变速恒频风力发电机并网运行综述

阳昕，马新明，马林生，胡元啸

(1.广西省电网公司河池市供电局，广西 河池 547000;2.四川省雅安市雅电集团蜀能公司，四川 雅安 625000;3.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

1 引言

随着全球爆发石油危机，很多国家面临能源短缺的困境，风能的开发研究又重新得到重视，从而开创了风能利用的新时期。风力发电厂是将多台并网型风力发电机安装在风力资源好的场地，按照地形和主风向排成阵列，组成机群向电网供电，风电场是大规模利用风能的有效方式，风力发电是当今世界上可再生能源开发利用中技术最成熟、最具规模开发和商业化发展前景的发电技术，但它的时变性和不确定性也给风电并网带来了很大的难题。

2 风力发电迅猛发展的原因

风力发电迅猛发展的推动力，从解决能源的急需到越来越多是为了对付全球气候变化，避免严重的的环境灾难。风电能源不但可以完全避免排放造成温室效应的CO2，也不会产生与化石燃料或核能发电相关的污染物。归纳起来，风力发电迅猛发展的原因主要体现在以下四个方面:(1)经济驱动力;(2)环境驱动力;(3)社会驱动力;(4)技术驱动力。

3 风力发电基本原理

风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。每一部分都很重要，各部分功能为:叶片用来接受风力并通过机头转为电能;尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能;转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能;机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

4 风力发电的并网要求

无论采用哪种方式，要实现并网运行，都要求输入电网的交流电具备下列条件:

(1)电压的大小与电网电压相等;

(2)频率与电网频率相同;

(3)电压的相序与电网电压的相序一致;

(4)电压的相位与电网电压的相位相同;

(5)电压的波形与电网电压的波形相同。

基于上述情况，风力发电机组的并网运行虽然是一种良好的趋势，但到目前为止，国内已经并网运行的风力发电机的数量并不很多。

5 风力发电机组的并网运行

风力发电机组的并网运行，是将风力发电机组发出的电送入电网，通过电网把电供给电力用户使用，这就解决了风力发电的不连续、电压和频率不稳定及电能的储存等问题，并且输送给电网的电能质量是可靠的。本文主要介绍变速恒频风力发电机并网运行方式。

5.1 变速恒频风力发电机组的并网运行

变速恒频风力发电机组能够根据风速变化，进行相应调整，使风力发电机组保持较高的效率运行。从风力发电机组的运行原理分析，要求风力发电机组的转速与风速成正比，并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力发电机组风轮的风能利用系统Cp保持最大值不变，风力发电机组就输出最大的功率。因此，要求变速恒频风力发电机组除了能够稳定可靠地并网运行之外，最重要的一点就是要实现最大功率输出控制。

5.1.1 双速异步发电机通过晶闸管软并网

(1)晶闸管软并网方法的作用

①限制启动并网时的冲击电流。

②限制功率切换时的瞬变电流:在低速(低功率输出)与高速(高功率输出)绕组相互切换过程中。

(2)双速异步发电机的并网过程

①低速启动并网过程。当风速传感器测量的风速达到启动风速(如3.0～4.0m/s)以上，并连续维持达5～10min时，控制系统计算机发出启动信号，风力机组开始启动，当转速接近同步转速时，通过晶闸管接入电网，异步发电机进入低功率发电状态。

②高速启动并网过程。若风速传感器测量的1min平均风速远超启动风速，如7.5m/s，则风力机组启动后，发电机被切换到大容量高速绕组(如4极，1500r/min)，当发电机转速接近同步转速时，根据预定的启动电流值，通过晶闸管接入电网，异步发电机直接进入高功率发电状态。

(3)双速异步发电机的运行控制

双速异步发电机的运行状态，即高功率输出或低功率输出状态，是通过功率控制来实现的。

①小容量发电机向大容量发电机的切换。

②大容量发电机向小容量发电机的切换。

(4)转子电流受控的异步风力发电机与电网并联运行

变桨距风力机—滑差可调异步发电机的启动并网及并网后的运行状况如下:

①机组启动并网前得控制方式，属于转速反馈控制，当风速达到启动风速时，风力机开始启动，随着转速的升高，风力机的叶片节距角连续变化，使发电机的转速上升到给定转速值(同步转速)，继之发电机并入电网。

②发电机并网后的控制方式，即功率控制方式。当发电机并网后，转速的变化表现在发电机的滑差率上，当风速低于额定风速时，通过转速控制环节、功率控制环节及RCC控制环节将发电机的滑差调到最小，滑差率在1%(即发电机的转速大于同步转速1%)，同时通过变桨距机构将叶片功角调至零，并保持在零附近，以便最有效地吸收风能。

由图1可以看出，2007—2016年中国乳制品进口总量呈现波浪式增长。其中2009年是中国乳制品进口增长最快的一年，相比2008年进口量增长了54%。2009年乳制品进口量迅速增长的主要原因之一是2008年的三聚氰胺毒奶粉事件给中国乳制品产业的发展带来了极大的冲击，国内的食品质量安全问题引起了消费者的广泛关注，使消费者倾向于购买进口乳制品，从而带动了进口量的迅速增加。2011—2013年，中国乳制品的进口量缓慢增长，之后出现明显下降趋势，2016年开始乳制品进口量又呈现增长趋势，但相对先前而言增长速度开始放缓。

③当风速达到额定风速时，发电机的输出功率达到额定值。

④当风速超过额定风速时，如果风速持续增加，风力机吸收的风能不断增大，风力机轴上的机械功率输出大于发电机输出的电功率，则发电机的转速上升，反馈到转速控制环节后，转速控制输出将使变桨距机构动作，改变风力机叶片功角，以保证发电机为额定输出功率不变，维持发电机在额定功率下运行。

⑤当风速上升时，发电机的输出功率上升，大于额定功率，则功率控制单元改变转子电流给定值，使异步发电机转子电流控制环节动作，调节发电机转子回路电阻(增大)，增大异步发电机的滑差(绝对值)，发电机的转速上升，发电机转子的电流将保持不变，发电机输出功率也将维持不变，由于风力机的变桨距机构有滞后效应，叶片功角通常来不及变化。反之亦然。

5.1.2 双馈风力发电机系统的并网运行

(1)双馈风力发电机系统并网运行的特点

双馈发电机定子三相绕组直接与电网相连，转子绕组经交—交循环变流器连入电网，能够实现功率的双向流动。由于在风力机变速运行时发电机也为变速运行，因此为了实现与电网的并联，将由双馈异步电机和以自关断器件为功率开关的变频器组成的系统采用脉宽调制技术(PWM)控制。采用双馈异步电机，只要根据风速的变化和发电机转速的变化调整转子的电流频率，即可实现恒频控制。这种系统并网运行的特点如下:

①风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由循环变流器控制进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本上无电流冲击。

③双馈发电机励磁可调量有3个:励磁电流的频率、幅值和相位。调节励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力;通过改变励磁电流的幅值和相位，不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。

(2)双馈风力发电机的运行方式

①超同步运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，n2为负)。定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力。

②亚同步速运行(转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n2为正)。在定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。

③同步运行。此种状态下，nr=n1，滑差频率f2=0，这表明此时通入转子绕组的电流的频率为0，即是直流电流，与普通同步发电机一样。

(3)变速风力机驱动双馈异步发电机与电网并联运行

①频率的控制。当风速降低时，风力机转速降低，异步发电机转子转速也降低，转子绕组电流产生的旋转磁场转速将低于异步电机的同步转速ns，定子绕组感应电动势的频率f低于f1(50Hz)，同时测速装置立即将转速降低的信息反馈到控制转子电流频率的电路，使转子电流的频率增高，则转子旋转磁场的转速又回升到同步转速ns，使定子绕组感应电势的频率f又恢复到额定频f1(50Hz)。同理，当风速增高时，则使转子电流的频率降低，使定子绕组的感应电动势频率重新恢复到频率f1。

②电压的控制。当发电机的负载增加时，发电机输出端电压降低，此信息由电压检测获得，并反馈到控制转子电流大小的电路，即通过控制三相半控或全控整流桥的晶闸管导通角，使导通角增大，从而使发电机转子电流增加，定子绕组的感应电动势增高，发电机输出端电压恢复到额定电压。反之，当发电机负载减小时，使转子电流减小，定子绕组输出端电压降回至额定电压。

③变频器及控制方式。在双馈异步发电机组成的变速恒频风力发电机系统中，异步发电机转子回路中可采用不同类型的循环变流器作为变流器。

(4)双馈风力发电机系统并网运行的优越性

①该变速恒频发电系统控制异步发电机的滑差在恰当的数值范围内变化，实现优化风力机叶片的桨距调节，可减少风力机叶片桨距的调节次数。

②可降低风力发电机组运转时的噪声水平。

③可以降低机组剧烈的转矩起伏，减小所有部件的机械应力，为减轻部件质量或研制大型风力发电机组提供了有力的保证。

④风力机的运行速度能够在一个较宽的范围内被调节到风力机的最优化效率数值，使风力机的Cp值得到优化而提高系统效率。

⑤可以实现发电机地起伏的平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，同时减小发电机温度变化。

⑥与电网连接简单，并可实现功率因数的调节。

⑦可实现独立(不与电网连接)运行，几个相同的独立运行机组也可实现并联运行。

⑧该变速恒频系统内变频器的容量一般为发电机额定容量的1/4～1/3。

⑨该变频器能够实现能量的双向流动，通过适当的调制，可使变频器的输入电流波形接近正弦波，减小对电网的谐波污染，提高输出的电能质量。

(5)无刷双馈异步风力发电机系统并网时的能量传递关系

①低风速运行时，n1＞nR，此时主发电机定子绕组输出的电功率P1为电机轴上输入机械功率Pm与由变频器输入的电功率Pe1之和，即

②高风速运行时，nR＞n1，发电机轴上输入机械功率Pm分别转换为由主发电机定子绕组输出的电功率P1和由励磁机定子绕组转变为电功率经变频器馈入电网的电功率Pe1之和，即

5.1.3 同步发电机交—直—交系统的并网运行

(1)磁场调制发电机系统的并网运行

磁场调制的风力发电机系统可以是风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，可实现最大功率输出控制。磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机的转速及位置无关，这种特点非常适合用于与电网并联运行的风力发电系统。

(2)变速风力机驱动交流发电机经整流—逆变装置与电网并联运行

该风力发电系统中，风力机为变速运行，因而交流发电机发出的为变频交流电，经整流—逆变装置(交—直—交)转换后获得恒频交流电输出，再与电网并联，因此这种风力发电系统也是属于变速恒频风力发电系统。

(3)风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运行

优点:

①不采用齿轮箱，大大减小了机组水平轴向长度，缩短了机械传动路径，避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题，延长机组的工作寿命;

②避免了齿轮箱部件的维修及更换，不需要齿轮箱润滑油以及对油温的监控，因而提高了投资的有效性;

③发电机具有大的表面，散热条件更有利，可以使发电机运行时的温升降低，减小发电机温升的起伏。

(4)世界风力发电的现状及预测

截至2010年底，世界风电装机容量达到196630MW，同比增长23.6%，其中2010年新能装机容量为37642WM。2010年，全球有83个国家加入了风能进行发电的行列，其中52个国家增加了其风电装机容量。中国取代美国成为总装机能量最大的国家，达到44733MW，其中2010年新能装机容量为18928WM，占据世界风机市场的50.3%。总装机容量前五位的国家，包括中国、美国、德国、西班牙以及印度，占世界风电总装机容量的74.2%。预计2015年全球风电总装机容量可达到600GW，到2020年可达到1500GW。

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