風力發(fā)電并網(wǎng)技術的應用分析

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（中廣核楚雄牟定風力發(fā)電有限公司，云南 楚雄 675506）

1 風力發(fā)電基本原理

風力發(fā)電機組是一種將風能轉化為電能的能量轉換裝置，包括風力機和風力發(fā)電機兩大部分，工作過程：空氣流動的動能作用在風力機風輪上，推動風輪旋轉起來，將空氣動力能轉變?yōu)轱L輪旋轉機械能，風輪的輪固定在風力機軸上，通過傳動系統(tǒng)驅動風力發(fā)電機軸及轉子旋轉，風力發(fā)電機將機械能轉變成電能輸送給負荷或電力系統(tǒng)。

2 并網(wǎng)型風電系統(tǒng)的結構

目前風電系統(tǒng)的運行方式常采用獨立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型3種方式，中、大型風力發(fā)電機主要采用并網(wǎng)運行方式。并網(wǎng)型風電系統(tǒng)由風能資源、風力發(fā)電機組、變頻器、控制器及變壓器等組成。風力發(fā)電機在并網(wǎng)時必須輸出50Hz恒定頻率的電能，一般可以分為恒速恒頻(CSCF)和變速恒頻(VSCF)兩種調節(jié)方式。

2.1 CSCF風電系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前還在MW級以下的風電機組采用，常用異步或同步兩種發(fā)電機。優(yōu)點是結構簡單、成本低、過載能力強、運行可靠性高；并網(wǎng)控制系統(tǒng)比較簡單；同步發(fā)電機既能輸出有功功率，還能提供無功功率和電壓支撐能力，輸出的電能質量高，因此，同步發(fā)電機取代異步發(fā)電機是風電系統(tǒng)的技術趨勢。缺點：當風速迅速增大時，風能將通過槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件，產(chǎn)生機械應力，引起這些部件的疲勞損壞；風電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相耦合，風電特性會直接對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，若風速急劇變化，可能會引發(fā)電能質量問題；若采用異步發(fā)電機，需要無功電源的支持，還需動態(tài)無功補償，并網(wǎng)時沖擊電流較大；若采用同步發(fā)電機，由于風速隨機變化，作用在轉子上的轉矩很不穩(wěn)定，使得并網(wǎng)時其調速性能很難達到期望的精度，特別是當重載情況下并網(wǎng)，若不進行有效控制，會發(fā)生嚴重的無功振蕩和失步問題。因此，CSCF系統(tǒng)很少采用同步發(fā)電機。

2.2 VSCF風電系統(tǒng)

優(yōu)點：根據(jù)風速的變化，風力機以不同的轉速旋轉，減少了對風力機等機械裝置的機械應力；通過對最佳轉速的跟蹤，在可發(fā)電的較大風速范圍內均可獲得最佳功率輸出；風力機能夠對變化的風速起到一定的緩沖，使輸出功率的波動變化減小；通過對風電機組有功和無功輸出功率進行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分別單獨控制風電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力；實現(xiàn)了發(fā)電機轉速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響，并網(wǎng)沖擊電流小；若采用雙饋異步發(fā)電機，則變頻器容量僅約為發(fā)電機容量的30%，降低了變換器的損耗、造價和體積；若采用同步發(fā)電機，可省去齒輪箱，提高效率和可靠性。

缺點：整體結構復雜、成本高、技術難度大；需配備變頻器，控制回路多，控制復雜，維護難；若采用同步發(fā)電機，則轉速較低，極對數(shù)較多，且需配備全功率變頻器，成本較高，損耗大；若采用雙饋異步發(fā)電機，要求變頻器具有低電壓穿越等并網(wǎng)運行能力，控制復雜，投入大。

3 幾種常用的并網(wǎng)方式

3.1 異步發(fā)電機的并網(wǎng)技術

目前，異步發(fā)電機并網(wǎng)主要有直接、準同期、降壓、捕捉式準同步和晶閘管軟并網(wǎng)共5種 CSCF并網(wǎng)方式。

3.1.1 直接并網(wǎng)方式

此法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當異步發(fā)電機轉速接近同步轉速的90%－100%時即可自動并入電網(wǎng)。自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出，空氣開關自動合閘完成并網(wǎng)。

3.1.2 準同期并網(wǎng)方式

此法在轉速接近同步速時，先通過電容進行勵磁建立額定電壓，然后對發(fā)電機的電壓和頻率進行調節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當發(fā)電機與電網(wǎng)兩者電壓的幅值、頻率、相位一致時，將發(fā)電機投入電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

3.1.3 降壓并網(wǎng)方式

此法在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串聯(lián)電阻、電抗器或者自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度。在發(fā)電機穩(wěn)定運行時，需將接入的電阻等元件迅速從電路中切除，以免消耗功率。

3.1.4 捕捉式準同步快速并網(wǎng)方式

它是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改為在頻率變化中捕捉同步點的方法進行準同步快速并網(wǎng)。這種方法可不丟失同期機，并網(wǎng)工作準確、快速可靠，既能實現(xiàn)幾乎無沖擊準同步并網(wǎng)，對機組的調速精度要求不高，又能很好地解決并網(wǎng)沖擊與造價的矛盾。非常適合于風力發(fā)電機組的準同步并網(wǎng)操作。但是，這種方法控制復雜，對轉速有一定的要

求。

3.1.5 晶閘管軟并網(wǎng)方式

此法是近年來發(fā)展起來的先進并網(wǎng)方式，它在異步發(fā)電機的定子和電網(wǎng)之間每相串入一個雙向晶閘管，通過調節(jié)晶閘管使導通角逐漸增大來控制并網(wǎng)時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。正常運行時，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電流不再經(jīng)過雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關直接流入電網(wǎng)。并網(wǎng)后應立即在發(fā)電機端并入無功補償裝置，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到0.95以上。

3.2 雙饋異步發(fā)電機組并網(wǎng)

雙饋異步電機的轉子通過變頻器采用交流勵磁，電機和電網(wǎng)之間構成“柔性連接”，可根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流與發(fā)電機轉速，通過控制機側變換器來調節(jié)發(fā)電機轉子勵磁電流，從而精確地控制發(fā)電機定子電壓，使其滿足并網(wǎng)條件，因而可在變速條件下實現(xiàn)并網(wǎng)。整個并網(wǎng)調節(jié)過程完全由轉子變頻器實現(xiàn)，不需要外加任何硬件裝置，調節(jié)精度高，并網(wǎng)沖擊小。

3.3 同步發(fā)電機的并網(wǎng)技術

由于異步發(fā)電機會產(chǎn)生滯后的功率因數(shù)且需要進行補償，而同步發(fā)電機可以控制勵磁來調節(jié)其功率因數(shù)為1；異步發(fā)電機要靠增加轉差率才能提高轉矩，而同步發(fā)電機只要加大功角就能增大轉矩，調速范圍更寬，承受轉矩擾動能力更強，響應更快。因此，同步發(fā)電機正逐步取代異步發(fā)電機。同步發(fā)電機的并網(wǎng)方式有準同步、自同步和變頻器并網(wǎng)3種方式，其中前2種、最后1種分別屬于CSCF、VSCF風電并網(wǎng)方式。

結語

并網(wǎng)運行的風力發(fā)電技術是20世紀80年代興起的一項新能源技術，因而迅速實現(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化。本文介紹了并網(wǎng)型風電系統(tǒng)的結構，詳細介紹了幾種風電并網(wǎng)方式，其中同步發(fā)電并網(wǎng)技術近年來受到了眾多青睞。

[1]宮靖遠.風電場工程技術手冊[M].機械工業(yè)出版社.2004.

[2]黃守道，孫延昭，黃科元．風電機組并網(wǎng)問題研究[J]．電力科學與技術學報，2008，23(2).

[3]姚興佳宋俊等.風力發(fā)電機組原理與應用[M].北京機械工業(yè)出版社2009.