風力發電并網技術的應用分析

張天璽

（中廣核楚雄牟定風力發電有限公司，云南 楚雄 675506）

1 風力發電基本原理

風力發電機組是一種將風能轉化為電能的能量轉換裝置，包括風力機和風力發電機兩大部分，工作過程：空氣流動的動能作用在風力機風輪上，推動風輪旋轉起來，將空氣動力能轉變為風輪旋轉機械能，風輪的輪固定在風力機軸上，通過傳動系統驅動風力發電機軸及轉子旋轉，風力發電機將機械能轉變成電能輸送給負荷或電力系統。

2 并網型風電系統的結構

目前風電系統的運行方式常采用獨立型、并網型和聯合型3種方式，中、大型風力發電機主要采用并網運行方式。并網型風電系統由風能資源、風力發電機組、變頻器、控制器及變壓器等組成。風力發電機在并網時必須輸出50Hz恒定頻率的電能，一般可以分為恒速恒頻(CSCF)和變速恒頻(VSCF)兩種調節方式。

2.1 CSCF風電系統

該系統目前還在MW級以下的風電機組采用，常用異步或同步兩種發電機。優點是結構簡單、成本低、過載能力強、運行可靠性高；并網控制系統比較簡單；同步發電機既能輸出有功功率，還能提供無功功率和電壓支撐能力，輸出的電能質量高，因此，同步發電機取代異步發電機是風電系統的技術趨勢。缺點：當風速迅速增大時，風能將通過槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發電機等部件，產生機械應力，引起這些部件的疲勞損壞；風電系統直接與電網相耦合，風電特性會直接對電網產生影響，若風速急劇變化，可能會引發電能質量問題；若采用異步發電機，需要無功電源的支持，還需動態無功補償，并網時沖擊電流較大；若采用同步發電機，由于風速隨機變化，作用在轉子上的轉矩很不穩定，使得并網時其調速性能很難達到期望的精度，特別是當重載情況下并網，若不進行有效控制，會發生嚴重的無功振蕩和失步問題。因此，CSCF系統很少采用同步發電機。

2.2 VSCF風電系統

優點：根據風速的變化，風力機以不同的轉速旋轉，減少了對風力機等機械裝置的機械應力；通過對最佳轉速的跟蹤，在可發電的較大風速范圍內均可獲得最佳功率輸出；風力機能夠對變化的風速起到一定的緩沖，使輸出功率的波動變化減小；通過對風電機組有功和無功輸出功率進行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分別單獨控制風電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力；實現了發電機轉速與電網頻率的解耦，降低了風電系統與電網之間的相互影響，并網沖擊電流小；若采用雙饋異步發電機，則變頻器容量僅約為發電機容量的30%，降低了變換器的損耗、造價和體積；若采用同步發電機，可省去齒輪箱，提高效率和可靠性。

缺點：整體結構復雜、成本高、技術難度大；需配備變頻器，控制回路多，控制復雜，維護難；若采用同步發電機，則轉速較低，極對數較多，且需配備全功率變頻器，成本較高，損耗大；若采用雙饋異步發電機，要求變頻器具有低電壓穿越等并網運行能力，控制復雜，投入大。

3 幾種常用的并網方式

3.1 異步發電機的并網技術

目前，異步發電機并網主要有直接、準同期、降壓、捕捉式準同步和晶閘管軟并網共5種 CSCF并網方式。

3.1.1 直接并網方式

此法要求在并網時發電機的相序與電網的相序相同，當異步發電機轉速接近同步轉速的90%－100%時即可自動并入電網。自動并網的信號由測速裝置給出，空氣開關自動合閘完成并網。

3.1.2 準同期并網方式

此法在轉速接近同步速時，先通過電容進行勵磁建立額定電壓，然后對發電機的電壓和頻率進行調節和校正，使其與系統同步。當發電機與電網兩者電壓的幅值、頻率、相位一致時，將發電機投入電網并網運行。

3.1.3 降壓并網方式

此法在發電機與電網之間串聯電阻、電抗器或者自耦變壓器，以降低并網時的沖擊電流和電網電壓下降的幅度。在發電機穩定運行時，需將接入的電阻等元件迅速從電路中切除，以免消耗功率。

3.1.4 捕捉式準同步快速并網方式

它是將常規的整步并網方式改為在頻率變化中捕捉同步點的方法進行準同步快速并網。這種方法可不丟失同期機，并網工作準確、快速可靠，既能實現幾乎無沖擊準同步并網，對機組的調速精度要求不高，又能很好地解決并網沖擊與造價的矛盾。非常適合于風力發電機組的準同步并網操作。但是，這種方法控制復雜，對轉速有一定的要

求。

3.1.5 晶閘管軟并網方式

此法是近年來發展起來的先進并網方式，它在異步發電機的定子和電網之間每相串入一個雙向晶閘管，通過調節晶閘管使導通角逐漸增大來控制并網時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網暫態過程。正常運行時，雙向晶閘管被短接，異步發電機的輸出電流不再經過雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關直接流入電網。并網后應立即在發電機端并入無功補償裝置，將發電機的功率因數提高到0.95以上。

3.2 雙饋異步發電機組并網

雙饋異步電機的轉子通過變頻器采用交流勵磁，電機和電網之間構成“柔性連接”，可根據電網電壓、電流與發電機轉速，通過控制機側變換器來調節發電機轉子勵磁電流，從而精確地控制發電機定子電壓，使其滿足并網條件，因而可在變速條件下實現并網。整個并網調節過程完全由轉子變頻器實現，不需要外加任何硬件裝置，調節精度高，并網沖擊小。

3.3 同步發電機的并網技術

由于異步發電機會產生滯后的功率因數且需要進行補償，而同步發電機可以控制勵磁來調節其功率因數為1；異步發電機要靠增加轉差率才能提高轉矩，而同步發電機只要加大功角就能增大轉矩，調速范圍更寬，承受轉矩擾動能力更強，響應更快。因此，同步發電機正逐步取代異步發電機。同步發電機的并網方式有準同步、自同步和變頻器并網3種方式，其中前2種、最后1種分別屬于CSCF、VSCF風電并網方式。

結語

并網運行的風力發電技術是20世紀80年代興起的一項新能源技術，因而迅速實現商品化、產業化。本文介紹了并網型風電系統的結構，詳細介紹了幾種風電并網方式，其中同步發電并網技術近年來受到了眾多青睞。

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