可變頻變壓器在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

張帥

（廣州西門子變壓器有限公司）

可變頻變壓器在風(fēng)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

張帥

（廣州西門子變壓器有限公司）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，為了更好地應(yīng)對(duì)資源短缺與能源消耗，風(fēng)力發(fā)電得到了大規(guī)模應(yīng)用，問題與發(fā)展同在，風(fēng)電場(chǎng)中有風(fēng)機(jī)無法并網(wǎng)的現(xiàn)象存在，制約著電力的發(fā)展。本文針對(duì)我國(guó)目前存在的問題、解決方法、可變頻變壓器相關(guān)理論、風(fēng)電并網(wǎng)等一些問題展開討論，分析說明可變頻變壓器的應(yīng)用原理與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)模型等。

可變頻變壓器；風(fēng)電并網(wǎng)；概念；模型；風(fēng)電場(chǎng)

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在不斷發(fā)展，所產(chǎn)生的電力在我國(guó)得到迅速增長(zhǎng)，近些年來，基于可變頻變壓器的異步電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)為解決風(fēng)電并網(wǎng)問題提供了一種新的選擇，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已對(duì)風(fēng)電并網(wǎng)方式及風(fēng)電接入對(duì)電力系統(tǒng)的影響開展了廣泛而深入的研究。對(duì)于此，這里綜合分析研究了可變頻變壓器的運(yùn)用，為風(fēng)力發(fā)電運(yùn)用可變頻變壓提供了理論依據(jù)。

1 風(fēng)電并網(wǎng)接入問題及解決方法分析

1.1 風(fēng)電并網(wǎng)問題分析

1.1.1 電源結(jié)構(gòu)與電網(wǎng)建設(shè)問題

我國(guó)風(fēng)能資源分布不盡合理，多數(shù)分布在偏遠(yuǎn)地區(qū)，那里地理?xiàng)l件差，環(huán)境因素相對(duì)惡劣，遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)多數(shù)比較薄弱，導(dǎo)致我國(guó)電源結(jié)構(gòu)的不合理與電網(wǎng)建設(shè)的落后問題。

1.1.2 風(fēng)電機(jī)組性能問題分析

就現(xiàn)在我國(guó)風(fēng)電機(jī)組的工作問題進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：①風(fēng)電機(jī)組的入網(wǎng)認(rèn)證體系缺乏；②風(fēng)電機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)體系缺乏。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的評(píng)價(jià)研究包括功率曲線、低電壓穿越能力、電能質(zhì)量等等，這些內(nèi)容沒有經(jīng)過嚴(yán)格的入網(wǎng)檢測(cè)與認(rèn)證評(píng)價(jià)。

1.2 風(fēng)電并網(wǎng)難題解決方法分析

針對(duì)出現(xiàn)的問題，必須要有解決的方法，下面從兩方面分析解決方法：①抓住問題的根本，從本質(zhì)上解決問題，提高風(fēng)電機(jī)組的性能，這有一定的限制，要考慮風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的制造技術(shù)。②從接入方式出發(fā)，尋求新的技術(shù)與設(shè)備，近年，基于可變頻變壓器的異步電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)為解決風(fēng)電并網(wǎng)問題提供了一種新的選擇。

2 可變頻變壓器相關(guān)理論分析研究

2.1 可變頻變壓器概念分析

可變頻變壓器（Variable Frequency Transformer，VFT）是一種異步電網(wǎng)互聯(lián)裝置，它新穎，性能優(yōu)異。利用可變頻變壓器進(jìn)行風(fēng)電并網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展為一種趨勢(shì)，在風(fēng)電并網(wǎng)中發(fā)揮了重要的作用，包括改善了風(fēng)電場(chǎng)的低電壓穿越能力與提高了電壓穩(wěn)定性。

2.2 可變頻變壓器結(jié)構(gòu)分析

如圖1所示，可變頻變壓器由三部分組成，分別是集電環(huán)、旋轉(zhuǎn)變壓器與直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

圖1 VFT剖視圖及現(xiàn)場(chǎng)圖（GE公司）

2.3 可變頻變壓器工作原理分析

變頻變壓器VFT實(shí)際上是一個(gè)可連續(xù)調(diào)節(jié)的移相變壓器。其在運(yùn)行時(shí)定、轉(zhuǎn)子繞組分別連接一個(gè)電網(wǎng)。在轉(zhuǎn)子軸上安裝轉(zhuǎn)子繞組，此轉(zhuǎn)子繞組是有直流驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的，通過直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和角度。當(dāng)三相繞組接入電網(wǎng)時(shí)，其中將流過三相對(duì)稱電流，產(chǎn)生頻率50Hz的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得定轉(zhuǎn)子之間相角不為零時(shí)，將有功率流過VFT，且與該相角成比例，VFT所傳送的功率是直流電機(jī)施加在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。

2.4 可變頻變壓器的特點(diǎn)分析

可變頻變壓器許多功能，具體包括異步聯(lián)網(wǎng)、頻率的調(diào)整、黑啟動(dòng)電源、功率輸出控制管理控制等等，除此之外，還擁有一些功能，比如弱系統(tǒng)電力不足時(shí)為其提供電力，低頻功率振蕩可能帶來的損失，可變頻變壓器可以抑制振蕩，減少損失等等。關(guān)于可變頻變壓器的功能，與它相似的就是直流背靠背，但是與直流背靠背相比，它用于弱電源系統(tǒng)更加適宜，有一個(gè)好處就是對(duì)于占地能夠做到最小化。對(duì)于它的調(diào)節(jié)控制功能，與調(diào)相器相似，但能夠通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)平滑調(diào)節(jié)相位移，保持系統(tǒng)間的同步，實(shí)現(xiàn)異步系統(tǒng)之間的穩(wěn)定功率傳輸。

3 VFT與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)分析

對(duì)于VFT的應(yīng)用，涉及風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)連接時(shí)，在風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)連接中發(fā)揮重要的作用，其工作原理是將轉(zhuǎn)子側(cè)接電網(wǎng)，定子側(cè)接風(fēng)電場(chǎng)，如圖2所示。關(guān)于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)，是由一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)作為轉(zhuǎn)矩控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來控制的，定轉(zhuǎn)子上功率Ps、Pr的正方向如圖中箭頭方向所示。風(fēng)電場(chǎng)的功率是不穩(wěn)定的，隨時(shí)間的變化而變化，運(yùn)用可變頻變壓器的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)，能夠?qū)︼L(fēng)電場(chǎng)的功率進(jìn)行追蹤與控制。

圖2 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

關(guān)于風(fēng)電場(chǎng)的功率，其傳輸控制模型如圖3所示，可變頻變壓器傳輸功率的參考值可用風(fēng)電場(chǎng)的功率Pw表示，由PI控制器可得出相角然后得出驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，它的功能可以看作是一臺(tái)變壓器，定轉(zhuǎn)子要有相角，轉(zhuǎn)子保持穩(wěn)定，通過這種方法，風(fēng)電場(chǎng)的功率輸至電網(wǎng)。

圖3 VFT傳輸功率控制框圖

4 風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)仿真研究分析

4.1 隔離故障分析

VFT的定、轉(zhuǎn)子之間傳輸功率運(yùn)用的是電磁耦合，所謂耦合是指電路元件或電網(wǎng)絡(luò)（兩個(gè)或及以上）輸入與輸出之間的相互影響與配合，從一側(cè)向另一側(cè)傳輸能力通過相互作用。所謂電磁耦合，實(shí)際情況是磁場(chǎng)是由于電場(chǎng)的變化產(chǎn)生的，然而同樣，變化的電廠也可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，它們相互作用、相輔相成是電磁耦合。電磁耦合有發(fā)揮傳輸功率的作用，轉(zhuǎn)子同時(shí)會(huì)有慣性作用，VFT這樣就可以發(fā)揮隔離故障的作用。

4.2 平滑功率以及穩(wěn)定電壓分析

可變頻變壓器從根本上來說，它的主體相當(dāng)于是一臺(tái)大型的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，通過VFT的轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)可以使其傳輸功率跟蹤風(fēng)電場(chǎng)輸出功率而變化。分析知，風(fēng)電場(chǎng)的功率是不穩(wěn)定的，時(shí)常發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)有波動(dòng)發(fā)生時(shí)，可變頻變壓器的轉(zhuǎn)矩會(huì)做出相應(yīng)的改變，其控制系統(tǒng)會(huì)做出相應(yīng)的動(dòng)作，這個(gè)改變主要是控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，通過轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)來調(diào)整相角，一達(dá)到調(diào)節(jié)傳輸功率的作用。轉(zhuǎn)子慣性的特點(diǎn)是其慣性很大，在這個(gè)過程中，由于轉(zhuǎn)子慣性的作用能夠起到緩沖部分能量的作用，這就決定了可變頻變壓器擁有平滑功率以及穩(wěn)定電壓的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文具體分析了風(fēng)電并網(wǎng)接入問題及解決方法，分析了可變頻變壓器相關(guān)理論，包括概念、工作原理、結(jié)構(gòu)分析以及可變頻變壓器的特點(diǎn)分析，分析了VFT與風(fēng)電場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)情況，最后分析了風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)仿真研究情況，本文重點(diǎn)分析了VFT的作用，在提高風(fēng)電場(chǎng)的電壓穩(wěn)定性以及傳輸功率方面的作用，研究結(jié)果表明，可變頻變壓器在電壓穩(wěn)定性方面發(fā)揮了巨大作用，能夠?qū)Ψ€(wěn)定性有一個(gè)很好的改進(jìn)，并且可以提高風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力，能夠一定程度上減輕風(fēng)電場(chǎng)變化對(duì)電網(wǎng)的影響。關(guān)于可變頻變壓器的應(yīng)用，目前來說還沒有大規(guī)模投入使用，但是，分析研究可以發(fā)現(xiàn)，在將來的風(fēng)力發(fā)電中，它一定會(huì)發(fā)揮巨大的作用。這就為我們下一步的工作說明了目的，需要在理論上進(jìn)行VFT聯(lián)網(wǎng)下風(fēng)電場(chǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，并制定出一套詳細(xì)的控制方法。

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TM614

A

1004-7344（2016）15-0243-02

2016-4-10

張帥（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事變壓器制造技術(shù)與生產(chǎn)管理工作。