论述风电并网系统的运行

摘要： 风力发电给人们的日常生活带来了很大的环保效益和经济效益,在风电发挥巨大作用的同时,也不可避免的出现了问题，下文作者重点谈及风电并网系统的异步发电机运行分析，希望对于风电并网技术在中国的应用得到更好的发展。

关键词：并网 发电机运行切换

中图分类号：TM3 文献标识码：A

随着我国电力技术的不断发展和创新，风电并网技术得到了更好的发挥和利用。风力发电作为一种新兴技术，技术的不断进步必将带来成本的不断降低。这就要求我们电力专业人员人断的学习和总结经验，以求不断进步，以提高风电电力在交通、供暖、工业用电等方面的应用水平。

一、异步发电机的并网

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。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。

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，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运行时，若输出功率在一定时间内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 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 滑差可调异步发电机的结构布置

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 的导通和关断来进行调整；而IGBT的导通与关断则由PWM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与最大值之间变化、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。

图2 变桨距风力机——滑差可调异步发电机控制原理框图

（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。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。

四、结束语

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。

参考文献

[1]张伟.异步风力发电系统并网运行仿真分析[J].太原理工大学,2006年.

[2]王双,王杰,阮映琴.风力发电系统发展状况分析[J].华东电力,2005(08)