風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用分析

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（中廣核楚雄牟定風(fēng)力發(fā)電有限公司，云南 楚雄 675506）

1 風(fēng)力發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括風(fēng)力機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)兩大部分，工作過(guò)程：空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪上，推動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)起來(lái)，將空氣動(dòng)力能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，風(fēng)輪的輪固定在風(fēng)力機(jī)軸上，通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能輸送給負(fù)荷或電力系統(tǒng)。

2 并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前風(fēng)電系統(tǒng)的運(yùn)行方式常采用獨(dú)立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型3種方式，中、大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要采用并網(wǎng)運(yùn)行方式。并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)由風(fēng)能資源、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變頻器、控制器及變壓器等組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時(shí)必須輸出50Hz恒定頻率的電能，一般可以分為恒速恒頻(CSCF)和變速恒頻(VSCF)兩種調(diào)節(jié)方式。

2.1 CSCF風(fēng)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前還在MW級(jí)以下的風(fēng)電機(jī)組采用，常用異步或同步兩種發(fā)電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高；并網(wǎng)控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單；同步發(fā)電機(jī)既能輸出有功功率，還能提供無(wú)功功率和電壓支撐能力，輸出的電能質(zhì)量高，因此，同步發(fā)電機(jī)取代異步發(fā)電機(jī)是風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)趨勢(shì)。缺點(diǎn)：當(dāng)風(fēng)速迅速增大時(shí)，風(fēng)能將通過(guò)槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機(jī)等部件，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，引起這些部件的疲勞損壞；風(fēng)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相耦合，風(fēng)電特性會(huì)直接對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響，若風(fēng)速急劇變化，可能會(huì)引發(fā)電能質(zhì)量問(wèn)題；若采用異步發(fā)電機(jī)，需要無(wú)功電源的支持，還需動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，并網(wǎng)時(shí)沖擊電流較大；若采用同步發(fā)電機(jī)，由于風(fēng)速隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩很不穩(wěn)定，使得并網(wǎng)時(shí)其調(diào)速性能很難達(dá)到期望的精度，特別是當(dāng)重載情況下并網(wǎng)，若不進(jìn)行有效控制，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的無(wú)功振蕩和失步問(wèn)題。因此，CSCF系統(tǒng)很少采用同步發(fā)電機(jī)。

2.2 VSCF風(fēng)電系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)：根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)力機(jī)以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，減少了對(duì)風(fēng)力機(jī)等機(jī)械裝置的機(jī)械應(yīng)力；通過(guò)對(duì)最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤，在可發(fā)電的較大風(fēng)速范圍內(nèi)均可獲得最佳功率輸出；風(fēng)力機(jī)能夠?qū)ψ兓娘L(fēng)速起到一定的緩沖，使輸出功率的波動(dòng)變化減?。煌ㄟ^(guò)對(duì)風(fēng)電機(jī)組有功和無(wú)功輸出功率進(jìn)行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分別單獨(dú)控制風(fēng)電機(jī)組有功、無(wú)功的輸出，具備電壓的控制能力；實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響，并網(wǎng)沖擊電流??；若采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，則變頻器容量?jī)H約為發(fā)電機(jī)容量的30%，降低了變換器的損耗、造價(jià)和體積；若采用同步發(fā)電機(jī)，可省去齒輪箱，提高效率和可靠性。

缺點(diǎn)：整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大；需配備變頻器，控制回路多，控制復(fù)雜，維護(hù)難；若采用同步發(fā)電機(jī)，則轉(zhuǎn)速較低，極對(duì)數(shù)較多，且需配備全功率變頻器，成本較高，損耗大；若采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，要求變頻器具有低電壓穿越等并網(wǎng)運(yùn)行能力，控制復(fù)雜，投入大。

3 幾種常用的并網(wǎng)方式

3.1 異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)

目前，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)主要有直接、準(zhǔn)同期、降壓、捕捉式準(zhǔn)同步和晶閘管軟并網(wǎng)共5種 CSCF并網(wǎng)方式。

3.1.1 直接并網(wǎng)方式

此法要求在并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的90%－100%時(shí)即可自動(dòng)并入電網(wǎng)。自動(dòng)并網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出，空氣開(kāi)關(guān)自動(dòng)合閘完成并網(wǎng)。

3.1.2 準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式

此法在轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)，先通過(guò)電容進(jìn)行勵(lì)磁建立額定電壓，然后對(duì)發(fā)電機(jī)的電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)兩者電壓的幅值、頻率、相位一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。

3.1.3 降壓并網(wǎng)方式

此法在發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間串聯(lián)電阻、電抗器或者自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度。在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，需將接入的電阻等元件迅速?gòu)碾娐分星谐悦庀墓β省?/p>

3.1.4 捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)方式

它是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改為在頻率變化中捕捉同步點(diǎn)的方法進(jìn)行準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)。這種方法可不丟失同期機(jī)，并網(wǎng)工作準(zhǔn)確、快速可靠，既能實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)沖擊準(zhǔn)同步并網(wǎng)，對(duì)機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，又能很好地解決并網(wǎng)沖擊與造價(jià)的矛盾。非常適合于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的準(zhǔn)同步并網(wǎng)操作。但是，這種方法控制復(fù)雜，對(duì)轉(zhuǎn)速有一定的要

求。

3.1.5 晶閘管軟并網(wǎng)方式

此法是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)并網(wǎng)方式，它在異步發(fā)電機(jī)的定子和電網(wǎng)之間每相串入一個(gè)雙向晶閘管，通過(guò)調(diào)節(jié)晶閘管使導(dǎo)通角逐漸增大來(lái)控制并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流，從而得到一個(gè)平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過(guò)程。正常運(yùn)行時(shí)，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流不再經(jīng)過(guò)雙向晶閘管，而是通過(guò)已閉合的自動(dòng)開(kāi)關(guān)直接流入電網(wǎng)。并網(wǎng)后應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)端并入無(wú)功補(bǔ)償裝置，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)提高到0.95以上。

3.2 雙饋異步發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)

雙饋異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過(guò)變頻器采用交流勵(lì)磁，電機(jī)和電網(wǎng)之間構(gòu)成“柔性連接”，可根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制機(jī)側(cè)變換器來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流，從而精確地控制發(fā)電機(jī)定子電壓，使其滿足并網(wǎng)條件，因而可在變速條件下實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。整個(gè)并網(wǎng)調(diào)節(jié)過(guò)程完全由轉(zhuǎn)子變頻器實(shí)現(xiàn)，不需要外加任何硬件裝置，調(diào)節(jié)精度高，并網(wǎng)沖擊小。

3.3 同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)技術(shù)

由于異步發(fā)電機(jī)會(huì)產(chǎn)生滯后的功率因數(shù)且需要進(jìn)行補(bǔ)償，而同步發(fā)電機(jī)可以控制勵(lì)磁來(lái)調(diào)節(jié)其功率因數(shù)為1；異步發(fā)電機(jī)要靠增加轉(zhuǎn)差率才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步發(fā)電機(jī)只要加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍更寬，承受轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)能力更強(qiáng)，響應(yīng)更快。因此，同步發(fā)電機(jī)正逐步取代異步發(fā)電機(jī)。同步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方式有準(zhǔn)同步、自同步和變頻器并網(wǎng)3種方式，其中前2種、最后1種分別屬于CSCF、VSCF風(fēng)電并網(wǎng)方式。

結(jié)語(yǔ)

并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是20世紀(jì)80年代興起的一項(xiàng)新能源技術(shù)，因而迅速實(shí)現(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化。本文介紹了并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了幾種風(fēng)電并網(wǎng)方式，其中同步發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)近年來(lái)受到了眾多青睞。

[1]宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

[2]黃守道，孫延昭，黃科元．風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)問(wèn)題研究[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，23(2).

[3]姚興佳宋俊等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組原理與應(yīng)用[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社2009.