風力發電機的并網運行與脫網保護探討

胡斌

（華銳風電科技（集團）有限公司，北京100080）

1 引言

隨著經濟的不斷發展，能源、環境危機是當今社會迫切需要解決的問題，常規能源煤炭、石油、天然氣、核能等都屬一次性非再生能源，不僅資源有限，而且容易造成環境污染，因此對可再生能源的充分利用，已受到世界各國的高度重視。

風是一種用于發電且潛力很大的新能源，可為當今世界經濟發展提供強大的動力支持，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW，比地球風力發電上可開發利用的水能總量還要大十幾倍，我國風能資源豐富，可開發利用的風能儲量約10億kW，其中，海上可開發和利用的風能儲量約7.5億kW，陸地上風能儲量約2.53億kW（陸地上離地10m高度資料計算），共計10億kW，因此中國風能儲量很大、分布面廣，開發利用潛力巨大。

各種能源中，風能利用起來是比較簡便的一種，它不象核能發電需要昂貴設備還要有嚴密的防護措施，一但發生泄露，容易對生態及人類造成傷害。也不象水力發電，需要修建大壩利用水的動、勢能，推動水輪機轉動發電的。更不象火力發電那樣，將煤、天燃氣等從地底下挖掘出來，在鍋爐設備中進行燃燒。近幾年由于世界經濟的迅猛發展，對能源的需求量增加很多，但隨著能源的開采貯藏量逐年降低甚至干枯，整個全球將面臨能源缺少的危機，這對今后世界經濟發展，形成巨大的瓶頸。因此必須對電力模式進行思考，形成新的發展規劃。風是一種清潔的可再生能源，風能的利用相對比較簡單，而且機動靈活，因此研究風力發電對節約能源、保護環境有著深遠的意義。

2 國內外風電技術發展現狀

2.1 國外風電技術發展現狀

在可再生能源中，風能分布較廣，風力發電技術成本與其它發電相比較低，因此風電是最具吸引力的選擇。據全球風能理事會（GWEC）2011年統計，全球新增風電裝機總容量達41GW，全球累計風電裝機新增容量達到238GW，實現累計裝機21%年增長率，截止到目前，風電裝機遍布75個國家，其中20多個國家裝機容量超過1 000MW，成為能源領域增長最快的行業。

2008年美國新增裝機容量是8.4GW，總裝機容量達到25GW，正式超過德國24GW位居世界第一，處于世界領先地位。到了2010年，中國異軍突起成為風電市場的一匹黑馬，打破了多年被歐美市場壟斷的局面，成為一大亮點。2011年全球風電新增裝機容量的絕大部分不是發生在綜合組織OECD國家，而是出現在風電的新市場，拉丁美洲、非洲和亞洲正在拉動全球市場的發展。

美國風能協會首席執行官提出：2011年的裝機容量達到總裝機容量的1/3，最終能達到美國政府提出的要求。到2030年風電為美國提供約20%左右的電力預期目標。新增的風電裝機在今年能提供大約200 000個美國家庭的用電。

拉丁美洲的風電新增裝機達到1.2GW，巴西是處在主導地位。巴西的新增裝機容量達到587MW，總容量達到1.5GW。

印度截止到2011年底裝機容量超過16GW。印度風電制造協會主席提出：2011年印度風電新增3 000MW裝機容量，實現了里跨越式的發展。

2.2 國內風電技術發展現狀

我國地大物博，資源遼闊，風能蘊藏量比較豐富。根據國家氣象科學院10m高度層的估算，風功率密度全國平均是100W/m2，風能的理論可開發量為32億kW，實際可開發和利用量為2.53億kW，海上風能可開發和利用量是7.5億kW，總計為10億kW。如果陸上風按年等效滿負荷2 500h算，每年可提供6 325億kW時電量，海上風按最低年等效滿負荷2 000h計算，每年可提供1.5萬億kW時電量，總計為2.1萬億kW時電量。因此，中國風能資源蘊藏潛力巨大，風電技術發展前景廣闊。

2010年風電機總體情況：新增風電機組安裝1.3萬臺，裝機容量18.9GW，年同比增長約37%；累計風電機組安裝3.4萬臺，裝機容量44.7GW，年同比增長約73%。

3 國內風電行業發展趨勢

3.1 國內風電行業企業發展狀況

國內風電機廠商按照時間順序出現有3個梯隊：第1梯隊是2007年以前就可以批量生產的，華稅、金風、東汽、浙江運達，這四家風機占當年新增裝機容量的61%，其中，浙江運達稍遜于另外3家。第2梯隊是2007年已經出樣機，在2008年正式投入生產的天威風電、上海電氣、新譽、華創、海裝等。第3梯隊是2008年開始完成樣機的北京北重、國電聯合、華儀風電、廣州英格等

目前，我國風電市場存在著三足鼎力的局面，2011年華銳鑄鋼、金風科技、東方汽輪共占據了市場裝機總份額的56.8%。其中華稅裝機累計占行業23.2%，金風裝機累計占行業的19.7%，東氣裝機累計占行業的13.9%。但第2階段和第3階段風電機廠家，因通過引進新的技術推出了MW級風機，在未來的風電市場將會造成激烈的競爭，這對風電三龍頭將是一個巨大的挑戰。

3.2 國內風電行業發展趨勢

3.2.1 風電整機行業發展趨勢

政府工作報告對新能源發展的定調是“加強統籌規劃，制止太陽能、風電等產業盲目擴張發展，”目前受到國家政策的影響，整個風電行業發展逐步減速，回歸理性，即將進入一個調整期。預計在2012～2014年這3年風電行業將進入低谷，行業在洗牌，企業在整合。可能會在2012年之后的5年內，風電制造商將有現在的80多家合并整合到到50家左右。

3.2.2 風電技術發展趨勢

在技術上的要求會更高，朝著容量大、風速低、效率高的方向發展，風力發電系統中的兩個主要部件：風力機向著變漿距調節技術發展、發電機向著變速恒頻發電技術發展。在機型上雙饋異步發電型向緊湊輕量化發展，無磁輪箱的直驅方式風電系統向高速電機發展，風電機組的控制系統向智能化發展。

4 風力發電的并網運行

4.1 風力發電機的分類

風機按氣流進入葉輪后的流動方向，分為離心式風機、軸流式風機、斜流式風機等類型；按壓力分低壓風機、高壓風機、高壓軸流風機等；按比例大小分低比轉速、高比轉速和中比轉速風機。按用途分引風機、紡織風機、消防排煙風機等。

4.2 風力發電機的工作原理

風力發電的基本工作原理是通過風能→機械能→電能，也就是風能通過風輪機轉換機械能，再有機械能帶動發電機轉換成電能。目前我國一般采用的是水平軸式風力發電機組，它主要有下面幾部分構成：塔架、風輪、齒輪箱、發電機、偏航裝置、液壓系統、控制系統等。風輪的組成是由2－3個葉片裝在輪轂上，轉動的風輪在齒輪箱里增加速度后，就將動力傳給發電機使得風能轉換成機械能。將發電機、增速齒輪箱等這些部件按一定的位置排放到機艙里，通過塌架在把機艙支撐起來。想更好的充分利用風能，就需要安裝偏航裝置來識別風向，并由電氣控制系統來控制大小齒輪的咬合轉動，使機艙總是對著風的方向，風機的結構不同，工作原理也不同。

目前只有2大類風力發電機組可以投入并網運行，一是定槳定速型，二是變槳變速型。這兩種類型主要采用的發電機有3種，即雙饋異步發電機，永磁同步發電機，籠式異步發電機（圖1、圖2）。

圖1 三相異步電動機結構

圖2 線型轉子感應電動機接線

雙饋異步電機是指定子繞組和轉子繞組分別接到固定頻率的三相電源和可調節頻率的三相電源中，定子繞組直接和電網相連，電子繞組與可調節變頻器相連，變頻器一般采用交－直－交形式與電網相連。機組在各種不同的轉速下實現恒頻發電來滿足并網要求。

S＝（n0－nr）/n0；nr為轉子轉速，n0為同步轉速，f1、f2分別為DFIG電機定、轉子旋轉磁場頻率。n1為定子磁違場轉速，n2為轉子磁場轉速，nr為轉子磁場相對于轉子的轉速，電機穩定運行時，必須保證定、轉子旋轉磁場相對靜止，則存在如下關系：n1＝n2＋nr。

由于f1＝n1/60，f2＝n2/60，

則有：f2＋n1/60＝f1。

發電機轉速發生變化時，可進行調節轉子勵磁電流頻率，從而保持定子輸出電能的頻率恒定，此即為變速恒頻運行原理。

當發電機亞同步運行時（nr＜n1），轉子繞組相序與定子相同，轉子從外部電網吸收電能。

當發電機超同步運行時（nr＞n1），轉子繞組相序與定子相反，轉子給外部電網輸送電能。

5 恒速恒頻風力發電機的并網運行

5.1 同步發電機的并網

同步發電機的優點是：可以提供無功功率，輸出的電能質量相對較高，但它的缺點是，用在發電機組時，會使轉矩不穩定，調速精度差。如不進行控制，重載并網經常會發生無功振蕩和失載。同步發電機并網時，通常采用兩種方式自動準同步和自同步并網方式。第1種方法由于風速的隨意性較大并購困難。所以都采用第2種方法。但此法在合閘時產生較大的沖擊電流，所以設計時要克服此缺點（圖3）。

圖3 同步發電機并網結構

5.2 異步發電機并網

并網的方式通常采用直接、降壓、軟并網3種方式。風力發電機級采用異步發電機控制裝置非常簡單，因為它對調速精度要求不高，只要由原動機拖動至接近同步轉速，且電機轉動方向與磁場方向一致，就能夠并網。并網后運行狀態相對穩定，不會產生振蕩和失步。但異步發電機并網時也有缺點，并網瞬間沖擊電流過大造成電壓下降幅度過大，使得安全系數降低，所以還要提供相應的安全保障措施（圖4）。

圖4 異步發電機并網結構

由于風力發電的固有特性，隨時起動和停止再加上風輪存在物理慣性現象，通常風輪的轉速都設計在20～30r/min。因此，需要有增速器進行控制。由于剛并網時電流過大，就要配置無功補償裝置。

5.3 變速恒頻發電機的并網運行

5.3.1 交流勵磁變速恒頻雙饋異步風力發電機組并網

交流勵磁變速恒頻雙饋異步發電機要想實現并網，需要實現恒頻控制，整個并網過程，就是將電機與變頻器組成的系統采用脈寬調制技術進行控制，只需調整轉子電流頻率就可以實現。該方式的優點是變頻器的容量不需要很大，并且還可以實現靈活控制有功和無功（圖5）。

圖5 雙饋異步發電機并網結構

交流勵磁變速恒頻雙饋異步發電機可在變速條件下進行并網。原因是：發電機采用交流勵磁后可與電力系統之間形成了“柔性連接”，它可以通過電壓和轉速來調節勵磁電流，從而調整輸出電壓來滿足并網條件。

定子定壓控制要求是：電網電壓與定子電壓同相位、同頻率、同幅度值。電子觀測器測出的電壓，經過3/2轉換后得到靜坐標系下的定子端電壓U1，然后通過K/P的轉換，得到U1矢量位置角θU，又因為電壓U1落后于定子磁鏈矢量Ψ190°所以θS＝θU＋90°。經過這一角度的轉換，保證的電壓相位的一致性。通過測量轉子的角速度ωr獲得轉子空間相角θr，來進行旋轉坐標的變換，再利用電網輸入的多種信息對變流器進行調節，最終使發電機輸出電壓滿足并網的指標。

5.3.2 變速恒頻直驅型永磁同步風力發電機組的并網

在舊型變速恒頻風力發電機里，主要有增速箱、發電機和風力機3個部分，轉速要求達到1 000～1 500r/min，但實際轉速只有在20～200r/min，所以必須靠增速箱來提高轉速。增加增速箱不僅噪聲很大而且還要進行設備維護，從而無形中增加了成本。在新型的變速恒頻風力發電機采用的是永磁同步發電機，即取消增速箱的直驅型（圖6）。

圖6 直驅型風力發電結構

直驅型永磁同步風力發電機通過圖6中的控制系統，對3個參數即有功和無功功率、轉子角速度電網電壓相位角的分析研究，能夠有效的控制尖速比，這樣也就能夠獲得最大網能。另外，此電機用銅量較少，而且結構簡單，無滑環無電刷，運行可靠，大多應用在轉矩速度快、性能高的場合。

5.4 無刷雙饋電機空載并網

無刷雙饋電機實現的是軟并網，通過轉子調整勵磁電流，可避免合閘時瞬間電流過大，另外它采用的控制系統是收集電網信息來調整勵磁，保證輸出電壓與并網要求一致。所以，在沒有并網之前，通過電壓傳感器，檢測發電機和電網之間的功率繞組電壓的幅值、相位、頻率等，并通過調節控制勵磁電流，使輸出電壓與其同頻、同幅、同位，達到了并網條件時自動并網運行。

5.5 大容量風電機組并網

大容量風電機組并網型號有3種：異步電機、雙饋異步電機和直驅同步，風電機級組啟動開始并網時，需要吸收一定的無功功率，因此就需要通過自動無功補償裝置和SVC對此進行補償，正常運行時，普通的異步風電機本身配置的都是電容器投切器件，根據電網的的功率因素可以自動進行補償，整個機組都具備良好的無功連續調節機能，及時保證電壓在允許的波動范圍內，完成并網的條件。

6 風力發電機的脫網保護

6.1 低電壓穿越技術的提出

低電壓穿越（LVRT），指當電網發生故障時，即風力發電機并網時，點電壓跌落的時候，風機能夠保持與電網聯接而不間斷的并網，從而為電網自行調節贏得時間，甚至要求風電場在這一過程中向電網提供一定的無功功率，支持電網恢復，直到電網恢復正常。當變頻恒速雙饋風力發電機，遇到電網電壓突然下降時，由于與其配套的電力電子變流設備屬于AC/DC/AC型，很容易造成勵磁裝置損壞，使轉子發生峰值涌流，最終導致風力發電機組與電網解列。在過去當電機容量較小時，保護轉子側的勵磁裝置，就采取與電網解列的方式，但現在風力發電的容量都很大，與電網解列后會影響整個電網的穩定性，甚至會產生一些設備連鎖故障，于是，國外的專家就提出了風力發電低電壓穿越技術，此技術被電網方認為是提高電網安全穩定性的最大保障（圖7）。

圖7 低電度穿越技術曲線

6.2 低電壓穿越技術的具體實現

6.2.1 采用引入新型拓撲結構方案

這種結構有點類似于以往的軟啟動裝置，在雙饋感應發電機定子側與電網間串聯反并可控硅電路中，當此電路正常工作時，所有可控硅處于導通狀態，在電網電壓跌落降與恢復狀態期間，轉子側的最大電流將會隨電壓的跌落幅度增大（勵磁變流器必須選用大功率而且電流等級高的IGBT電子器件，來避免大電流沖擊，保證變流器在電網故障時不與轉子繞組斷開）。電網電壓跌落再恢復時，轉子側最大電流大約會達到電壓跌落前的3～5倍。為了不使設備發生損壞，通過反并可控硅電路與電網進行脫網，發生脫網后，勵磁變流器可以重新勵磁雙饋感應發電機使電壓開始回升，電壓回升到一定數值時，雙饋感應發電機就會于電網的電壓的頻率、幅值、相位達到同步，再通過開通反并可控硅電路使定子與電網連接。

這種方式也存在不足：此方案除了增加成本以外，控制系統較復雜。定子發生故障時電流需要導通或關斷的門極控制電路進行控制，由于電流過大，需要很復雜的門極負驅動電路。可控硅串聯電路用穿透型IGBT就必須串聯二極管。采用非穿透型IGBT通態損耗大。在理論上，用接觸器代替可控硅開關的話雖通態時無損耗，但斷開時間會很長，這樣的話容易造成脫網運行，對電網恢復工作沒有起到應用的作用。

永磁直接驅動型變速恒頻風力發電系統已被證實在這方面擁有出色的性能。但由于本身結構特點，實現LVRT仍然有存在下幾種問題亟待解決。故障發生期間，直流母線過電壓與轉子側沖擊電流在電力系統內都能承受；發生各種故障類型采取的相應對策實施是有效的；控制的方法都能滿足不同機組、不同參數的要求；在達到控制過程中盡量縮小投入成本。

6.2.2 采用新的勵磁控制策略

從成本節約的角度來看，最好的方法就是不修改系統內部的硬件結構，而是通過改變控制程序實現低壓穿越，也就是說當電網在運行時出現故障，風電機仍然繼續工作。

通過仿真方法對不脫網運行的勵磁控制進行研究，如果增加雙饋感應發電機的勵磁控制器中的可調器的比例和積分系數，可以保證風電機在電網發生故障時不脫網。但此方法也存在著局限性，一是沒有明確指出不脫網運行的范圍，二是母線電壓下降嚴重時，勵磁變流器將會出現過電流和過電壓，所以僅限于母線電壓輕微下降。若要采取硬性負反饋的方法，即補償定子電壓和磁鏈變化對有、無功解耦控制的作用，可以在某個限度內控制轉子產生的電流，從而保護勵磁變流器。但此方案也有不可避免的缺點，它只適合輸電系統中的發電機電壓輕微下降時，對嚴重下降缺無法控制，因為它受到勵磁變流器輸出最大電壓的限制，削弱了對轉子電流的控制。

通過以上幾種方式介紹，采用新的勵磁控制策略方法，只能是電網在發生不嚴重的故障時，而且電壓跌落程序是在輕微的情況下，可以通過勵磁的控制方法，實現發電機和變流器之間安全度短時間內的低電壓故障，不需要通過觸發crowbar電路來進行發電機和變流器的保護。

7 結語

風力發電是保護環境，節約資源的最有效方式，雖然目前處于低谷時期，但未來的發展前景十分廣闊，風力發電技術日趨走向成熟，世界裝機容量和發電量與日俱增，今后在發電市場將會越來越占有更大的比例。

但風電并網產生故障這一難題仍然困擾著風電業界，雖然國家電網已提出要確保風電并網的安全性、穩定定，風力發電機“須具備低電壓穿越技術和動態無功補償技術”要求。但是遭到了更多制造商的抵制，因為這一技術無形中又增加了每臺設備的制造成本近20萬元人民幣。

2012年3月15日中國電力科學院有關人士透露，新修改的風電國家并網技術標準，將于4月份向社會各界公布。此新標準將取代國家電網2009年公布的《風電場接入電網技術規定》，并新增對于風電機組并網以及風電場接入電網的技術要求，如動態無功/有功補償技術以及低電壓穿越技術等。這一標準的出臺，將會推動規范整個風電行業。

風力發電是一個集結構學、電力學、計算機學等綜合性的學科技術，隨著風電技術的不斷完善，風電市場的地位將日漸鞏固，其發展前程似錦。

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