風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電原理

李加平

上?？睖y設(shè)計研究院有限公司，中國·上海 200434

1 引言

風(fēng)力發(fā)電具有無污染、能源消耗低等優(yōu)勢，隨著中國數(shù)字化技術(shù)與風(fēng)電技術(shù)的進步，逐步實現(xiàn)了并網(wǎng)型風(fēng)電機組的構(gòu)建，利用網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化功能實現(xiàn)對發(fā)電的控制。中國目前已經(jīng)投入建設(shè)并網(wǎng)型風(fēng)電機組，取得了一定的成效，其在投入使用之后可以基于計算機系統(tǒng)實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，降低了維修概率以及成本投入。

2 風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)可以分為獨立系統(tǒng)以及風(fēng)電機組兩種，風(fēng)電機組單機容量較高，功率較大，適合大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用?？刹⒕W(wǎng)的風(fēng)電機組系統(tǒng)運行利用葉輪結(jié)構(gòu)將流動的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能，通過葉輪齒輪的帶動作用，驅(qū)動發(fā)電機運轉(zhuǎn)，發(fā)電機系統(tǒng)將機械能轉(zhuǎn)化為電能，將系統(tǒng)并入到電力系統(tǒng)后，可以實現(xiàn)為用戶的供電。

目前，比較常見有兩種風(fēng)電系統(tǒng)，第一種是恒速恒頻的風(fēng)電系統(tǒng)，另一種是變速恒頻的風(fēng)電系統(tǒng)，變速恒頻供電系統(tǒng)效率較高，成本較低，是值得推廣應(yīng)用的風(fēng)電系統(tǒng)[1]。

3 風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3.1 雙速異步發(fā)電機并網(wǎng)

雙速異步發(fā)電機可以同時支持低同步、高同步轉(zhuǎn)速的風(fēng)電機組設(shè)備。對其并網(wǎng)發(fā)電原理進行分析，需要明確異步電機的同步轉(zhuǎn)速指標(biāo)，對電機定子繞組極對數(shù)參數(shù)以及電網(wǎng)頻率參數(shù)進行明確，了解極對數(shù)與同步轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。通過改變極對數(shù)，可以實現(xiàn)對同步轉(zhuǎn)速的控制。風(fēng)電機組運轉(zhuǎn)期間，若風(fēng)力較弱，風(fēng)速較低，可通過增加極對數(shù)的方式降低發(fā)電機輸出功率；若風(fēng)力較強，風(fēng)速較高，則通過減少極對數(shù)的方式提高電機發(fā)電輸出功率。極對數(shù)改變可以在風(fēng)電機組系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用以下幾種方法：

①風(fēng)電機組分別應(yīng)用高同步轉(zhuǎn)速電機設(shè)備以及低同步轉(zhuǎn)速電機設(shè)備，設(shè)計兩者之間的繞組極對數(shù)差異性，實現(xiàn)對極對數(shù)的控制。

②應(yīng)用同一臺電機，設(shè)計兩套定子繞組系統(tǒng)，兩者之間的繞組極對數(shù)存在差異，將其設(shè)計為雙速電機。

③通過改變電機定子繞組連接方式改變極對數(shù)，使得單體電機具備雙速功能。

雙速異步發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電可以應(yīng)用晶閘管控制輸入電流，避免過電流情況對電機組系統(tǒng)造成損傷。在繞組極對數(shù)切換變更過程中控制瞬間電流參數(shù)，抑制電流傷害。并網(wǎng)控制方法如下：

①風(fēng)電機組的傳感器裝置可以測量風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速達到設(shè)定啟動指標(biāo)后，傳感器裝置將信號傳輸至計算機控制系統(tǒng)，風(fēng)機系統(tǒng)啟動。初始啟動發(fā)電機的繞組極對數(shù)最小，容量也比較小，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到設(shè)定指標(biāo)后，晶閘管承載發(fā)電機與電網(wǎng)之間的溝通橋梁，起到限制電流值作用，風(fēng)電機組進入到低功率運轉(zhuǎn)狀態(tài)[2]。

②由于風(fēng)速變量較大，當(dāng)風(fēng)速超過啟動風(fēng)速時，發(fā)電機高速繞組系統(tǒng)運行，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近繞組極對數(shù)時，啟動系統(tǒng)預(yù)設(shè)電流值，發(fā)電機并入電網(wǎng)之中，支持高功率發(fā)電運轉(zhuǎn)。

3.2 滑差可調(diào)異步發(fā)電機并網(wǎng)

為確保風(fēng)電機組運行過程中的效率最大化，國外研究出了滑差可調(diào)異步發(fā)電機，并入到電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。該發(fā)電機在一定的風(fēng)速范圍內(nèi)可以實現(xiàn)自動變化運轉(zhuǎn)，輸出的功率具有額定屬性，功率變化不受葉輪變槳矩控制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所增強，設(shè)備元件的磨損程度降低。在不考慮運轉(zhuǎn)期間電阻的損耗程度，發(fā)電機的功率與電磁功率幾乎相同，若想確保電磁功率參數(shù)不變，當(dāng)風(fēng)速增加時，增加串入電阻可以確保電磁功率不發(fā)生改變，輸出功率也不會發(fā)生改變。電子元件控制系統(tǒng)可以調(diào)整風(fēng)電機組繞線轉(zhuǎn)子的電阻值，使得電流恒定，實現(xiàn)發(fā)電控制目標(biāo)[3]。

系統(tǒng)應(yīng)用變槳矩風(fēng)機，安裝相應(yīng)的電流控制器裝置控制并調(diào)節(jié)輸出功率，使得功率輸入長期處于平穩(wěn)狀態(tài)下。當(dāng)實際吹過風(fēng)速低于系統(tǒng)預(yù)設(shè)的額定風(fēng)速時，電流對轉(zhuǎn)速進行控制，發(fā)電機滑差被調(diào)整至最小，變槳矩機調(diào)整葉片角度，使其為0°，可以更好地吸收風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機械能。當(dāng)實際運轉(zhuǎn)風(fēng)速高于系統(tǒng)預(yù)設(shè)風(fēng)速指標(biāo)時，輸出功率參數(shù)會發(fā)生明顯變化，控制系統(tǒng)自動運轉(zhuǎn)，使得原本的轉(zhuǎn)子電流值發(fā)生變化。系統(tǒng)可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子回路電阻，發(fā)動機滑差提升。由于葉子攻角未發(fā)生變化，電流和功率均有所降低，電流控制系統(tǒng)啟動，滑差降低。電流控制系統(tǒng)可以在風(fēng)速變化情況下實現(xiàn)對電流的控制，維持功率穩(wěn)定，風(fēng)電機組轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)可以維持功率恒定，降低風(fēng)速變化對發(fā)電功率的影響。

3.3 雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)

雙饋異步發(fā)電機輸出電壓參數(shù)依靠轉(zhuǎn)子電控制，發(fā)電機的負(fù)載情況影響電壓值，若負(fù)載增加，對發(fā)電機輸出端電壓值進行檢測，發(fā)現(xiàn)其數(shù)值降低，檢測系統(tǒng)可以將檢測結(jié)果反饋至轉(zhuǎn)子電流控制系統(tǒng)中，控制通角變化，使其增大，達到增加發(fā)電機電流數(shù)值的目的。定子繞組可以感應(yīng)電動勢變化，調(diào)整發(fā)電機電壓，將其恢復(fù)成額定值。雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)發(fā)電應(yīng)用變頻器作為功率轉(zhuǎn)化設(shè)備，使用循環(huán)變流器進行功率因數(shù)調(diào)節(jié)，確保發(fā)電功率，具體變頻器應(yīng)用內(nèi)容如下：

①直交混合換流變頻器，將其應(yīng)用到發(fā)電機系統(tǒng)中，支持系統(tǒng)超同步運行，風(fēng)機變速范圍也有所增加。該變頻器以強迫換流的方式控制功率因數(shù)，達到控制發(fā)電的作用。轉(zhuǎn)子回路控制通過電流為方波，受回路通過電流性質(zhì)影響，低次諧波轉(zhuǎn)矩由此形成，會影響功率調(diào)節(jié)效果。

②雙交變頻器避免了直流系統(tǒng)對風(fēng)電機組功率因數(shù)調(diào)節(jié)的影響。同樣可以實現(xiàn)亞同步向超同步的過渡，保障功率因數(shù)的穩(wěn)定性。但為了支持該功能，需要安裝大量的晶閘管，實現(xiàn)并網(wǎng)連接，而且風(fēng)電機組在運轉(zhuǎn)過程中同樣會產(chǎn)生低次諧波轉(zhuǎn)矩。

③脈寬調(diào)制變頻器具備脈寬調(diào)制功能，風(fēng)電機組運轉(zhuǎn)過程中會通過正弦性轉(zhuǎn)子電流，比較上述兩種變頻器而言，由于脈寬調(diào)制的功率調(diào)節(jié)功能，低次諧波轉(zhuǎn)矩消失，該變頻器應(yīng)用效果較好，廣泛普及。

3.4 同步發(fā)電機并網(wǎng)

制動轉(zhuǎn)矩是同步發(fā)電機并網(wǎng)應(yīng)用的基本原理，當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速不變，確保發(fā)電機的運轉(zhuǎn)頻率相似。該系統(tǒng)應(yīng)用需要安裝強大的速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，確保發(fā)電機與電網(wǎng)之間的科學(xué)連接，即使風(fēng)速發(fā)生改變，同步轉(zhuǎn)速也維持恒定運轉(zhuǎn)狀態(tài)。對以同步發(fā)電機為動力裝置的風(fēng)電機組進行并網(wǎng)控制研究，發(fā)電機轉(zhuǎn)子并未添加勵磁，在繞組限流運轉(zhuǎn)期間，電阻短路，由原動機帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)速，約達到同步轉(zhuǎn)速的85%左右時，應(yīng)用勵磁，依靠磁力使得發(fā)電機之間相互吸引、相互作用，使其可以同步運行。

3.5 永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)

將永磁體作為磁力裝置，永磁同步發(fā)電機應(yīng)用磁力實現(xiàn)動力驅(qū)動。該風(fēng)電機組使用變速風(fēng)機作為驅(qū)動裝置，推動永磁同步發(fā)電機并網(wǎng)應(yīng)用，該過程中無需應(yīng)用相應(yīng)的機械裝置，傳動過程依靠磁力，結(jié)構(gòu)簡單，減少了元件設(shè)備在風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電中的投入使用，運行安全可靠，成本降低。系統(tǒng)不需要使用勵磁裝置，使用永磁發(fā)電機，輸出三相電流，需要先轉(zhuǎn)化為直流電，隨后變換直流電，整流所得到的直流電無法直接并網(wǎng)，需要應(yīng)用濾波電路對其進行處理，處理后經(jīng)過三相逆變電路，實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

并網(wǎng)發(fā)電期間電壓、頻率、相序等參數(shù)均應(yīng)相同，并網(wǎng)控制需要應(yīng)用控制器對上述各項參數(shù)進行采集以及設(shè)定，比較逆變器設(shè)備輸出的電壓參數(shù)，當(dāng)參數(shù)達到預(yù)設(shè)要求之后進行并網(wǎng)，并網(wǎng)過程中不會產(chǎn)生瞬間電流影響風(fēng)電機組質(zhì)量，電壓系統(tǒng)也比較穩(wěn)定具有一定的可靠性。

3.6 不同發(fā)電機并網(wǎng)應(yīng)用對比

比較不同的發(fā)電機并網(wǎng)應(yīng)用，對其應(yīng)用優(yōu)勢、應(yīng)用原理以及應(yīng)用缺點進行分析。雙速異步發(fā)電機具有風(fēng)速適應(yīng)性，能源利用效率較高，運行損耗較小，依靠定子繞組實現(xiàn)對功率的控制，需要投入的成本較多，機械運轉(zhuǎn)環(huán)境較差，對硬件的要求比較高。滑差可調(diào)異步發(fā)電機使用變槳矩控實現(xiàn)對功率的控制，運行期間硬件磨損程度較低，風(fēng)電機組應(yīng)用壽命較長，但在運行過程中可能會出現(xiàn)齒輪噪音，控制系統(tǒng)操作比較困難。雙饋異步發(fā)電機并網(wǎng)應(yīng)用噪音小，效率較高，但電氣損耗大，成本投入高。勵磁同步發(fā)電機應(yīng)用噪聲小，并網(wǎng)控制頻率較為穩(wěn)定，輸出電能質(zhì)量較高，啟動效率較高，但對變頻器的要求比較高，需要應(yīng)用齒輪箱，造價較為昂貴。永磁同步發(fā)電機結(jié)構(gòu)簡單、應(yīng)力小、控制靈活，能源利用率高，但價格比較昂貴，變頻器的容量較大。對比不同風(fēng)電機組發(fā)電機組并網(wǎng)應(yīng)用優(yōu)點以及缺點，相關(guān)部門應(yīng)結(jié)合自身的實際情況，投入使用不同的發(fā)電機系統(tǒng)。

4 結(jié)語

風(fēng)電機組并網(wǎng)是未來電力發(fā)展的主流趨勢，中國擁有豐富的風(fēng)力資源，風(fēng)電機組建設(shè)是對能源的有效利用，降低了傳統(tǒng)電力生產(chǎn)的能源消耗弊端。對風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電原理進行分析，將現(xiàn)有智能控制技術(shù)與風(fēng)電機組融合，打造智能風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，可以實現(xiàn)優(yōu)化電力供應(yīng)目標(biāo)，降低發(fā)電環(huán)境污染，節(jié)約發(fā)電成本。