风力发电并网技术的应用分析

摘 要：随着能源供应的渐趋紧张，环保问题的日益突出，可再生能源越来越被重视。风力发电作为一种清洁的可再生能源，同时又是新能源发电技术中最成熟和最具规模开发条件的发电方式之一。因此，在世界各地得到迅速发展。本文笔者介绍了CSCF和VSCF两种风电系统结构，说明了同步、异步等发电机组并网运行时的原理和各自的优缺点，阐述了并网运行时可能带来的电能质量问题，提出了相关的解决对策，对相关并网运行方式的研究提供借鉴，仅供参考。

关键词：风力发电；并网；原理；结构；并网方式

中图分类号：TK83 文献标识码：A

1 风力发电基本原理

风力发电机组是一种将风能转化为电能的能量转换装置，包括风力机和风力发电机两大部分，工作过程：空气流动的动能作用在风力机风轮上，推动风轮旋转起来，将空气动力能转变为风轮旋转机械能，风轮的轮固定在风力机轴上，通过传动系统驱动风力发电机轴及转子旋转，风力发电机将机械能转变成电能输送给负荷或电力系统。

2 并网型风电系统的结构

目前风电系统的运行方式常采用独立型、并网型和联合型3种方式，中、大型风力发电机主要采用并网运行方式。并网型风电系统由风能资源、风力发电机组、变频器、控制器及变压器等组成。风力发电机在并网时必须输出50Hz恒定频率的电能，一般可以分为恒速恒频（CSCF）和变速恒频（VSCF）两种调节方式。

2.1 CSCF 风电系统

该系统目前还在MW级以下的风电机组采用，常用异步或同步两种发电机。优点是结构简单、成本低、过载能力强、运行可靠性高；并网控制系统比较简单；同步发电机既能输出有功功率，还能提供无功功率和电压支撑能力，输出的电能质量高，因此，同步发电机取代异步发电机是风电系统的技术趋势。缺点：当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生机械应力，引起这些部件的疲劳损坏；风电系统直接与电网相耦合，风电特性会直接对电网产生影响，若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题；若采用异步发电机，需要无功电源的支持，还需动态无功补偿，并网时冲击电流较大；若采用同步发电机，由于风速随机变化，作用在转子上的转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很难达到期望的精度，特别是当重载情况下并网，若不进行有效控制，会发生严重的无功振荡和失步问题。因此，CSCF系统很少采用同步发电机。

2.2 VSCF 风电系统

优点：根据风速的变化，风力机以不同的转速旋转，减少了对风力机等机械装置的机械应力；通过对最佳转速的跟踪，在可发电的较大风速范围内均可获得最佳功率输出；风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲，使输出功率的波动变化减小；通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分别单独控制风电机组有功、无功的输出，具备电压的控制能力；实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风电系统与电网之间的相互影响，并网冲击电流小；若采用双馈异步发电机，则变频器容量仅约为发电机容量的30%，降低了变换器的损耗、造价和体积；若采用同步发电机，可省去齿轮箱，提高效率和可靠性。

缺点：整体结构复杂、成本高、技术难度大；需配备变频器，控制回路多，控制复杂，维护难；若采用同步发电机，则转速较低，极对数较多，且需配备全功率变频器，成本较高，损耗大；若采用双馈异步发电机，要求变频器具有低电压穿越等并网运行能力，控制复杂，投入大。

3 几种常用的并网方式

3.1 异步发电机的并网技术

目前，异步发电机并网主要有直接、准同期、降压、捕捉式准同步和晶闸管软并网共5种 CSCF 并网方式。

3.1.1 直接并网方式

此法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当异步发电机转速接近同步转速的90%-100%时即可自动并入电网。自动并网的信号由测速装置给出，空气开关自动合闸完成并网。

3.1.2 准同期并网方式

此法在转速接近同步速时，先通过电容进行励磁建立额定电压，然后对发电机的电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机与电网两者电压的幅值、频率、相位一致时，将发电机投入电网并网运行。

3.1.3 降压并网方式

此法在发电机与电网之间串联电阻、电抗器或者自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。在发电机稳定运行时，需将接入的电阻等元件迅速从电路中切除，以免消耗功率。

3.1.4 捕捉式准同步快速并网方式

它是将常规的整步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的方法进行准同步快速并网。这种方法可不丢失同期机，并网工作准确、快速可靠，既能实现几乎无冲击准同步并网，对机组的调速精度要求不高，又能很好地解决并网冲击与造价的矛盾。非常适合于风力发电机组的准同步并网操作。但是，这种方法控制复杂，对转速有一定的要求。

3.1.5 晶闸管软并网方式

此法是近年来发展起来的先进并网方式，它在异步发电机的定子和电网之间每相串入一个双向晶闸管，通过调节晶闸管使导通角逐渐增大来控制并网时的冲击电流， 从而得到一个平滑的并网暂态过程。正常运行时，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流不再经过双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关直接流入电网。并网后应立即在发电机端并入无功补偿装置，将发电机的功率因数提高到 0.95 以上。

3.2 双馈异步发电机组并网

双馈异步电机的转子通过变频器采用交流励磁，电机和电网之间构成“柔性连接”，可根据电网电压、电流与发电机转速，通过控制机侧变换器来调节发电机转子励磁电流，从而精确地控制发电机定子电压，使其满足并网条件，因而可在变速条件下实现并网。整个并网调节过程完全由转子变频器实现，不需要外加任何硬件装置，调节精度高，并网冲击小。

3.3 同步发电机的并网技术

由于异步发电机会产生滞后的功率因数且需要进行补偿，而同步发电机可以控制励磁来调节其功率因数为1；异步发电机要靠增加转差率才能提高转矩，而同步发电机只要加大功角就能增大转矩，调速范围更宽，承受转矩扰动能力更强，响应更快。因此，同步发电机正逐步取代异步发电机。同步发电机的并网方式有准同步、自同步和变频器并网3种方式，其中前2种、最后1种分别属于CSCF、VSCF 风电并网方式。

结语

并网运行的风力发电技术是20世纪 80年代兴起的一项新能源技术，因而迅速实现商品化、产业化。本文介绍了并网型风电系统的结构，详细介绍了几种风电并网方式，其中同步发电并网技术近年来受到了众多青睐。

参考文献

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