變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)運行綜述

陽昕，馬新明，馬林生，胡元嘯

(1.廣西省電網(wǎng)公司河池市供電局，廣西 河池 547000;2.四川省雅安市雅電集團蜀能公司，四川 雅安 625000;3.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

隨著全球爆發(fā)石油危機，很多國家面臨能源短缺的困境，風(fēng)能的開發(fā)研究又重新得到重視，從而開創(chuàng)了風(fēng)能利用的新時期。風(fēng)力發(fā)電廠是將多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機安裝在風(fēng)力資源好的場地，按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成機群向電網(wǎng)供電，風(fēng)電場是大規(guī)模利用風(fēng)能的有效方式，風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今世界上可再生能源開發(fā)利用中技術(shù)最成熟、最具規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的發(fā)電技術(shù)，但它的時變性和不確定性也給風(fēng)電并網(wǎng)帶來了很大的難題。

2 風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因

風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展的推動力，從解決能源的急需到越來越多是為了對付全球氣候變化，避免嚴(yán)重的的環(huán)境災(zāi)難。風(fēng)電能源不但可以完全避免排放造成溫室效應(yīng)的CO2，也不會產(chǎn)生與化石燃料或核能發(fā)電相關(guān)的污染物。歸納起來，風(fēng)力發(fā)電迅猛發(fā)展的原因主要體現(xiàn)在以下四個方面:(1)經(jīng)濟驅(qū)動力;(2)環(huán)境驅(qū)動力;(3)社會驅(qū)動力;(4)技術(shù)驅(qū)動力。

3 風(fēng)力發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電機由機頭、轉(zhuǎn)體、尾翼、葉片組成。每一部分都很重要，各部分功能為:葉片用來接受風(fēng)力并通過機頭轉(zhuǎn)為電能;尾翼使葉片始終對著來風(fēng)的方向從而獲得最大的風(fēng)能;轉(zhuǎn)體能使機頭靈活地轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)尾翼調(diào)整方向的功能;機頭的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子繞組切割磁力線產(chǎn)生電能。風(fēng)力發(fā)電的原理，是利用風(fēng)力帶動風(fēng)車葉片旋轉(zhuǎn)，再透過增速機將旋轉(zhuǎn)的速度提升，來促使發(fā)電機發(fā)電。

4 風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)要求

無論采用哪種方式，要實現(xiàn)并網(wǎng)運行，都要求輸入電網(wǎng)的交流電具備下列條件:

(1)電壓的大小與電網(wǎng)電壓相等;

(2)頻率與電網(wǎng)頻率相同;

(3)電壓的相序與電網(wǎng)電壓的相序一致;

(4)電壓的相位與電網(wǎng)電壓的相位相同;

(5)電壓的波形與電網(wǎng)電壓的波形相同。

基于上述情況，風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行雖然是一種良好的趨勢，但到目前為止，國內(nèi)已經(jīng)并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機的數(shù)量并不很多。

5 風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行

風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行，是將風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電送入電網(wǎng)，通過電網(wǎng)把電供給電力用戶使用，這就解決了風(fēng)力發(fā)電的不連續(xù)、電壓和頻率不穩(wěn)定及電能的儲存等問題，并且輸送給電網(wǎng)的電能質(zhì)量是可靠的。本文主要介紹變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)運行方式。

5.1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)運行

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組能夠根據(jù)風(fēng)速變化，進行相應(yīng)調(diào)整，使風(fēng)力發(fā)電機組保持較高的效率運行。從風(fēng)力發(fā)電機組的運行原理分析，要求風(fēng)力發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比，并保持一個恒定的最佳葉尖速比，從而使風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)輪的風(fēng)能利用系統(tǒng)Cp保持最大值不變，風(fēng)力發(fā)電機組就輸出最大的功率。因此，要求變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機組除了能夠穩(wěn)定可靠地并網(wǎng)運行之外，最重要的一點就是要實現(xiàn)最大功率輸出控制。

5.1.1 雙速異步發(fā)電機通過晶閘管軟并網(wǎng)

(1)晶閘管軟并網(wǎng)方法的作用

①限制啟動并網(wǎng)時的沖擊電流。

②限制功率切換時的瞬變電流:在低速(低功率輸出)與高速(高功率輸出)繞組相互切換過程中。

(2)雙速異步發(fā)電機的并網(wǎng)過程

①低速啟動并網(wǎng)過程。當(dāng)風(fēng)速傳感器測量的風(fēng)速達到啟動風(fēng)速(如3.0～4.0m/s)以上，并連續(xù)維持達5～10min時，控制系統(tǒng)計算機發(fā)出啟動信號，風(fēng)力機組開始啟動，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，通過晶閘管接入電網(wǎng)，異步發(fā)電機進入低功率發(fā)電狀態(tài)。

②高速啟動并網(wǎng)過程。若風(fēng)速傳感器測量的1min平均風(fēng)速遠超啟動風(fēng)速，如7.5m/s，則風(fēng)力機組啟動后，發(fā)電機被切換到大容量高速繞組(如4極，1500r/min)，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，根據(jù)預(yù)定的啟動電流值，通過晶閘管接入電網(wǎng)，異步發(fā)電機直接進入高功率發(fā)電狀態(tài)。

(3)雙速異步發(fā)電機的運行控制

雙速異步發(fā)電機的運行狀態(tài)，即高功率輸出或低功率輸出狀態(tài)，是通過功率控制來實現(xiàn)的。

①小容量發(fā)電機向大容量發(fā)電機的切換。

②大容量發(fā)電機向小容量發(fā)電機的切換。

(4)轉(zhuǎn)子電流受控的異步風(fēng)力發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行

變槳距風(fēng)力機—滑差可調(diào)異步發(fā)電機的啟動并網(wǎng)及并網(wǎng)后的運行狀況如下:

①機組啟動并網(wǎng)前得控制方式，屬于轉(zhuǎn)速反饋控制，當(dāng)風(fēng)速達到啟動風(fēng)速時，風(fēng)力機開始啟動，隨著轉(zhuǎn)速的升高，風(fēng)力機的葉片節(jié)距角連續(xù)變化，使發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速值(同步轉(zhuǎn)速)，繼之發(fā)電機并入電網(wǎng)。

②發(fā)電機并網(wǎng)后的控制方式，即功率控制方式。當(dāng)發(fā)電機并網(wǎng)后，轉(zhuǎn)速的變化表現(xiàn)在發(fā)電機的滑差率上，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時，通過轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)、功率控制環(huán)節(jié)及RCC控制環(huán)節(jié)將發(fā)電機的滑差調(diào)到最小，滑差率在1%(即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速1%)，同時通過變槳距機構(gòu)將葉片功角調(diào)至零，并保持在零附近，以便最有效地吸收風(fēng)能。

由圖1可以看出，2007—2016年中國乳制品進口總量呈現(xiàn)波浪式增長。其中2009年是中國乳制品進口增長最快的一年，相比2008年進口量增長了54%。2009年乳制品進口量迅速增長的主要原因之一是2008年的三聚氰胺毒奶粉事件給中國乳制品產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來了極大的沖擊，國內(nèi)的食品質(zhì)量安全問題引起了消費者的廣泛關(guān)注，使消費者傾向于購買進口乳制品，從而帶動了進口量的迅速增加。2011—2013年，中國乳制品的進口量緩慢增長，之后出現(xiàn)明顯下降趨勢，2016年開始乳制品進口量又呈現(xiàn)增長趨勢，但相對先前而言增長速度開始放緩。

③當(dāng)風(fēng)速達到額定風(fēng)速時，發(fā)電機的輸出功率達到額定值。

④當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時，如果風(fēng)速持續(xù)增加，風(fēng)力機吸收的風(fēng)能不斷增大，風(fēng)力機軸上的機械功率輸出大于發(fā)電機輸出的電功率，則發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升，反饋到轉(zhuǎn)速控制環(huán)節(jié)后，轉(zhuǎn)速控制輸出將使變槳距機構(gòu)動作，改變風(fēng)力機葉片功角，以保證發(fā)電機為額定輸出功率不變，維持發(fā)電機在額定功率下運行。

⑤當(dāng)風(fēng)速上升時，發(fā)電機的輸出功率上升，大于額定功率，則功率控制單元改變轉(zhuǎn)子電流給定值，使異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流控制環(huán)節(jié)動作，調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路電阻(增大)，增大異步發(fā)電機的滑差(絕對值)，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升，發(fā)電機轉(zhuǎn)子的電流將保持不變，發(fā)電機輸出功率也將維持不變，由于風(fēng)力機的變槳距機構(gòu)有滯后效應(yīng)，葉片功角通常來不及變化。反之亦然。

5.1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)運行

(1)雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)運行的特點

雙饋發(fā)電機定子三相繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)交—交循環(huán)變流器連入電網(wǎng)，能夠?qū)崿F(xiàn)功率的雙向流動。由于在風(fēng)力機變速運行時發(fā)電機也為變速運行，因此為了實現(xiàn)與電網(wǎng)的并聯(lián)，將由雙饋異步電機和以自關(guān)斷器件為功率開關(guān)的變頻器組成的系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制技術(shù)(PWM)控制。采用雙饋異步電機，只要根據(jù)風(fēng)速的變化和發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化調(diào)整轉(zhuǎn)子的電流頻率，即可實現(xiàn)恒頻控制。這種系統(tǒng)并網(wǎng)運行的特點如下:

①風(fēng)力機啟動后帶動發(fā)電機至接近同步轉(zhuǎn)速時，由循環(huán)變流器控制進行電壓匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入電網(wǎng)，并網(wǎng)時基本上無電流沖擊。

③雙饋發(fā)電機勵磁可調(diào)量有3個:勵磁電流的頻率、幅值和相位。調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，保證發(fā)電機在變速運行的情況下發(fā)出恒定頻率的電力;通過改變勵磁電流的幅值和相位，不僅可以調(diào)節(jié)無功功率，也可以調(diào)節(jié)有功功率。

(2)雙饋風(fēng)力發(fā)電機的運行方式

①超同步運行(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機械旋轉(zhuǎn)方向相反，n2為負(fù))。定子向電網(wǎng)饋送電力外，轉(zhuǎn)子也向電網(wǎng)饋送一部分電力。

②亞同步速運行(轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場方向與機械旋轉(zhuǎn)方向相同，n2為正)。在定子向電網(wǎng)饋送電力的同時，需要向轉(zhuǎn)子饋入部分電力。

③同步運行。此種狀態(tài)下，nr=n1，滑差頻率f2=0，這表明此時通入轉(zhuǎn)子繞組的電流的頻率為0，即是直流電流，與普通同步發(fā)電機一樣。

(3)變速風(fēng)力機驅(qū)動雙饋異步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)運行

①頻率的控制。當(dāng)風(fēng)速降低時，風(fēng)力機轉(zhuǎn)速降低，異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也降低，轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速將低于異步電機的同步轉(zhuǎn)速ns，定子繞組感應(yīng)電動勢的頻率f低于f1(50Hz)，同時測速裝置立即將轉(zhuǎn)速降低的信息反饋到控制轉(zhuǎn)子電流頻率的電路，使轉(zhuǎn)子電流的頻率增高，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速又回升到同步轉(zhuǎn)速ns，使定子繞組感應(yīng)電勢的頻率f又恢復(fù)到額定頻f1(50Hz)。同理，當(dāng)風(fēng)速增高時，則使轉(zhuǎn)子電流的頻率降低，使定子繞組的感應(yīng)電動勢頻率重新恢復(fù)到頻率f1。

②電壓的控制。當(dāng)發(fā)電機的負(fù)載增加時，發(fā)電機輸出端電壓降低，此信息由電壓檢測獲得，并反饋到控制轉(zhuǎn)子電流大小的電路，即通過控制三相半控或全控整流橋的晶閘管導(dǎo)通角，使導(dǎo)通角增大，從而使發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流增加，定子繞組的感應(yīng)電動勢增高，發(fā)電機輸出端電壓恢復(fù)到額定電壓。反之，當(dāng)發(fā)電機負(fù)載減小時，使轉(zhuǎn)子電流減小，定子繞組輸出端電壓降回至額定電壓。

③變頻器及控制方式。在雙饋異步發(fā)電機組成的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)中，異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路中可采用不同類型的循環(huán)變流器作為變流器。

(4)雙饋風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)運行的優(yōu)越性

①該變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)控制異步發(fā)電機的滑差在恰當(dāng)?shù)臄?shù)值范圍內(nèi)變化，實現(xiàn)優(yōu)化風(fēng)力機葉片的槳距調(diào)節(jié)，可減少風(fēng)力機葉片槳距的調(diào)節(jié)次數(shù)。

②可降低風(fēng)力發(fā)電機組運轉(zhuǎn)時的噪聲水平。

③可以降低機組劇烈的轉(zhuǎn)矩起伏，減小所有部件的機械應(yīng)力，為減輕部件質(zhì)量或研制大型風(fēng)力發(fā)電機組提供了有力的保證。

④風(fēng)力機的運行速度能夠在一個較寬的范圍內(nèi)被調(diào)節(jié)到風(fēng)力機的最優(yōu)化效率數(shù)值，使風(fēng)力機的Cp值得到優(yōu)化而提高系統(tǒng)效率。

⑤可以實現(xiàn)發(fā)電機地起伏的平滑的電功率輸出，達到優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)的電網(wǎng)質(zhì)量，同時減小發(fā)電機溫度變化。

⑥與電網(wǎng)連接簡單，并可實現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)。

⑦可實現(xiàn)獨立(不與電網(wǎng)連接)運行，幾個相同的獨立運行機組也可實現(xiàn)并聯(lián)運行。

⑧該變速恒頻系統(tǒng)內(nèi)變頻器的容量一般為發(fā)電機額定容量的1/4～1/3。

⑨該變頻器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)制，可使變頻器的輸入電流波形接近正弦波，減小對電網(wǎng)的諧波污染，提高輸出的電能質(zhì)量。

(5)無刷雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)并網(wǎng)時的能量傳遞關(guān)系

①低風(fēng)速運行時，n1＞nR，此時主發(fā)電機定子繞組輸出的電功率P1為電機軸上輸入機械功率Pm與由變頻器輸入的電功率Pe1之和，即

②高風(fēng)速運行時，nR＞n1，發(fā)電機軸上輸入機械功率Pm分別轉(zhuǎn)換為由主發(fā)電機定子繞組輸出的電功率P1和由勵磁機定子繞組轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β式?jīng)變頻器饋入電網(wǎng)的電功率Pe1之和，即

5.1.3 同步發(fā)電機交—直—交系統(tǒng)的并網(wǎng)運行

(1)磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)的并網(wǎng)運行

磁場調(diào)制的風(fēng)力發(fā)電機系統(tǒng)可以是風(fēng)力發(fā)電機組在很大風(fēng)速范圍內(nèi)按最佳效率運行，可實現(xiàn)最大功率輸出控制。磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)輸出電壓的頻率和相位取決于勵磁電流的頻率和相位，而與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及位置無關(guān)，這種特點非常適合用于與電網(wǎng)并聯(lián)運行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

(2)變速風(fēng)力機驅(qū)動交流發(fā)電機經(jīng)整流—逆變裝置與電網(wǎng)并聯(lián)運行

該風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，風(fēng)力機為變速運行，因而交流發(fā)電機發(fā)出的為變頻交流電，經(jīng)整流—逆變裝置(交—直—交)轉(zhuǎn)換后獲得恒頻交流電輸出，再與電網(wǎng)并聯(lián)，因此這種風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)也是屬于變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

(3)風(fēng)力機直接驅(qū)動低速交流發(fā)電機經(jīng)變頻器與電網(wǎng)連接運行

優(yōu)點:

①不采用齒輪箱，大大減小了機組水平軸向長度，縮短了機械傳動路徑，避免了因齒輪箱旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗、噪聲以及材料的磨損甚至漏油等問題，延長機組的工作壽命;

②避免了齒輪箱部件的維修及更換，不需要齒輪箱潤滑油以及對油溫的監(jiān)控，因而提高了投資的有效性;

③發(fā)電機具有大的表面，散熱條件更有利，可以使發(fā)電機運行時的溫升降低，減小發(fā)電機溫升的起伏。

(4)世界風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀及預(yù)測

截至2010年底，世界風(fēng)電裝機容量達到196630MW，同比增長23.6%，其中2010年新能裝機容量為37642WM。2010年，全球有83個國家加入了風(fēng)能進行發(fā)電的行列，其中52個國家增加了其風(fēng)電裝機容量。中國取代美國成為總裝機能量最大的國家，達到44733MW，其中2010年新能裝機容量為18928WM，占據(jù)世界風(fēng)機市場的50.3%?？傃b機容量前五位的國家，包括中國、美國、德國、西班牙以及印度，占世界風(fēng)電總裝機容量的74.2%。預(yù)計2015年全球風(fēng)電總裝機容量可達到600GW，到2020年可達到1500GW。

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