并网运行的风力发电系统运行分析

【摘要】随着电力和能源改革逐步深入，在国家倡导节能减排的大背景下，风力发电成为新能源开发利用的重要领域。在有风力资源的地区，建设小型风力发电或风光互补独立电站（集中供电系统或户用系统）成为为小型负荷供电一种新选择。研究并分析并网运行的风力发电系统的构成及运行显得很重要。

【关键词】并网运行；风力发电系统；运行分析

现如今风力发电技术已从过去的小型风力发电机独立运行发展为大型发电机组并网运行，即风力发电场并网运行。风力发电场并网运行是将风能转换成电能的装置，系统包括发电机、增速箱、刹车、偏航、控制等几大系统。直接与电网相连接的是异步发电机，风力发电场并网运行结构简单，其发电的首要条件是要吸收无功来建立磁场，如果没有无功来源，也就是说没有电网，风力发电场并网运行是没有能力发电的。

一、异步发电机的并网方法

由风力机驱动异步发电机与电网并联运行的原理分析如下：因为风力机为低速运转的动力机械，在风力机与异步发电机转子之间经增速齿轮传动来提高转速以达到适合异步发电机运转的转速，一般与电网并联运行的异步发电机，多选用4极或6极电机，因此异步发电机转速必须超过1500r/min或1000r/min，才能运行在发电状态，向电网送电。显见，电机极对数的选择与增速齿轮箱关系密切，若电机的极对数选小，则增速齿轮传动的速比增大，齿轮箱加大，但电机的尺寸则小些；反之，若电机的极对数选大些，则传动速比减小，齿轮箱相对小些，但电机的尺寸则大些。

根据电机理论，异步发电机并入电网运行时，是靠滑差率来调整负荷的，其输出的功率和转速近乎成线性关系，因此对机组的调速要求，不像同步发电机那么严格精确，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时就可并网，国内及国外与电网并联运行的风力发电机组中，多采用异步发电机，但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流，并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也越加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降，则可能会使低压保护动作，从而导致异步发电机根本不能并网。当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种。

1.直接并网

这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由测速装置给出，而后通过自动空气开合闸完成并网过程。显见这种并网方式比同步发电机的准同步并网简单。但如上所述，直接并网时会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适用于异步发电机容量在百千瓦级以下，而电网容量较大的情况下。中国最早引进的55kw风力发电机组及自行研制的50kw风力发电机组都是采用这种方法并网的。

2.降压并网

这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，已达到降低并网合闸间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后，进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除，这种并网方法适用于百千瓦级以上、容量较大的机组，显见这种并网方法的经济性较差，中国引进的200kw异步风力发电机组，就是采用这种并网方式，并网时发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。

3.通过晶闸管软并网

这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双向晶闸管的两端与并网自动开关K2动合触头并联。接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。其并网过程如下：当风力发电机组接收到由控制系统内微处理机发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出松闸命令，风力发电机组开始启动。当发电机转速接近同步转速时，双向闸管的控制角同时由180°到0°逐渐同步打开；与此同时，双向晶闸管的导通角则同时由0°到180°逐渐增大，此时并网自动开关K2未动作，动合触头未闭合，异步发电机即通过晶闸管平稳地并入电网；随着发电机转速继续升高，电机的滑差率渐趋于零，当滑差率为零时，并网自动开关动作，动合触头闭合，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流将不再经双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关触头流入电网。在发电机并网后，应立即在发电机端并入补偿电容，将发电机的功率因数提高到0.95以上。

这种软并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电机并网瞬间的冲击电流值限制在规定的范围内，从而得到一个平滑的并网暂态过程。

在双向晶闸管两端并接有旁路并网自动开关，并在零转差率时实现自动切换，在并网暂态过程完毕后，即将双向晶闸管短接。与此种软并网连接方式相对应的另一种软并网连接方式是在异步发电机与电网之间通过双向晶闸管直接接，在晶闸管两端设有并接的旁路并网自动开关，双向晶闸管即在并网过程中起到控制冲击电流的作用，同时又作为无触头自动开关，因而控制回路也较为简单些，并且避免了有触头自动开关触头粘着、弹跳及磨损等现象，可以保证较高的开关频率，这是其优点。但这种连接方式需选用电流允许值大的高反压双向晶闸管，这是因为在这种连接方式下，双向晶闸管中通过的电流需满足能通过异步发电机的额定电流值，而具有旁路并网自动开关的软并网连接方式中的高反压双向晶闸管只要能通过较发电机空载电流略高的电流就可以满足要求，这是这种连接方式的不利之处。这种软并网连接方式的并网过程与上述具有并网自动开关的软并网连接方式的并网过程相同，在双向晶闸管开始导通阶段，异步电机作为电动机运行，但随着异步电机转速的升高，滑差率渐渐接近于零，当滑差率为零时，双向晶闸管已全部导通，并网过程也就结束。

二、双速异步发电机的运行控制

1.小容量电机向大容量电机的切换

当小容量发电机的输出在一定时间内平均值达到某—设定值（例如小容量电机额定功率的75%左右），通过计算机控制将自动切换到大容量电机，为完成此过程，发电机暂时从电网中脱离出来，风力机转速升高，根据预先设定的启动电流值，当转速接近同步速时通过晶闸管并入电网，所设定的电流值应根据风电场内变电所所所允许投入的最大电流来确定。由于小容量电机向大容量电机的切换是由低速向高速的切换，故这一过程是在电动机状态下进行的。

晶闸管软并网技术虽然是目前一种先进的并网方法，但它也对晶闸管器件与之相关的晶闸管出发电路提出了严格的要求，即晶闸管器件的特性要一致、稳定以及触发电路可靠，只有发电机主回路中的每相的双向晶闸管特性一致，控制极出发电压、出发电流一致，全开通后压降相同，才能保证可控硅导通角在0°-180°范围内同步逐渐增大，才能保证发电机三相电流平衡，否则会对发电机不利。目前在晶闸管软并网方法中，根据晶闸管的通断状况，触发电路由移相触发及过零触发两种方式，移相触发会造成发电机每相电流为正负半波对称的非正弦波含有较多的奇次谐波分量，这些谐波会对电网造成污染公害，必须加以限制和消除。

过零触发是在设定的周期内，逐步改变晶闸管的导通周波数，最后达到全部导通，使发电机平稳并入电网，因而不产生谐波干扰。通过晶闸管软并网法将风力驱动的异步发电机并入电网是目前国内外中型及大型风力发电机组中普遍采用的，中国引进和自行开发研制生产的250、300、600kw的并网型异步风力发电机组，都是采用这种并网技术。

2.大容量电机向小容量电机的切换

当双速异步发电机在高输出功率（即大容量电机）运行时，若输出功率在一定时间内（例如5min）平均下降到小容量电机额定容量的50%以下时，通过计算机控制系统，双速异步发电机将自动由大容量电机切换到小容量电机（即低输出功率）运行，必须注意的是当大容量电机切出，小容量电机切入时，虽然由于风速的降低，风力机的转速已逐渐减慢，但因小容量电机的同步转速较大容量电机的同步转速低，被异步发电机将处于超同步转速状态下，小容量电机在切入（并网）时所限定的电流值应小于小容量电机在最大转矩下相对应的电流值，否则异步发电机会发生超速，导致超速保护动作而不能切入。

三、风力机驱动滑差可调的绕线式异步发电机与电网并联运行

1.基本工作原理

现代风电场中应用最多的并网运行的风力发电机是异步发电机。异步发电机在输出额定功率时的滑差率数值是恒定的，约在2%—5%之间。众所周知，风力机自流动的空气中吸收的风能是随风速的起伏而不停地变化，风力发电机组的设计都是在风力发电机输出额定功率时使风力机的风能利用系数处于最高数值区内。当来流风速超过额定风速时，为了维持发电机的输出功率不超过额定值，必须通过风轮叶片失速效应或是调节风力机叶片的桨距来限制风力机自流动空气中吸收的风能，以达到限制风力机的出力，这样风力发电机组将在不同的风速下维持不变的同一转速。

2.滑差可调的异步发电机的结构

滑差可调异步发电机从结构上讲与串电阻调速的绕线式异步电动机相似，其整个结构包括绕线式转子的异步电机、绕线转子外接电阻、由电力电子器件组成的转子电流控制器及转速和功率控制单元，图1表示滑差可调异步发电机的结构布置原理。

图1表明由电流互感器测量出的转子电流值与以外部控制单元给定的电流基准值比较后计算得出转子回路的电阻值，并通过电力电子器件IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）的导通和关断来进行调整；而IGBT的导通与关断则由PWM（脉冲宽度调制器）来控制。因为由这些电力电子器件组成的控制单元其作用是控制转子电流的大小，故称为转子电流控制器。此转子电流控制器可调节转子回路的电阻值使其在最小值（只有转子绕组自身电阻）与最大值（转子绕组自身电阻与外接电阻之和）之间变化、使发电机的滑差率能在0.6%一10%之间连续变化，维持转子电流为额定值，从而达到维持发电机输出的电功率为额定值。

3.滑差可调的异步发电机的功率调节

在采用变桨距风力机的风力发电系统中，由于桨距调节有滞后时间，特别在惯量大的风力机中，滞后现象更为突出，在阵风或风速变化频繁时，会导致桨距大幅度频繁调节，发电机输出功率也将大幅度变动。对电网造成不良影响；因此单纯靠变桨距来调节风力机的功率输出，并不能实现发电机输出功率的稳定性，利用具有转子电流控制器的滑差可调异步电机与变桨距风力机配合，共同完成发电机输出功率的调节，则能实现发电机电功率的稳定输出。具有转子电流控制器的滑差可调异步发电机与变桨距风力机配合时的控制原理如图2所示。

（1）图2中S代表机组启动并网前的控制方式，属于转速反馈控制。当风速达到启动风速时，风力机开始启动，随着转速的升高，风力机的叶片节距角连续变化，使发电机的转速上升到给定转速值，继之发电机并入电网。

电机的转速上升到给定转速位（同步转速）。继之发电机并入电网。

（2）图2中R代表发电机并网后的控制方式，即功率控制方式。当发电机并入电网后，发电机的转速由于受到电网频率的牵制，转速的变化表现在电机的滑差率上，风速较低时，发电机的滑差率较小，当风速低于额定风速时，通过转速控制环节、功率控制环节及RCC控制环节将发电机的滑差调到最小，滑差率在1%（即发电机的转速大于同步转速1%），同时通过变桨距机构将叶片攻角调至零，并保持在零附近，以便最有效地吸收风能。

（3）当风速达到额定风速时，发电机的输出功率达到额定值。

（4）当风速超过额定风速时，如果风速持续增加，风力机吸收的风能不断增大，风力机轴上的机械功率输出大于发电机输出的电功率，则发电机的转速上升，反馈到转速控制环节后，转速控制输出将使变桨距机构动作，改变风力机叶片攻角，以保让发电机为额定输出功率不变，维持发电机在额定功率下运行。

总之，随着经济的不断发展，大型风力发电机组的投入运行，大规模风力发电场的建设越来越快，风电事业正逐步向产业化迈进。在一些地方，风力发电已经在电网中占了相当的比重，它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。为了更加安全、充分的利用风力资源，迫切需要深入研究大规模风电场并网运行的相关技术问题，是保证大规模风电场后电力系统仍然可以正常稳定运行的重要前提。