可變頻變壓器在風電并網中的應用

張帥

（廣州西門子變壓器有限公司）

可變頻變壓器在風電并網中的應用

張帥

（廣州西門子變壓器有限公司）

進入21世紀以來，為了更好地應對資源短缺與能源消耗，風力發電得到了大規模應用，問題與發展同在，風電場中有風機無法并網的現象存在，制約著電力的發展。本文針對我國目前存在的問題、解決方法、可變頻變壓器相關理論、風電并網等一些問題展開討論，分析說明可變頻變壓器的應用原理與風電場聯網模型等。

可變頻變壓器；風電并網；概念；模型；風電場

風力發電技術在不斷發展，所產生的電力在我國得到迅速增長，近些年來，基于可變頻變壓器的異步電網互聯技術為解決風電并網問題提供了一種新的選擇，國內外專家學者已對風電并網方式及風電接入對電力系統的影響開展了廣泛而深入的研究。對于此，這里綜合分析研究了可變頻變壓器的運用，為風力發電運用可變頻變壓提供了理論依據。

1 風電并網接入問題及解決方法分析

1.1 風電并網問題分析

1.1.1 電源結構與電網建設問題

我國風能資源分布不盡合理，多數分布在偏遠地區，那里地理條件差，環境因素相對惡劣，遠離負荷中心，電網結構多數比較薄弱，導致我國電源結構的不合理與電網建設的落后問題。

1.1.2 風電機組性能問題分析

就現在我國風電機組的工作問題進行分析，可以發現：①風電機組的入網認證體系缺乏；②風電機組的并網運行監測評價體系缺乏。對于風電機組的評價研究包括功率曲線、低電壓穿越能力、電能質量等等，這些內容沒有經過嚴格的入網檢測與認證評價。

1.2 風電并網難題解決方法分析

針對出現的問題，必須要有解決的方法，下面從兩方面分析解決方法：①抓住問題的根本，從本質上解決問題，提高風電機組的性能，這有一定的限制，要考慮風電機組設備的制造技術。②從接入方式出發，尋求新的技術與設備，近年，基于可變頻變壓器的異步電網互聯技術為解決風電并網問題提供了一種新的選擇。

2 可變頻變壓器相關理論分析研究

2.1 可變頻變壓器概念分析

可變頻變壓器（Variable Frequency Transformer，VFT）是一種異步電網互聯裝置，它新穎，性能優異。利用可變頻變壓器進行風電并網已經發展為一種趨勢，在風電并網中發揮了重要的作用，包括改善了風電場的低電壓穿越能力與提高了電壓穩定性。

2.2 可變頻變壓器結構分析

如圖1所示，可變頻變壓器由三部分組成，分別是集電環、旋轉變壓器與直流驅動電機。

圖1 VFT剖視圖及現場圖（GE公司）

2.3 可變頻變壓器工作原理分析

變頻變壓器VFT實際上是一個可連續調節的移相變壓器。其在運行時定、轉子繞組分別連接一個電網。在轉子軸上安裝轉子繞組，此轉子繞組是有直流驅動電動機的，通過直流電動機的驅動力矩來調節轉子的轉速和角度。當三相繞組接入電網時，其中將流過三相對稱電流，產生頻率50Hz的旋轉磁場，當直流電動機產生轉矩驅動轉子旋轉使得定轉子之間相角不為零時，將有功率流過VFT，且與該相角成比例，VFT所傳送的功率是直流電機施加在轉子上的轉矩的函數。

2.4 可變頻變壓器的特點分析

可變頻變壓器許多功能，具體包括異步聯網、頻率的調整、黑啟動電源、功率輸出控制管理控制等等，除此之外，還擁有一些功能，比如弱系統電力不足時為其提供電力，低頻功率振蕩可能帶來的損失，可變頻變壓器可以抑制振蕩，減少損失等等。關于可變頻變壓器的功能，與它相似的就是直流背靠背，但是與直流背靠背相比，它用于弱電源系統更加適宜，有一個好處就是對于占地能夠做到最小化。對于它的調節控制功能，與調相器相似，但能夠通過轉子的旋轉的旋轉平滑調節相位移，保持系統間的同步，實現異步系統之間的穩定功率傳輸。

3 VFT與風電場聯網分析

對于VFT的應用，涉及風電場的并網連接時，在風電場的并網連接中發揮重要的作用，其工作原理是將轉子側接電網，定子側接風電場，如圖2所示。關于轉子的轉動，是由一個直流電動機作為轉矩控制驅動系統來控制的，定轉子上功率Ps、Pr的正方向如圖中箭頭方向所示。風電場的功率是不穩定的，隨時間的變化而變化，運用可變頻變壓器的轉矩控制系統，能夠對風電場的功率進行追蹤與控制。

圖2 系統仿真結構簡圖

關于風電場的功率，其傳輸控制模型如圖3所示，可變頻變壓器傳輸功率的參考值可用風電場的功率Pw表示，由PI控制器可得出相角然后得出驅動轉矩。在系統穩定的情況下，它的功能可以看作是一臺變壓器，定轉子要有相角，轉子保持穩定，通過這種方法，風電場的功率輸至電網。

圖3 VFT傳輸功率控制框圖

4 風電場并網仿真研究分析

4.1 隔離故障分析

VFT的定、轉子之間傳輸功率運用的是電磁耦合，所謂耦合是指電路元件或電網絡（兩個或及以上）輸入與輸出之間的相互影響與配合，從一側向另一側傳輸能力通過相互作用。所謂電磁耦合，實際情況是磁場是由于電場的變化產生的，然而同樣，變化的電廠也可以產生磁場，它們相互作用、相輔相成是電磁耦合。電磁耦合有發揮傳輸功率的作用，轉子同時會有慣性作用，VFT這樣就可以發揮隔離故障的作用。

4.2 平滑功率以及穩定電壓分析

可變頻變壓器從根本上來說，它的主體相當于是一臺大型的感應電動機，通過VFT的轉矩控制系統可以使其傳輸功率跟蹤風電場輸出功率而變化。分析知，風電場的功率是不穩定的，時常發生波動，當有波動發生時，可變頻變壓器的轉矩會做出相應的改變，其控制系統會做出相應的動作，這個改變主要是控制轉子轉動，通過轉子轉動來調整相角，一達到調節傳輸功率的作用。轉子慣性的特點是其慣性很大，在這個過程中，由于轉子慣性的作用能夠起到緩沖部分能量的作用，這就決定了可變頻變壓器擁有平滑功率以及穩定電壓的作用。

5 結語

綜上所述，本文具體分析了風電并網接入問題及解決方法，分析了可變頻變壓器相關理論，包括概念、工作原理、結構分析以及可變頻變壓器的特點分析，分析了VFT與風電場聯網情況，最后分析了風電場并網仿真研究情況，本文重點分析了VFT的作用，在提高風電場的電壓穩定性以及傳輸功率方面的作用，研究結果表明，可變頻變壓器在電壓穩定性方面發揮了巨大作用，能夠對穩定性有一個很好的改進，并且可以提高風電機組的低電壓穿越能力，能夠一定程度上減輕風電場變化對電網的影響。關于可變頻變壓器的應用，目前來說還沒有大規模投入使用，但是，分析研究可以發現，在將來的風力發電中，它一定會發揮巨大的作用。這就為我們下一步的工作說明了目的，需要在理論上進行VFT聯網下風電場系統的穩態和動態分析，并制定出一套詳細的控制方法。

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TM614

A

1004-7344（2016）15-0243-02

2016-4-10

張帥（1988-），男，助理工程師，本科，主要從事變壓器制造技術與生產管理工作。