風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式初探董楠楠 丁巧林 楊宏
華北電力大學(xué)（保定）電氣工程學(xué)院071003

引言

全球化能源危機(jī)日益嚴(yán)重，使得世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、無污染的能源，我國也不例外。中國是世界上最大的能源生產(chǎn)國和消費國之一，能源危機(jī)嚴(yán)重制約著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而風(fēng)電作為一種新型可再生能源，具有施工周期短、維護(hù)費用低、清潔無污染、不消耗任何燃料等優(yōu)點，并且在中國風(fēng)電資源也有著它獨有的優(yōu)勢：首先中國的風(fēng)能資源豐富，主要集中在西北、華北和東北；其次風(fēng)電制造業(yè)發(fā)展迅速，從小功率風(fēng)電機(jī)組的批量生產(chǎn)到大功率風(fēng)電機(jī)組的批量生產(chǎn)，我國將逐步進(jìn)入全球風(fēng)電設(shè)備生產(chǎn)大國的行列；在中國風(fēng)力發(fā)電發(fā)展空間大，政府對可再生能源的長期規(guī)劃將引導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展[1～2]。

風(fēng)力發(fā)電是目前新能源開發(fā)技術(shù)最成熟，也是最有規(guī)模化商業(yè)開發(fā)前景的發(fā)電方式之一，是世界上增長最快的新能源之一，在新能源發(fā)電裝機(jī)容量中位居第一位。根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會和綠色和平組織簽署的《風(fēng)力12——關(guān)于2020年風(fēng)電達(dá)到世界電力總量12%藍(lán)圖》的報告，期望并預(yù)測2020年全世界的風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)將達(dá)到12.31億kW，年安裝量達(dá)到1.5億kW，屆時風(fēng)力發(fā)電量將占到全世界發(fā)電總量的12%。但是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可控性遠(yuǎn)不如火力和水力發(fā)電機(jī)組，因為風(fēng)力發(fā)電的基本原理是天然風(fēng)吹轉(zhuǎn)葉片獲得機(jī)械能，經(jīng)過機(jī)械傳動，通過齒輪箱提高轉(zhuǎn)速帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電[3]，而作為原動機(jī)的風(fēng)力機(jī)，其出力主要由自然界風(fēng)速變化決定，所以人們只能在一定程度上進(jìn)行控制，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)已成為首要問題。

根據(jù)發(fā)電機(jī)的運行特征和控制技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)一般分為恒速恒頻(Constant SpeedConstantFrequency，簡稱CSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)和變速恒頻(Variable SpeedConstantFrequency，簡稱VSCF)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。

1、恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)

恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、過載能力強(qiáng)以及運行可靠性高等優(yōu)點，是過去幾年主要的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備[4]。但是在恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，其發(fā)電設(shè)備主要是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，而異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行時，靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷，可直接并網(wǎng)，也可通過晶閘管調(diào)壓裝置與電網(wǎng)相連接。但是異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖擊電流，而過大的沖擊電流會使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關(guān)斷開，同時造成電壓大幅度下降，使得低壓保護(hù)動作，導(dǎo)致無法并網(wǎng)[5]。另外，異步發(fā)電機(jī)自身不發(fā)無功功率，需要無功補(bǔ)償，當(dāng)輸出功率超出其最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率會引起網(wǎng)上飛車[6]，因此必須嚴(yán)格監(jiān)視并采取相應(yīng)的有效措施才能保障風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運行。

目前，國內(nèi)外采用的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式主要有以下四種：直接并網(wǎng)，準(zhǔn)同期并網(wǎng)，降壓并網(wǎng)以及采用雙向晶閘管控制的軟切入法的并網(wǎng)方式。

1.1 直接并網(wǎng)方式

采用這種方式時要求發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近（一般達(dá)到99%～100%）同步轉(zhuǎn)速時即可并網(wǎng)。

1.2 準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式

采用這種方式時在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，先用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運行。

1.3 降壓并網(wǎng)方式

采用這種方式時在異步電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻、電抗器或自耦變壓器， 以降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等要消耗功率，在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時，再將其短接[7]。

1.4 采用雙向晶閘管控制的軟切入法的并網(wǎng)方式

采用這種方式時在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間每相串入一只雙向晶閘管，接入的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到同步速附近時，發(fā)電機(jī)輸出端的短路器閉合，發(fā)電機(jī)組通過雙向晶閘管與電網(wǎng)相連，通過電流反饋對雙向晶閘管導(dǎo)通角控制，將并網(wǎng)時的沖擊電流限定在額定電流1.5倍以上，從而得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程，正常運行時，雙向晶閘管被短接。

2、變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展依賴于大容量電力電子技術(shù)的成熟，從結(jié)構(gòu)和運行方面可分為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)和直接驅(qū)動的同步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)。變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實現(xiàn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風(fēng)力發(fā)電與電網(wǎng)之間的相互影響，但是它缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大。

2.1 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其并網(wǎng)

雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)之一。尤其是雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)，不僅改善了風(fēng)電機(jī)組的運行性能，而且大大降低了變頻器的容量，至今已逐漸發(fā)展成風(fēng)力發(fā)電的主流設(shè)備。雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)為定子繞組直接接入交流電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由頻率、幅值、相位可調(diào)的變流器提供三相低頻勵磁電流的新型電機(jī)[8]，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組通過某一頻率的交流電時，就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，此時會在電機(jī)氣隙中形成一個同步旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速加上交流勵磁電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，從而改變了雙饋電機(jī)定子電動勢與電網(wǎng)電壓向量的相對位置，也即改變了電機(jī)的功率角，因此有調(diào)節(jié)無功功率出力的能力。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)變速運行，其運行速度能在一個較寬的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，使風(fēng)機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)CP得到優(yōu)化，獲得較高的系統(tǒng)效率，可以實現(xiàn)發(fā)電機(jī)較平滑的電功率輸出，達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量，減少發(fā)電機(jī)溫度變化[9]。

在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動階段，需要對發(fā)電機(jī)進(jìn)行并網(wǎng)前控制以滿足并網(wǎng)條件，即發(fā)電機(jī)定子電壓和電網(wǎng)電壓的幅值、頻率、相位、相序均相同，才能使發(fā)電機(jī)安全地切入電網(wǎng)，進(jìn)入正常的并網(wǎng)發(fā)電運行模式[10]。

當(dāng)前，雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)方式主要有以下三種：空載并網(wǎng)，獨立負(fù)載并網(wǎng)以及孤島并網(wǎng)方式。

2.1.1 空載并網(wǎng)方式

采用這種方式通過引入定子磁鏈定向技術(shù)對發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行測節(jié)。使建立的雙饋發(fā)電機(jī)定子空載電壓與電網(wǎng)電壓的頻率、相位和幅值一致，滿足并網(wǎng)條件時進(jìn)行并網(wǎng)操作。

2.1.2 獨立負(fù)載并網(wǎng)方式

采用這種方式的思路是：并網(wǎng)前發(fā)電機(jī)帶負(fù)載運行，對發(fā)電機(jī)和負(fù)載進(jìn)行控制，在滿足并網(wǎng)條件時進(jìn)行并網(wǎng)。這種并網(wǎng)方式的特點是，發(fā)電機(jī)具有一定的能量調(diào)節(jié)作用，降低了對原動機(jī)的調(diào)速能力要求，但是這種并網(wǎng)方式控制起來非常復(fù)雜，所需要的信息不僅取自于電網(wǎng)側(cè)，同時還取自于定子側(cè)。

2.1.3 孤島并網(wǎng)方式

采用這種方式并網(wǎng)前需要形成能量環(huán)路，這個能量環(huán)路是這樣形成的：首先進(jìn)行預(yù)充電過程，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)啟動后且發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到勵磁范圍時開始勵磁，電網(wǎng)從預(yù)充電變壓器經(jīng)直流整流器向雙PWM變流器的直流母線電容充電，用以激勵整個系統(tǒng)，當(dāng)定子電壓達(dá)到額定值（控制器通過控制電機(jī)側(cè)的逆變器使發(fā)電機(jī)定子發(fā)電電壓達(dá)到額定值）時，發(fā)電機(jī)定子輸出和轉(zhuǎn)子輸入與雙PWM逆變器分別連接，形成獨立能量環(huán)路。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，控制系統(tǒng)將調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓與電網(wǎng)電壓同步，同步后，并網(wǎng)。綜上所述，這種并網(wǎng)方式可分為三個階段，即勵磁階段，孤島運行階段以及并網(wǎng)階段。

2.2 直接驅(qū)動的同步發(fā)電機(jī)

在風(fēng)力機(jī)直接驅(qū)動同步發(fā)電機(jī)構(gòu)成的變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機(jī)直接與發(fā)電機(jī)相連，可省去增速齒輪箱，減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)的體積和重量，也降低噪聲和維護(hù)費用。其發(fā)電機(jī)主要采用低速永磁同步發(fā)電機(jī)，具有性能好、效率高、無需勵磁、體積小、重量輕的特點[11]。這種發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較簡單，控制方法相對容易，目前受到廣泛關(guān)注。

為保證并網(wǎng)瞬間發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)上的電壓、頻率及相序一致，通過控制器采集電網(wǎng)電壓、頻率及相序等參數(shù)，然后與逆變器輸出電壓等參數(shù)比較。當(dāng)達(dá)到并網(wǎng)條件時進(jìn)行并網(wǎng)。此種并網(wǎng)方式在并網(wǎng)瞬間不會產(chǎn)生沖擊電流，不會引起電網(wǎng)電壓的下降，也不會對發(fā)電機(jī)定子繞組及其他機(jī)械部件造成損壞。

3、結(jié)束語

近幾年中國風(fēng)電事業(yè)高速發(fā)展，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越來越大。本文根據(jù)發(fā)電機(jī)組的特點，分別對恒速恒頻和變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的三種發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式進(jìn)行了初步的討論。根據(jù)實際情況選擇合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個非常重要的問題，因為這直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的正常運行。

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Initial Discussions on In-line Operation of Wind-mill Generators

Dong Nannan Ding Qiaolin Yang HongNorth China Electric Power University，School of Electrical Engineering，Baoding ,071003，China

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，而風(fēng)力發(fā)電可以有效地利用風(fēng)能，我國的風(fēng)電事業(yè)高速發(fā)展，但是仍存在著許多實際問題，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)問題首當(dāng)其沖。只有通過對各種風(fēng)力發(fā)電機(jī)自身及其并網(wǎng)方式的研究，才能在實際中根據(jù)實際情況來選擇相應(yīng)的并網(wǎng)方式。本文對當(dāng)前各種類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式進(jìn)行初步探討，指出隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組容量的增大，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也會越來越大，因此，不斷改進(jìn)現(xiàn)有的風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)，減少對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的影響是今后迫切需要解決的問題。

風(fēng)力發(fā)電；并網(wǎng)；恒速恒頻；變速恒頻

Wind energy is a clean, renewable energy, wind power can use the wind energy effectively. Rapid development of our wind power, but there are still many practical problems, and the problem of inline operation of wind-mill generators is one of the most important problems in China. To select the appropriate in-line operation accord the actual situation, it must through the discussions of variety of wind turbine itself and its in-line operation. In this paper, it takes initial discussions on in-line operation of wind-mill generators, and points out that with the increase of capacity of wind-mill generators, the impact to the net will be increasing when parallel in. Therefore, it is an urgent need to solve the problem that continuous improves the technology of in-line of wind-mill generators and reduce the impact of the stability of the net.

Wind power；in-line；constant speed constant frequency； Variable speed constant frequency

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.24.004

董楠楠 女，1984年生，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行、控制與分析。