并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行分析

【摘要】隨著電力和能源改革逐步深入，在國(guó)家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大背景下，風(fēng)力發(fā)電成為新能源開發(fā)利用的重要領(lǐng)域。在有風(fēng)力資源的地區(qū)，建設(shè)小型風(fēng)力發(fā)電或風(fēng)光互補(bǔ)獨(dú)立電站（集中供電系統(tǒng)或戶用系統(tǒng)）成為為小型負(fù)荷供電一種新選擇。研究并分析并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行顯得很重要。

【關(guān)鍵詞】并網(wǎng)運(yùn)行；風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；運(yùn)行分析

現(xiàn)如今風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已從過去的小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)獨(dú)立運(yùn)行發(fā)展為大型發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，即風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，系統(tǒng)包括發(fā)電機(jī)、增速箱、剎車、偏航、控制等幾大系統(tǒng)。直接與電網(wǎng)相連接的是異步發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其發(fā)電的首要條件是要吸收無功來建立磁場(chǎng)，如果沒有無功來源，也就是說沒有電網(wǎng)，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行是沒有能力發(fā)電的。

一、異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)方法

由風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的原理分析如下：因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)為低速運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)力機(jī)械，在風(fēng)力機(jī)與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間經(jīng)增速齒輪傳動(dòng)來提高轉(zhuǎn)速以達(dá)到適合異步發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，一般與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的異步發(fā)電機(jī)，多選用4極或6極電機(jī)，因此異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速必須超過1500r/min或1000r/min，才能運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)送電。顯見，電機(jī)極對(duì)數(shù)的選擇與增速齒輪箱關(guān)系密切，若電機(jī)的極對(duì)數(shù)選小，則增速齒輪傳動(dòng)的速比增大，齒輪箱加大，但電機(jī)的尺寸則小些；反之，若電機(jī)的極對(duì)數(shù)選大些，則傳動(dòng)速比減小，齒輪箱相對(duì)小些，但電機(jī)的尺寸則大些。

根據(jù)電機(jī)理論，異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，是靠滑差率來調(diào)整負(fù)荷的，其輸出的功率和轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系，因此對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求，不像同步發(fā)電機(jī)那么嚴(yán)格精確，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)就可并網(wǎng)，國(guó)內(nèi)及國(guó)外與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，多采用異步發(fā)電機(jī)，但異步發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)瞬間會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流，并使電網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，這種沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)自身部件的安全及對(duì)電網(wǎng)的影響也越加嚴(yán)重。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接的主回路中的自動(dòng)開關(guān)斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降，則可能會(huì)使低壓保護(hù)動(dòng)作，從而導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)根本不能并網(wǎng)。當(dāng)前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方法有以下幾種。

1.直接并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(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，而后通過自動(dòng)空氣開合閘完成并網(wǎng)過程。顯見這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡(jiǎn)單。但如上所述，直接并網(wǎng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，因此這種并網(wǎng)方法只適用于異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下，而電網(wǎng)容量較大的情況下。中國(guó)最早引進(jìn)的55kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及自行研制的50kw風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是采用這種方法并網(wǎng)的。

2.降壓并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步電機(jī)與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，已達(dá)到降低并網(wǎng)合閘間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因?yàn)殡娮?、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)以后，進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，必須將其迅速切除，這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級(jí)以上、容量較大的機(jī)組，顯見這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟(jì)性較差，中國(guó)引進(jìn)的200kw異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。

3.通過晶閘管軟并網(wǎng)

這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制，雙向晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)K2動(dòng)合觸頭并聯(lián)。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。其并網(wǎng)過程如下：當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收到由控制系統(tǒng)內(nèi)微處理機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)命令后，先檢查發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出松閘命令，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開始啟動(dòng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，雙向閘管的控制角同時(shí)由180°到0°逐漸同步打開；與此同時(shí)，雙向晶閘管的導(dǎo)通角則同時(shí)由0°到180°逐漸增大，此時(shí)并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)K2未動(dòng)作，動(dòng)合觸頭未閉合，異步發(fā)電機(jī)即通過晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機(jī)的滑差率漸趨于零，當(dāng)滑差率為零時(shí)，并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)動(dòng)作，動(dòng)合觸頭閉合，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流將不再經(jīng)雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動(dòng)開關(guān)觸頭流入電網(wǎng)。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)端并入補(bǔ)償電容，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)提高到0.95以上。

這種軟并網(wǎng)方法的特點(diǎn)是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(nèi)，從而得到一個(gè)平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。

在雙向晶閘管兩端并接有旁路并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)，并在零轉(zhuǎn)差率時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，在并網(wǎng)暫態(tài)過程完畢后，即將雙向晶閘管短接。與此種軟并網(wǎng)連接方式相對(duì)應(yīng)的另一種軟并網(wǎng)連接方式是在異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間通過雙向晶閘管直接接，在晶閘管兩端設(shè)有并接的旁路并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)，雙向晶閘管即在并網(wǎng)過程中起到控制沖擊電流的作用，同時(shí)又作為無觸頭自動(dòng)開關(guān)，因而控制回路也較為簡(jiǎn)單些，并且避免了有觸頭自動(dòng)開關(guān)觸頭粘著、彈跳及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開關(guān)頻率，這是其優(yōu)點(diǎn)。但這種連接方式需選用電流允許值大的高反壓雙向晶閘管，這是因?yàn)樵谶@種連接方式下，雙向晶閘管中通過的電流需滿足能通過異步發(fā)電機(jī)的額定電流值，而具有旁路并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過較發(fā)電機(jī)空載電流略高的電流就可以滿足要求，這是這種連接方式的不利之處。這種軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過程與上述具有并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過程相同，在雙向晶閘管開始導(dǎo)通階段，異步電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，但隨著異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，滑差率漸漸接近于零，當(dāng)滑差率為零時(shí)，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)過程也就結(jié)束。

二、雙速異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行控制

1.小容量電機(jī)向大容量電機(jī)的切換

當(dāng)小容量發(fā)電機(jī)的輸出在一定時(shí)間內(nèi)平均值達(dá)到某—設(shè)定值（例如小容量電機(jī)額定功率的75%左右），通過計(jì)算機(jī)控制將自動(dòng)切換到大容量電機(jī)，為完成此過程，發(fā)電機(jī)暫時(shí)從電網(wǎng)中脫離出來，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速升高，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)電流值，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近同步速時(shí)通過晶閘管并入電網(wǎng)，所設(shè)定的電流值應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)變電所所所允許投入的最大電流來確定。由于小容量電機(jī)向大容量電機(jī)的切換是由低速向高速的切換，故這一過程是在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行的。

晶閘管軟并網(wǎng)技術(shù)雖然是目前一種先進(jìn)的并網(wǎng)方法，但它也對(duì)晶閘管器件與之相關(guān)的晶閘管出發(fā)電路提出了嚴(yán)格的要求，即晶閘管器件的特性要一致、穩(wěn)定以及觸發(fā)電路可靠，只有發(fā)電機(jī)主回路中的每相的雙向晶閘管特性一致，控制極出發(fā)電壓、出發(fā)電流一致，全開通后壓降相同，才能保證可控硅導(dǎo)通角在0°-180°范圍內(nèi)同步逐漸增大，才能保證發(fā)電機(jī)三相電流平衡，否則會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)不利。目前在晶閘管軟并網(wǎng)方法中，根據(jù)晶閘管的通斷狀況，觸發(fā)電路由移相觸發(fā)及過零觸發(fā)兩種方式，移相觸發(fā)會(huì)造成發(fā)電機(jī)每相電流為正負(fù)半波對(duì)稱的非正弦波含有較多的奇次諧波分量，這些諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染公害，必須加以限制和消除。

過零觸發(fā)是在設(shè)定的周期內(nèi)，逐步改變晶閘管的導(dǎo)通周波數(shù)，最后達(dá)到全部導(dǎo)通，使發(fā)電機(jī)平穩(wěn)并入電網(wǎng)，因而不產(chǎn)生諧波干擾。通過晶閘管軟并網(wǎng)法將風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)是目前國(guó)內(nèi)外中型及大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中普遍采用的，中國(guó)引進(jìn)和自行開發(fā)研制生產(chǎn)的250、300、600kw的并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，都是采用這種并網(wǎng)技術(shù)。

2.大容量電機(jī)向小容量電機(jī)的切換

當(dāng)雙速異步發(fā)電機(jī)在高輸出功率（即大容量電機(jī)）運(yùn)行時(shí)，若輸出功率在一定時(shí)間內(nèi)（例如5min）平均下降到小容量電機(jī)額定容量的50%以下時(shí)，通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，雙速異步發(fā)電機(jī)將自動(dòng)由大容量電機(jī)切換到小容量電機(jī)（即低輸出功率）運(yùn)行，必須注意的是當(dāng)大容量電機(jī)切出，小容量電機(jī)切入時(shí)，雖然由于風(fēng)速的降低，風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速已逐漸減慢，但因小容量電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速較大容量電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速低，被異步發(fā)電機(jī)將處于超同步轉(zhuǎn)速狀態(tài)下，小容量電機(jī)在切入（并網(wǎng)）時(shí)所限定的電流值應(yīng)小于小容量電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩下相對(duì)應(yīng)的電流值，否則異步發(fā)電機(jī)會(huì)發(fā)生超速，導(dǎo)致超速保護(hù)動(dòng)作而不能切入。

三、風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)滑差可調(diào)的繞線式異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行

1.基本工作原理

現(xiàn)代風(fēng)電場(chǎng)中應(yīng)用最多的并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是異步發(fā)電機(jī)。異步發(fā)電機(jī)在輸出額定功率時(shí)的滑差率數(shù)值是恒定的，約在2%—5%之間。眾所周知，風(fēng)力機(jī)自流動(dòng)的空氣中吸收的風(fēng)能是隨風(fēng)速的起伏而不停地變化，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)都是在風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出額定功率時(shí)使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)處于最高數(shù)值區(qū)內(nèi)。當(dāng)來流風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，為了維持發(fā)電機(jī)的輸出功率不超過額定值，必須通過風(fēng)輪葉片失速效應(yīng)或是調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)葉片的槳距來限制風(fēng)力機(jī)自流動(dòng)空氣中吸收的風(fēng)能，以達(dá)到限制風(fēng)力機(jī)的出力，這樣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將在不同的風(fēng)速下維持不變的同一轉(zhuǎn)速。

2.滑差可調(diào)的異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

滑差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)從結(jié)構(gòu)上講與串電阻調(diào)速的繞線式異步電動(dòng)機(jī)相似，其整個(gè)結(jié)構(gòu)包括繞線式轉(zhuǎn)子的異步電機(jī)、繞線轉(zhuǎn)子外接電阻、由電力電子器件組成的轉(zhuǎn)子電流控制器及轉(zhuǎn)速和功率控制單元，圖1表示滑差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)布置原理。

圖1表明由電流互感器測(cè)量出的轉(zhuǎn)子電流值與以外部控制單元給定的電流基準(zhǔn)值比較后計(jì)算得出轉(zhuǎn)子回路的電阻值，并通過電力電子器件IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）的導(dǎo)通和關(guān)斷來進(jìn)行調(diào)整；而IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷則由PWM（脈沖寬度調(diào)制器）來控制。因?yàn)橛蛇@些電力電子器件組成的控制單元其作用是控制轉(zhuǎn)子電流的大小，故稱為轉(zhuǎn)子電流控制器。此轉(zhuǎn)子電流控制器可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路的電阻值使其在最小值（只有轉(zhuǎn)子繞組自身電阻）與最大值（轉(zhuǎn)子繞組自身電阻與外接電阻之和）之間變化、使發(fā)電機(jī)的滑差率能在0.6%一10%之間連續(xù)變化，維持轉(zhuǎn)子電流為額定值，從而達(dá)到維持發(fā)電機(jī)輸出的電功率為額定值。

3.滑差可調(diào)的異步發(fā)電機(jī)的功率調(diào)節(jié)

在采用變槳距風(fēng)力機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，由于槳距調(diào)節(jié)有滯后時(shí)間，特別在慣量大的風(fēng)力機(jī)中，滯后現(xiàn)象更為突出，在陣風(fēng)或風(fēng)速變化頻繁時(shí)，會(huì)導(dǎo)致槳距大幅度頻繁調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)輸出功率也將大幅度變動(dòng)。對(duì)電網(wǎng)造成不良影響；因此單純靠變槳距來調(diào)節(jié)風(fēng)力機(jī)的功率輸出，并不能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)輸出功率的穩(wěn)定性，利用具有轉(zhuǎn)子電流控制器的滑差可調(diào)異步電機(jī)與變槳距風(fēng)力機(jī)配合，共同完成發(fā)電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)，則能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電功率的穩(wěn)定輸出。具有轉(zhuǎn)子電流控制器的滑差可調(diào)異步發(fā)電機(jī)與變槳距風(fēng)力機(jī)配合時(shí)的控制原理如圖2所示。

（1）圖2中S代表機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)前的控制方式，屬于轉(zhuǎn)速反饋控制。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到啟動(dòng)風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)開始啟動(dòng)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，風(fēng)力機(jī)的葉片節(jié)距角連續(xù)變化，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速值，繼之發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。

電機(jī)的轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速位（同步轉(zhuǎn)速）。繼之發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)。

（2）圖2中R代表發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后的控制方式，即功率控制方式。當(dāng)發(fā)電機(jī)并入電網(wǎng)后，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由于受到電網(wǎng)頻率的牽制，轉(zhuǎn)速的變化表現(xiàn)在電機(jī)的滑差率上，風(fēng)速較低時(shí)，發(fā)電機(jī)的滑差率較小，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，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(jī)的滑差調(diào)到最小，滑差率在1%（即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速1%），同時(shí)通過變槳距機(jī)構(gòu)將葉片攻角調(diào)至零，并保持在零附近，以便最有效地吸收風(fēng)能。

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

（4）當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，如果風(fēng)速持續(xù)增加，風(fēng)力機(jī)吸收的風(fēng)能不斷增大，風(fēng)力機(jī)軸上的機(jī)械功率輸出大于發(fā)電機(jī)輸出的電功率，則發(fā)電機(jī)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(jī)構(gòu)動(dòng)作，改變風(fēng)力機(jī)葉片攻角，以保讓發(fā)電機(jī)為額定輸出功率不變，維持發(fā)電機(jī)在額定功率下運(yùn)行。

總之，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的投入運(yùn)行，大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)越來越快，風(fēng)電事業(yè)正逐步向產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)。在一些地方，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)在電網(wǎng)中占了相當(dāng)?shù)谋戎?，它的運(yùn)行狀況直接關(guān)系到整個(gè)電網(wǎng)的安全性和可靠性。為了更加安全、充分的利用風(fēng)力資源，迫切需要深入研究大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行的相關(guān)技術(shù)問題，是保證大規(guī)模風(fēng)電場(chǎng)后電力系統(tǒng)仍然可以正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要前提。