永磁直驅寬頻風機電氣的并網運行特性

張海軍 王洪超

【摘要】近年來，隨著新能源的開發，風力發電技術日益進步，永磁直驅寬頻風機逐步被應用于風電項目中。由于風能資源并不是持續的，這種間歇性特征使得電力系統在輸配電過程中的運營難度非常大，風力發電并網運行中存在著較大的問題，通過對并網運行特性的研究，可以提升風力發電項目的經濟與社會效益，保持風力發電的穩定性。基于此，本文重點探析了永磁直驅寬頻風機電氣的并網運行特性，有利于實現風能資源的綜合利用率，實現風能向電能的轉化。

【關鍵詞】永磁直驅寬頻風機;電氣并網;運行特性

近年來，在經濟社會不斷發展的過程中，電能資源的需求量日漸增多，傳統的電力生產效率低下，且存在巨大的能源消耗，在當前的可持續發展理念下，風力發電成為了有效的電力生產方式，風能資源屬于清潔能源，風力發電項目的實施中，雖然其優勢明顯，但是，由于風能的較大波動性，使得永磁直驅寬頻風機運營管理難度大，風力發電并網需嚴格通過對運行特性的研究，來保持電力系統運行的穩定性與安全性。

1、直驅永磁風力發電機基本構成

直驅永磁風力發電機是風電項目的關鍵設備，在具體的應用過程中，實現了多極永磁發電機與風機的直接連接，風機能夠直接來驅動發電機的運行，這種結構下，去除了中間的傳動齒輪箱，能夠在整個的運行過程中避免傳動齒輪箱所造成的諸多不利影響。直驅式永磁風力發電機下，轉子是與風機直接連接的，由于風速值處于波動狀態下，轉子轉速也會隨之發生一定的變化，那么，在此情況下，交流電頻率也會將會產生一定的變化，無法保障并網運行目標的實現[1]。因此，在實際的設計過程中，需利用背靠背變流器來對交流電加以整流，隨后再逆變成為與電力系統要求相一致的交流電。直驅風電系統中，變流器與變流器控制是關鍵。

2、系統參數

以金風1.5MW風機為研究對象，該風機運行時采用的是無增速齒箱葉輪直接驅動發電機的技術，多極對永磁同步發電機組，風機的運行過程中，全部功率通過全功率的1.5MW變頻器并網，由于并網是通過變頻器來實現的，風機的并網電氣特性與發電機是相互獨立的。

系統運行過程中，一旦出現了某種故障，為了避免各種故障對電網穩定性與設備所造成的不利影響，實現對設備的保護，風機在實際的運行過程中，需根據各類故障的持續時間自動判定是否需要從系統中切出來開展相應的運行，其保護值、延遲時間有著特定的標準。系統保護參數在風機并網的過程中，可以根據各個電網企業的具體要求來進行相應的調整與優化，但是，在保護參數的設定過程中，要嚴禁將保護參數設置得過大。如果風機并網運行時出現了相應故障，且持續時間超出了標準值，風機需退出運行。

3、金風1.5MW風機并網運行特性

根據金風1.5MW風機的相關參數和特性，其屬于變槳寬帶調速同步風力發電機，整體上為永磁同步電機、無增速齒箱設計。其系統設計與傳統的風機設計有所不同，在具體的使用過程中存在著突出的優勢：永磁同步發電機下的整體結構構成簡單，在運行時的效率較高，且后續的維護相對便捷，甚至不需要維護;無齒箱設計的風機具有更高的可靠性，在整個的運行過程中可以保持較高的效率;全功率變頻器下，完全可以實現對功率的柔性控制，具有控制的靈活性與高效性，根據有關數據，風機的變速范圍甚至可以達到50%，風能資源的利用率更高[2]。

3.1并網特性——有功功率控制

此風機統為變槳系統，在整個機組的運行過程中，變槳系統能夠大大提升風機的最大輸出功率、有功功率，且在最大輸出功率的控制方面更為靈活。機組有功功率控制下，完全能夠實現在線控制的目的，當此種控制方式與金風能量控制平臺有效結合以后，完全能夠滿足對風電場遠程和實時控制的要求。

比如，以風機最大輸出功率控制作為研究點，在實際的控制過程中，風機完全可以通過對葉片槳距角的控制來實現對吸收風能的控制，這種控制方式下，風機出力的控制更具可靠性，且控制范圍非常大，這一功能下，風電場的整體出力得到了有效的控制，尤其是在大風天氣下，可以通過對風電場輸出的科學控制，將風電場控制與電力系統調度有效結合起來，維持風電機組的可靠、穩定運轉，使得電網能夠維持最佳的運行狀態[3]。風電場在建設的最初階段，風機能夠根據電力企業的具體要求來進行啟動功率上升變化率的設置。

3.2并網特性——無功功率控制

金風1.5MW機組運行時，并網是經由全功率變流器來實現的，無功率調節方式與STATCOM相類似，響應時間在10ms以內。當機組處于正常發電狀態下時，機端的無功功率為0，而機組的功率因數為1。在此機組中具備機端電壓控制模式，機組本身具備良好的無功調節能力，這一功能可以在系統存在劇烈的電壓波動情況下，及時啟動無功調節功能，進而來使得機端電壓維持在相對穩定的狀態下，維持電網的正常運轉。

3.3并網特性——啟動過程

換流器同步并網技術與變槳控制功率是其中的關鍵技術，這些技術下，可以使得風機并網過程中受到的沖擊力最小。當電網系統與風機系統都維持在正常情況下且風速在風機的啟動風速以上時，風機將會立即啟動。具體的啟動過程中，風機變槳系統將對葉片角度加以有效控制，在這一控制方式下，可以將停機時的順槳狀態調節到一定的角度范圍內，此時，葉輪也就可以吸收一定的風能，進而在此條件下驅動發動機的運動，當發電機轉速達到設定值時，速度將保持在穩定狀態下。

結語：

近年來，隨著風電項目的增多，風電場的建設數量日漸增加，風電并網作為主要的發電方式，在實際的運行過程中，必須要嚴格掌握并網特性，通過這一特性的掌握來提高風電場、電力系統運行的可靠性與穩定性。

參考文獻：

[1]劉勇，麻廣林，寧波，等.含chopper電路的直驅風機響應電網短路的運行特性分析[J].電力科學與工程，2016（6）：49-56.

[2]徐小三，張明.含蓄電池儲能的永磁直驅風力發電系統并網研究[J].電氣自動化，2015（03）：45-47.

[3]于洋，徐政，徐謙，等.永磁直驅式風機采用混合直流并網的控制策略[J].中國電機工程學報，2016，36（11）：2863-2870.