風力發電機組并網方式初探董楠楠 丁巧林 楊宏華北電力大學（保定）電氣工程學院071003

風力發電機組并網方式初探董楠楠 丁巧林 楊宏
華北電力大學（保定）電氣工程學院071003

引言

全球化能源危機日益嚴重，使得世界各國開始重視開發和利用可再生、無污染的能源，我國也不例外。中國是世界上最大的能源生產國和消費國之一，能源危機嚴重制約著國民經濟的發展。而風電作為一種新型可再生能源，具有施工周期短、維護費用低、清潔無污染、不消耗任何燃料等優點，并且在中國風電資源也有著它獨有的優勢：首先中國的風能資源豐富，主要集中在西北、華北和東北；其次風電制造業發展迅速，從小功率風電機組的批量生產到大功率風電機組的批量生產，我國將逐步進入全球風電設備生產大國的行列；在中國風力發電發展空間大，政府對可再生能源的長期規劃將引導風力發電產業快速發展[1～2]。

風力發電是目前新能源開發技術最成熟，也是最有規模化商業開發前景的發電方式之一，是世界上增長最快的新能源之一，在新能源發電裝機容量中位居第一位。根據歐洲風能協會和綠色和平組織簽署的《風力12——關于2020年風電達到世界電力總量12%藍圖》的報告，期望并預測2020年全世界的風力發電裝機將達到12.31億kW，年安裝量達到1.5億kW，屆時風力發電量將占到全世界發電總量的12%。但是風力發電機組的可控性遠不如火力和水力發電機組，因為風力發電的基本原理是天然風吹轉葉片獲得機械能，經過機械傳動，通過齒輪箱提高轉速帶動發電機轉子旋轉發電[3]，而作為原動機的風力機，其出力主要由自然界風速變化決定，所以人們只能在一定程度上進行控制，風力發電并網已成為首要問題。

根據發電機的運行特征和控制技術，風力發電技術一般分為恒速恒頻(Constant SpeedConstantFrequency，簡稱CSCF)風力發電技術和變速恒頻(Variable SpeedConstantFrequency，簡稱VSCF)風力發電技術。

1、恒速恒頻風力發電機的并網

恒速恒頻風力發電系統具有結構簡單、成本低、過載能力強以及運行可靠性高等優點，是過去幾年主要的風力發電設備[4]。但是在恒速恒頻風力發電系統中，其發電設備主要是異步風力發電機，而異步風力發電機運行時，靠轉差率來調整負荷，可直接并網，也可通過晶閘管調壓裝置與電網相連接。但是異步風力發電機在并網瞬間會出現較大的沖擊電流，而過大的沖擊電流會使發電機與電網連接的主回路中的自動開關斷開，同時造成電壓大幅度下降，使得低壓保護動作，導致無法并網[5]。另外，異步發電機自身不發無功功率，需要無功補償，當輸出功率超出其最大轉矩所對應的功率會引起網上飛車[6]，因此必須嚴格監視并采取相應的有效措施才能保障風力發電機組的安全運行。

目前，國內外采用的異步風力發電機的并網方式主要有以下四種：直接并網，準同期并網，降壓并網以及采用雙向晶閘管控制的軟切入法的并網方式。

1.1 直接并網方式

采用這種方式時要求發電機的相序與電網的相序相同，發電機轉速接近（一般達到99%～100%）同步轉速時即可并網。

1.2 準同期并網方式

采用這種方式時在轉速接近同步轉速時，先用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已建立的發電機電壓和頻率進行調節和校正，使其與系統同步。當發電機的電壓、頻率、相位與系統一致時，將發電機投入電網運行。

1.3 降壓并網方式

采用這種方式時在異步電機與電網之間串接電阻、電抗器或自耦變壓器， 以降低并網合閘瞬間沖擊電流幅值及電網電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等要消耗功率，在發電機并入電網進入穩態時，再將其短接[7]。

1.4 采用雙向晶閘管控制的軟切入法的并網方式

采用這種方式時在異步發電機定子與電網之間每相串入一只雙向晶閘管，接入的目的是將發電機并網瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內。當發電機達到同步速附近時，發電機輸出端的短路器閉合，發電機組通過雙向晶閘管與電網相連，通過電流反饋對雙向晶閘管導通角控制，將并網時的沖擊電流限定在額定電流1.5倍以上，從而得到一個比較平滑的并網過程，正常運行時，雙向晶閘管被短接。

2、變速恒頻風力發電機組的并網

變速恒頻風力發電系統的發展依賴于大容量電力電子技術的成熟，從結構和運行方面可分為雙饋感應發電機系統和直接驅動的同步發電機系統。變速恒頻風力發電機組實現了發電機轉速與電網頻率的解耦，降低了風力發電與電網之間的相互影響，但是它缺點是結構復雜、成本高、技術難度大。

2.1 雙饋式風力發電機及其并網

雙饋風力發電技術是應用最廣泛的風力發電技術之一。尤其是雙饋感應發電機，不僅改善了風電機組的運行性能，而且大大降低了變頻器的容量，至今已逐漸發展成風力發電的主流設備。雙饋風力發電機為定子繞組直接接入交流電網，轉子繞組由頻率、幅值、相位可調的變流器提供三相低頻勵磁電流的新型電機[8]，當轉子繞組通過某一頻率的交流電時，就會產生一個相對轉子旋轉的磁場，此時會在電機氣隙中形成一個同步旋轉磁場，轉子的實際轉速加上交流勵磁電流產生的旋轉磁場所對應的轉速等于同步轉速，從而改變了雙饋電機定子電動勢與電網電壓向量的相對位置，也即改變了電機的功率角，因此有調節無功功率出力的能力。

由于風力發電機變速運行，其運行速度能在一個較寬的范圍內調節，使風機風能利用系數CP得到優化，獲得較高的系統效率，可以實現發電機較平滑的電功率輸出，達到優化系統內的電網質量，減少發電機溫度變化[9]。

在雙饋風力發電機的起動階段，需要對發電機進行并網前控制以滿足并網條件，即發電機定子電壓和電網電壓的幅值、頻率、相位、相序均相同，才能使發電機安全地切入電網，進入正常的并網發電運行模式[10]。

當前，雙饋風力發電機組的并網方式主要有以下三種：空載并網，獨立負載并網以及孤島并網方式。

2.1.1 空載并網方式

采用這種方式通過引入定子磁鏈定向技術對發電機輸出電壓進行測節。使建立的雙饋發電機定子空載電壓與電網電壓的頻率、相位和幅值一致，滿足并網條件時進行并網操作。

2.1.2 獨立負載并網方式

采用這種方式的思路是：并網前發電機帶負載運行，對發電機和負載進行控制，在滿足并網條件時進行并網。這種并網方式的特點是，發電機具有一定的能量調節作用，降低了對原動機的調速能力要求，但是這種并網方式控制起來非常復雜，所需要的信息不僅取自于電網側，同時還取自于定子側。

2.1.3 孤島并網方式

采用這種方式并網前需要形成能量環路，這個能量環路是這樣形成的：首先進行預充電過程，當風力發電機啟動后且發電機轉速達到勵磁范圍時開始勵磁，電網從預充電變壓器經直流整流器向雙PWM變流器的直流母線電容充電，用以激勵整個系統，當定子電壓達到額定值（控制器通過控制電機側的逆變器使發電機定子發電電壓達到額定值）時，發電機定子輸出和轉子輸入與雙PWM逆變器分別連接，形成獨立能量環路。當發電機轉速達到并網轉速，控制系統將調節發電機電壓與電網電壓同步，同步后，并網。綜上所述，這種并網方式可分為三個階段，即勵磁階段，孤島運行階段以及并網階段。

2.2 直接驅動的同步發電機

在風力機直接驅動同步發電機構成的變速恒頻發電系統中，風力機直接與發電機相連，可省去增速齒輪箱，減少風力發電機的體積和重量，也降低噪聲和維護費用。其發電機主要采用低速永磁同步發電機，具有性能好、效率高、無需勵磁、體積小、重量輕的特點[11]。這種發電系統拓撲結構較簡單，控制方法相對容易，目前受到廣泛關注。

為保證并網瞬間發電機與電網上的電壓、頻率及相序一致，通過控制器采集電網電壓、頻率及相序等參數，然后與逆變器輸出電壓等參數比較。當達到并網條件時進行并網。此種并網方式在并網瞬間不會產生沖擊電流，不會引起電網電壓的下降，也不會對發電機定子繞組及其他機械部件造成損壞。

3、結束語

近幾年中國風電事業高速發展，隨著風力發電機組容量的增大，在并網時對電網的沖擊也越來越大。本文根據發電機組的特點，分別對恒速恒頻和變速恒頻風電機組的三種發電機的并網方式進行了初步的討論。根據實際情況選擇合理的并網技術是一個非常重要的問題，因為這直接關系到整個電網的正常運行。

[1]祁和生,沈德昌.我國大型風力發電產業發展現狀[J].電氣時代，20 10,2

[2]夏陽，王革華，趙勇.中國風電并網若干問題的博弈研究[J].可再生能源. 20 05,1(11 9)

[3]李東東.風力發電機組并網控制與仿真分析[J].水電能源科學.20 06,24(1)

[4]計崔.大型風力發電場并網接入運行問題綜述[J].華東電力.20 08,36(10.

[5]李騰飛，呂躍剛，劉吉宏，徐大平.風力發電機組并網技術[J].中國電力. 20 09,42(11)

[6]劉國頻，馮凱輝，曾祥君等.風力發電機組的并網方式及對電網影響的探討[J].風力發電.20 09,1(10 0)

[7]胡興軍，劉婭.風力發電機組并網運行研究[J].裝備機械.20 09,4(33)

[8]徐鳳星，劉連根，盛建科等.雙饋風力發電機并網控制及穩態運行研究[J].電力電子技術.20 10,44(5)

[9]李建春.風力發電機組并網方式分析[J].中國科技信息.20 10,1

[10]李嵐，楊一雄.雙饋風力發電機空載并網控制[J].微特電機.20 09,2

[11]王全勝，宋建成.直驅式風力發電系統并網控制策略研究[J].煤礦機電.20 08,6

Initial Discussions on In-line Operation of Wind-mill Generators

Dong Nannan Ding Qiaolin Yang HongNorth China Electric Power University，School of Electrical Engineering，Baoding ,071003，China

風能是一種清潔的可再生能源，而風力發電可以有效地利用風能，我國的風電事業高速發展，但是仍存在著許多實際問題，風力發電機組的并網問題首當其沖。只有通過對各種風力發電機自身及其并網方式的研究，才能在實際中根據實際情況來選擇相應的并網方式。本文對當前各種類型風力發電機組并網方式進行初步探討，指出隨著風力發電機組容量的增大，在并網時對電網的沖擊也會越來越大，因此，不斷改進現有的風電并網技術，減少對電網運行穩定性的影響是今后迫切需要解決的問題。

風力發電；并網；恒速恒頻；變速恒頻

Wind energy is a clean, renewable energy, wind power can use the wind energy effectively. Rapid development of our wind power, but there are still many practical problems, and the problem of inline operation of wind-mill generators is one of the most important problems in China. To select the appropriate in-line operation accord the actual situation, it must through the discussions of variety of wind turbine itself and its in-line operation. In this paper, it takes initial discussions on in-line operation of wind-mill generators, and points out that with the increase of capacity of wind-mill generators, the impact to the net will be increasing when parallel in. Therefore, it is an urgent need to solve the problem that continuous improves the technology of in-line of wind-mill generators and reduce the impact of the stability of the net.

Wind power；in-line；constant speed constant frequency； Variable speed constant frequency

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.24.004

董楠楠 女，1984年生，碩士研究生，研究方向為電力系統運行、控制與分析。