1.3　风力发电技术研究的热点问题

由于风力发电容量占电网总容量的比例不断上升，风力发电产业已成为最有潜力规模化和商业化的新能源之一。同时，发电机与局部电网之间的相互影响也日益显著。要解决这一矛盾，需要将风力发电机组和电网视为一个整体来考虑，以便实施有效的系统控制。此时，必须解决以下几方面的问题。

1.3.1　风力发电输出功率的预测

在国家电网公司出台的《风力发电功率预测系统功能规范》中，对风力发电功率的定义和时间尺度等做了详细规定。

风力发电功率预测：以风力发电场已经输出的功率、记载的风速、地理位置信息、当地气象条件、风力发电系统当前和历史运行等数据构成风力发电场发出功率的数学模型，以实测风速、输出功率或气象数据作为输入变量，根据装置实测数据，推测风力发电场后续可能发出功率的大小。

推测时间范围包含短期和超短期。

短期推测：预计从下一天0时0刻起共计3天风力发电场能够输出的有功功率大小是多少，最小识别时间是15分钟。

超短期推测：预计接下来从0到4小时期间的有功功率大小是多少，最小识别时间是15分钟。

国内外对于风力发电功率预测的应用和研究主要集中在短期预测方面。目前风能预测分类的主要依据有预测时间尺度、预测方法和预测范围，如图1.11所示。

对应以上的分类，风力发电功率预测的主要方法表述如下。按预测时间尺度划分的风力发电功率预测，如表1.5所示。

按预测方法划分的风力发电功率预测分类，如表1.6所示。

按预测范围划分的风力发电功率预测，如表1.7所示。

风能预测的用处较多。为进一步提高预测的准确度，可结合人工智能等算法与传统的统计方法。

1.3.2　低电压穿越

低电压穿越（Low Voltage Ride Through，LVRT）技术，主要是指由于各种原因，电网出现事故，这时电网电压通常较低，风力发电场可保证在事故期间一直与电网相连，帮助电力系统输出无功功率来维持运行。电网电压低于正常值时，为使系统稳定，风力发电机组一般应该脱网运行。装机容量较大的风力发电场，此时对电网的危害甚至会导致系统瘫痪。欧洲的一些国家对风力发电行业的低压运行标准进行了规定。由于不同国家的电网结构差异较大，风力发电在整个电力系统中的组成差别也较大。可见，针对不同的规定，存在不同的风力发电低电压运行标准，如图1.12所示。例如，丹麦的电网要求，当电网电压跌落至额定电压的25%时，若能够保持100ms，则要求风力并网维持运行；而西班牙的规定是，在故障期间，双馈风力发电机可让断路器跳闸运行。

众所周知，德国风能利用的历史悠久，德国提出的风力发电规则在风力发电行业具有一定的权威性和代表性，其中EON公司规定的风力发电系统入网的具体参数如图1.13所示，从图中可以看出，当电网电压跌落至额定电压的15%且相应时间达到300ms时，发电机应正常运转。

我国电力行业的相关规范规定，在电力系统的传输过程中系统出现事故后，当风力发电场PCC（公共连接点）点的电压等于额定电压的20%时，风力发电机组维持625ms。这样，就需要采取一定的措施：不增加任何硬件设备，只改变PWM变换器的设计；另外，增加撬棒电路储能。到目前为止，所采取的方法都未能很好地实现低电压穿越的目标，因此影响了大规模风力发电并网发展的前景。

1.3.3　风力发电场中的并网控制技术

风力发电技术的快速发展和电力电子技术元器件的更新换代，尤其是双馈异步发电机转子侧和网侧之间的背靠背双PWM变换器，使得现代风力发电控制技术不断发展。为了能够顺利实现风力发电机组的低电压穿越，首先要弄清楚在故障期间电网电压变动的暂态机理，其次要研究电网在不同程度电压跌落故障下，风力发电机组在各种状况下的运行特点，并据此找到相应的控制方法，提高风力发电机组的低电压穿越性能。当前，国内外低电压穿越控制技术的研究是风力发电场并网研究的热点，其主要方法有定子侧法、直流母线电容保护法和转子侧并联交流撬棒电路法三种。

定子侧法改变定子侧的参数。这种方法的基本原理如下：发电机与电网正常情况下可以相连，由于各种事故原因，如系统发生电压降落等，发电机通过开关的分断使发电机与电网分离，电网电压通常较低，此时由于继电保护动作，暂时的故障很快被清除，此后当电网电压逐步上升到正常值时，控制发电机并网的开关闭合，发电机接入系统。这种控制方式可以很好地限制故障期间发电机定子绕组磁链随时间的增加速度，避免电网电压降低情况的恶化。

直流母线电容保护法在直流母线侧增加电容，以便限制变换器的过流和母线的过压。这种方法一般通过直流撬棒电路中的限流电阻，使电网故障期间发电机的储能很好地释放，进而减小母线电压的波动。在低电压故障期间，风力发电机侧的电力电子变换器可能过流，为了防止这一问题损坏变换器，一般采用并联大功率机侧变换器的方法。

转子侧并联交流撬棒电路法在转子中加入一个交流撬棒电路，使之与转子并联，以保证系统不正常期间，发电和储能可通过撬棒电阻释放，进而保证风力发电系统完成低电压穿越。目前，这种方法由于具有结构简单、易于实现和效果良好的优点，在我国现代风力发电技术的发展中应用较多。