永磁直驅(qū)寬頻風(fēng)機(jī)電氣的并網(wǎng)運(yùn)行特性

張海軍 王洪超

【摘要】近年來，隨著新能源的開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日益進(jìn)步，永磁直驅(qū)寬頻風(fēng)機(jī)逐步被應(yīng)用于風(fēng)電項(xiàng)目中。由于風(fēng)能資源并不是持續(xù)的，這種間歇性特征使得電力系統(tǒng)在輸配電過程中的運(yùn)營難度非常大，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行中存在著較大的問題，通過對并網(wǎng)運(yùn)行特性的研究，可以提升風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益，保持風(fēng)力發(fā)電的穩(wěn)定性?；诖耍疚闹攸c(diǎn)探析了永磁直驅(qū)寬頻風(fēng)機(jī)電氣的并網(wǎng)運(yùn)行特性，有利于實(shí)現(xiàn)風(fēng)能資源的綜合利用率，實(shí)現(xiàn)風(fēng)能向電能的轉(zhuǎn)化。

【關(guān)鍵詞】永磁直驅(qū)寬頻風(fēng)機(jī);電氣并網(wǎng);運(yùn)行特性

近年來，在經(jīng)濟(jì)社會(huì)不斷發(fā)展的過程中，電能資源的需求量日漸增多，傳統(tǒng)的電力生產(chǎn)效率低下，且存在巨大的能源消耗，在當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展理念下，風(fēng)力發(fā)電成為了有效的電力生產(chǎn)方式，風(fēng)能資源屬于清潔能源，風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)施中，雖然其優(yōu)勢明顯，但是，由于風(fēng)能的較大波動(dòng)性，使得永磁直驅(qū)寬頻風(fēng)機(jī)運(yùn)營管理難度大，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)需嚴(yán)格通過對運(yùn)行特性的研究，來保持電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性。

1、直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基本構(gòu)成

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)電項(xiàng)目的關(guān)鍵設(shè)備，在具體的應(yīng)用過程中，實(shí)現(xiàn)了多極永磁發(fā)電機(jī)與風(fēng)機(jī)的直接連接，風(fēng)機(jī)能夠直接來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，這種結(jié)構(gòu)下，去除了中間的傳動(dòng)齒輪箱，能夠在整個(gè)的運(yùn)行過程中避免傳動(dòng)齒輪箱所造成的諸多不利影響。直驅(qū)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)下，轉(zhuǎn)子是與風(fēng)機(jī)直接連接的，由于風(fēng)速值處于波動(dòng)狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也會(huì)隨之發(fā)生一定的變化，那么，在此情況下，交流電頻率也會(huì)將會(huì)產(chǎn)生一定的變化，無法保障并網(wǎng)運(yùn)行目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)[1]。因此，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過程中，需利用背靠背變流器來對交流電加以整流，隨后再逆變成為與電力系統(tǒng)要求相一致的交流電。直驅(qū)風(fēng)電系統(tǒng)中，變流器與變流器控制是關(guān)鍵。

2、系統(tǒng)參數(shù)

以金風(fēng)1.5MW風(fēng)機(jī)為研究對象，該風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)采用的是無增速齒箱葉輪直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的技術(shù)，多極對永磁同步發(fā)電機(jī)組，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中，全部功率通過全功率的1.5MW變頻器并網(wǎng)，由于并網(wǎng)是通過變頻器來實(shí)現(xiàn)的，風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)電氣特性與發(fā)電機(jī)是相互獨(dú)立的。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，一旦出現(xiàn)了某種故障，為了避免各種故障對電網(wǎng)穩(wěn)定性與設(shè)備所造成的不利影響，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的保護(hù)，風(fēng)機(jī)在實(shí)際的運(yùn)行過程中，需根據(jù)各類故障的持續(xù)時(shí)間自動(dòng)判定是否需要從系統(tǒng)中切出來開展相應(yīng)的運(yùn)行，其保護(hù)值、延遲時(shí)間有著特定的標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)保護(hù)參數(shù)在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)的過程中，可以根據(jù)各個(gè)電網(wǎng)企業(yè)的具體要求來進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整與優(yōu)化，但是，在保護(hù)參數(shù)的設(shè)定過程中，要嚴(yán)禁將保護(hù)參數(shù)設(shè)置得過大。如果風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)了相應(yīng)故障，且持續(xù)時(shí)間超出了標(biāo)準(zhǔn)值，風(fēng)機(jī)需退出運(yùn)行。

3、金風(fēng)1.5MW風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行特性

根據(jù)金風(fēng)1.5MW風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)和特性，其屬于變槳寬帶調(diào)速同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，整體上為永磁同步電機(jī)、無增速齒箱設(shè)計(jì)。其系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)有所不同，在具體的使用過程中存在著突出的優(yōu)勢：永磁同步發(fā)電機(jī)下的整體結(jié)構(gòu)構(gòu)成簡單，在運(yùn)行時(shí)的效率較高，且后續(xù)的維護(hù)相對便捷，甚至不需要維護(hù);無齒箱設(shè)計(jì)的風(fēng)機(jī)具有更高的可靠性，在整個(gè)的運(yùn)行過程中可以保持較高的效率;全功率變頻器下，完全可以實(shí)現(xiàn)對功率的柔性控制，具有控制的靈活性與高效性，根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，風(fēng)機(jī)的變速范圍甚至可以達(dá)到50%，風(fēng)能資源的利用率更高[2]。

3.1并網(wǎng)特性——有功功率控制

此風(fēng)機(jī)統(tǒng)為變槳系統(tǒng)，在整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行過程中，變槳系統(tǒng)能夠大大提升風(fēng)機(jī)的最大輸出功率、有功功率，且在最大輸出功率的控制方面更為靈活。機(jī)組有功功率控制下，完全能夠?qū)崿F(xiàn)在線控制的目的，當(dāng)此種控制方式與金風(fēng)能量控制平臺(tái)有效結(jié)合以后，完全能夠滿足對風(fēng)電場遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)控制的要求。

比如，以風(fēng)機(jī)最大輸出功率控制作為研究點(diǎn)，在實(shí)際的控制過程中，風(fēng)機(jī)完全可以通過對葉片槳距角的控制來實(shí)現(xiàn)對吸收風(fēng)能的控制，這種控制方式下，風(fēng)機(jī)出力的控制更具可靠性，且控制范圍非常大，這一功能下，風(fēng)電場的整體出力得到了有效的控制，尤其是在大風(fēng)天氣下，可以通過對風(fēng)電場輸出的科學(xué)控制，將風(fēng)電場控制與電力系統(tǒng)調(diào)度有效結(jié)合起來，維持風(fēng)電機(jī)組的可靠、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，使得電網(wǎng)能夠維持最佳的運(yùn)行狀態(tài)[3]。風(fēng)電場在建設(shè)的最初階段，風(fēng)機(jī)能夠根據(jù)電力企業(yè)的具體要求來進(jìn)行啟動(dòng)功率上升變化率的設(shè)置。

3.2并網(wǎng)特性——無功功率控制

金風(fēng)1.5MW機(jī)組運(yùn)行時(shí)，并網(wǎng)是經(jīng)由全功率變流器來實(shí)現(xiàn)的，無功率調(diào)節(jié)方式與STATCOM相類似，響應(yīng)時(shí)間在10ms以內(nèi)。當(dāng)機(jī)組處于正常發(fā)電狀態(tài)下時(shí)，機(jī)端的無功功率為0，而機(jī)組的功率因數(shù)為1。在此機(jī)組中具備機(jī)端電壓控制模式，機(jī)組本身具備良好的無功調(diào)節(jié)能力，這一功能可以在系統(tǒng)存在劇烈的電壓波動(dòng)情況下，及時(shí)啟動(dòng)無功調(diào)節(jié)功能，進(jìn)而來使得機(jī)端電壓維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下，維持電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.3并網(wǎng)特性——啟動(dòng)過程

換流器同步并網(wǎng)技術(shù)與變槳控制功率是其中的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)下，可以使得風(fēng)機(jī)并網(wǎng)過程中受到的沖擊力最小。當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)系統(tǒng)都維持在正常情況下且風(fēng)速在風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)風(fēng)速以上時(shí)，風(fēng)機(jī)將會(huì)立即啟動(dòng)。具體的啟動(dòng)過程中，風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)將對葉片角度加以有效控制，在這一控制方式下，可以將停機(jī)時(shí)的順槳狀態(tài)調(diào)節(jié)到一定的角度范圍內(nèi)，此時(shí)，葉輪也就可以吸收一定的風(fēng)能，進(jìn)而在此條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定值時(shí)，速度將保持在穩(wěn)定狀態(tài)下。

結(jié)語：

近年來，隨著風(fēng)電項(xiàng)目的增多，風(fēng)電場的建設(shè)數(shù)量日漸增加，風(fēng)電并網(wǎng)作為主要的發(fā)電方式，在實(shí)際的運(yùn)行過程中，必須要嚴(yán)格掌握并網(wǎng)特性，通過這一特性的掌握來提高風(fēng)電場、電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉勇，麻廣林，寧波，等.含chopper電路的直驅(qū)風(fēng)機(jī)響應(yīng)電網(wǎng)短路的運(yùn)行特性分析[J].電力科學(xué)與工程，2016（6）：49-56.

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