+EDLC共同组成的储能电容系统（ECS）来改善其电能质量，随着风电场规模的增大，给每台风力发电机都安装ECS将使得成本过高且控制比较复杂，为简化控制方案，对ECS采用了模糊控制、PI控制和PWM调制级联的控制方法，来改善EDLC的充放电性能，在风电场输出电压与功率方面取得了很好的效果。
5、结论
本文从风电接入电网的相关规定考虑，在国内外研究的基础上，对VSCF风电机组综述了以MPPT和LVRT为目标的控制方案，以及简要介绍了电能质量、调频能力等2个控制目标研究情况。总结在今后风力机组控制的研究中，以下几个问题需要：
1）中国对风电接入电网技术规范的标准偏低。结合中国国情，参照欧洲及美国等发达国家的风电接入电网相关标准及进展情况，对中国相关规定的修订起到了很好的借鉴作用。
2）在中国风力发电的系统中，风电场中使用比较广泛的是DFIG，其关于控制方案方面的研究也较为成熟。而国外学者Michalke关于无功、有功功率方面的控制方案提出了网侧控制，既能够实现风速低于额定值时的MPPT的控制目标，同时也可以明显的提升PMSG的LVRT性能，比较好地满足了严格的技术规范要求，该控制方案应引起重视。
3）VSCF风电机组除了要满足MPPT和LVRT的控制要求，也要满足调频能力和电力质量的要求，所以对风电预测、储能技术以及风力发电系统的多目标优化控制问题的研究仍是研究的重点与热点。
参考文献：
[1]李生虎.风电场对发输电系统可靠性影响的评估[J].电工技术学报，2014（11）
[2]何金波，姚骏，等.基于变桨距和转矩动态控制的直驱永磁同步风力发电机功率平滑控制[J].中国电机工程学报，2009（18）
[3]王传杰.分频风电系统的频率控制策略研究[J]西安交通大学，2009（8）
[4]刘大贵，王维庆，王海云，张新燕，赵海岭.双馈风力发电机的运行控制特性的仿真研究[J].电气自动化.2010（05）
论文作者:杨贵荣
论文发表刊物:《基层建设》2018年第32期
论文发表时间:2018/12/18
标签：风电论文; 机组论文; 电网论文; 功率论文; 标准论文; 变流器论文; 电能论文; 《基层建设》2018年第32期论文;