风力发电机组并网技术.docx

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20 世纪 90 年月，, Bhowink, Machromoum, 等学者对双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用进展了理论、仿真分析和试验争论，为双馈电机在风力发电系统中的应用打下了理论根底。同 时，电力电子技术和计算机技术的高速进展，使得承受电力电子元件(IGBT 等)和脉宽调制(PWM)掌握的变流技术在双馈电机掌握系统中得到了应用，这大大促进了双馈电机掌握技术在风电系统中的应用。八十年月以后，功率半导体器件进展的主要方向是高频化、大功率、低损耗和良好的可控性，并在沟通 调速领域内得到广泛应用，使其掌握性能可以和直流电机媲美。九十年月微机掌握技术的进展，加速了 双馈电机在工业领域的应用步伐。近十年来是双馈电机最重要的进展阶段，变速恒频双馈风力发电机组 已由根本掌握技术向优化掌握策略方向进展。其励磁掌握系统所用变流装置主要有交交变流器和交直交 变流器两种构造形式:(1)交交变流器的特点是容量大，但是输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用 功率元件数量较多。(2)承受全控电力电子器件的交直交变流器可以有效抑制交交变流器的缺点，而且 易于掌握策略的实现和功率双向流淌，格外适用于变速恒频双馈风力发电系统的励磁掌握。
为了改善发电系统的性能，国内外学者对变速恒频双馈发电机组的励磁掌握策略进展了较深入的争论，主要为基于各种定向方式的矢量掌握策略和直接转矩掌握策略。我国科研机构从上世纪九十年月开 始了对变速恒频双馈风力发电系统掌握技术的争论，但大多数争论还仅限于试验室，只有局部争论成果 在中，在小型风力发电机的励磁掌握系统中得到应用。因此，加快双馈机组的励磁掌握技术的争论进度 对提高我国风电机组自主化进程具有重要意义。
除了上面提到的双馈风力发电系统励磁掌握技术争论以外，变速恒频双馈风力发电系统还有很多争论热点包括:
(I)风力发电系统的软并网软解列争论
软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重要局部。一般的，当电网容量比发电机的容量大得多的时候，可以不考虑发电机并网的冲击电流，鉴于目前并网运行的发电机组已经进展到兆瓦级水平，所 以必需要限制发电机在并网和解列时候的冲击电流，做到对电网无冲击或者冲击最小。
无速度传感器技术在双馈异步风力发电系统应用的争论
近年，双馈电机的无位置以及无速度传感器掌握成了风力发电领域的一个重要争论方向，在双馈异 步风力发电系统中需要知道电机转速以及位置信息，但是速度以及位置传感器的承受提高了本钱并且带 来了一些不便。理论上可以通过电机的电压和电流实时计算出电机的转速，从而实现无速度传感器掌握。 假设承受无传感器控就可以使发电机和逆变器之间连线消退，降低了系统本钱，增加了掌握系统的抗干 扰性和牢靠性。
电网故障状态下风力发电系统不连续运行等方面
并网型双馈风力发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行过程中，各种缘由引起的电网电压波动、跌落甚至短路故障会影响发电机的不连续运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转 矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以三相电网电压突然跌落时的系统持续运 行掌握策略的争论是目前争论焦点问题之一。
此外，双馈风力发电系统的频率稳定以及无功极限方面也是目前争论的热点。
在大型风力发电系统运行过程中，常常需要把风力发电机组接入电力系统并列运行。发电机并网是 风力发电系统正常运行的“起点”，也是整个风力发电系统能够良好运行的前提。其主要要求是限制发电机在并网时的瞬变电流，避开对电网造成过大的冲击，并网过程是否平稳直接关系到含风电电网的稳 定性和发电机的安全性。当电网的容量比发电机的容量大的多(大于 25 倍)的时候，发电机并网时的冲击电流可以不考虑。但风力发电机组的单机容量越来越大，目前己经进展到兆瓦级水平，机组并网对电 网的冲击已经不能无视。比较严峻的后果不但会引起电网电压的大幅下降，而且还会对发电机组各部件 造成损害;而且，长时间的并网冲击，甚至还会造成电力系统的解列以及威逼其它发电机组的正常运行。
因此必需通过适宜的发电机并网方式来抑制并网冲击电流。
目前，实现发电机并网的方式主要有两种，一种被称为准同期方式，另一种被称为自同期方式。准同期方式是将已经励磁的发电机在到达同期条件后并入电网;自同期方式则是将没有被励磁的发电机在 到达额定转速时并入电网，随即给发电机加上励磁，接着转子被拉入同步。自同期方式由于当发电机合 闸时，冲击电流较大，母线电压跌落较多而很少承受。因此，现在发电机的主要并网方式为准同期方式， 它能掌握发电机快速满足准同期条件，从而实现准确、安全并网。
异步风力发电机组并网
异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷，其输出的功率与转速近乎成线性关系，因此对 机组的调速要求不像同步发电机那么严格准确，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时就可并网。但异步发电机的并网也存在一些问题。例如直接并网时会产生过大的冲击电流(约为异步发 电机额定电流的 4～7 倍)，并使电网电压瞬时下降。随着风力发电机组电机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全以及对电网的影响也愈加严峻。过大的冲击电流，有可能使发电机与电网 连接的主回路中自动开关断开;而电网电压的较大幅度下降；则可能会使低压保护动作，从而导致异步 发电机根本不能并网。另外，异步发电机还存在着本身不能输出无功功率、需要无功补偿、过高的系统电压会造成发电机磁路饱和等问题。
目前，国内外承受异步发电机的风力发电机组并网方式主要有以下几种。
直接并网方式
这种并网方法要求并网时发电机的相序与电网的相序一样，当风力机驱动的异步发电机转速接近同步转速(90%一 100%)时即可完成自动并网，见图(2-6 )所示，自动并网的信号由测速装置给出，然后通过自动空气开关合闸完成并网过程。这种并网方式比同步发电机的准同步并网简洁，但并网瞬间存在三 相短路现象，并网冲击电流到达 4～5 倍额定电流，会引起电力系统电压的瞬时下降。这种并网方式只适合用于发电机组容量较小或与大电网相并的场合。
准同期并网方式
与同步发电机准同步并网方式一样，在转速接近同步转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后 对已励磁建立的发电机电压和频率进展调整和校正，使其与系统同步。当发电机的电压、频率、相位与 系统全都时，将发电机投入电网运行，见图(2-7)所示。承受这种方式，假设按传统的步骤经整步到同步 并网，则仍必要高精度的调速器和整步、同期设备，不仅要增加机组的造价，而且从整步到达准同步并网所花费的时间很长，这是我们所不期望的。该并网方式合闸瞬间尽管冲击电流很小，但必需掌握在最 大允许的转矩范围内运行，以免造成网上飞车。
降压并网方式
降压并网是在异步发电机和电网之间串接电阻或电抗器或者接入自祸变压器，以便到达降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。由于电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机进入稳态 运行后必需将其快速切除。明显这种并网方法的经济性较差。
晶闸管软并网方式
这种并网方式是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，来对发电机的输入电压进展调整。双向晶闸管的两端与并网自动开关K2 的动合触头并联，如图 2-9 所示。
接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流掌握在允许的限度内。图(2-9)示出软并网 装置的原理。通过采集US 和 IS 的幅值和相位，对晶闸管的导通角进展掌握。具体的并网过程是:当风力发电机组接收到由掌握系统微处理机发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否全都， 假设相序正确，则发出松闸命令，风力发电机组开头启动；当发电机转速接近同步转速时(约为 99 % -100% 同步转速)，双向晶闸管的掌握角同时由 180 度到 0 度渐渐同步翻开，与此同时，双向晶闸管的导通角 则同时由 0 度到 180 度渐渐增大，此时并网自动开关K2 未动作，动合触点未闭合，异步发电机即通过晶闸管平稳地并入电网，随着发电机转速的连续上升，电机的转差率趋于零，当转差率为零时，双向晶 闸管已全部导通，并网自动开关K2 动作，短接双向晶闸管，异步发电机的输出电流将不再经双向晶闸 管，而是通过已闭合的自动开关K2 流入电网。在发电机并网后，应马上在发电机端并入补偿电容，将 发电机的功率因数(cos }p)提高到 以上。由于风速变化的随机性，在到达额定功率前，发电机的输出功率大小是随机变化的，因此对补偿电容的投入与切除也需要进展掌握，一般是在掌握系统中设有 几组容量不同的补偿电容，依据输出无功功率的变化，掌握补偿电容的分段投入或切除。这种并网方法 的特点是通过掌握晶闸管的导通角，来连续调整加在负载上的电压波形，进而转变负载电压的有效值。 目前，承受晶闸管软切入装置((SOFT CUT-IN)已成为大型异步风力发电机组中不行缺少的组成局部，用于限制发电机并网以及大小电机切换时的瞬态冲击电流，以免对电网造成过大的冲击。
晶闸管软并网技术虽然是目前一种较为先进的并网方法，但它也对晶闸管器件以及与之相关的晶闸管触发电路提出了严格的要求，即晶闸管器件的特性要全都、稳定以及触发电路牢靠，只有发电机主回 路中的每相的双向晶闸管特性全都，并且掌握极触发电压、触发电流全都，全开通后压降一样，才能保 证可控硅导通角在 0 度到 180 度范围内同步渐渐增大，才能保证发电机三相电流平衡，否则会对发电机
不利。
适合沟通励磁双馈风力发电机组的并网技术
目前，适合沟通励磁双馈风力发电机组的并网方式主要是基于定子磁链定向矢量掌握的准同期并网 掌握技术，包括空载并网方式，独立负载并网方式，以及孤岛并网方式。另外，对于垂直轴型的双馈机组，由于不能自动起动，所以必需承受“电动式”并网方式。下面对各种并网方式的实现原理分别赐予了简要介绍。
(1)空载并网技术
所谓空载并网就是并网前双馈发电机空载，定子电流为零，提取电网的电压信息(幅值、频率、相 位)作为依据供给应双馈发电机的掌握系统，通过引入定子磁链定向技术对发电机的输出电压进展调整， 使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值全都。当满足并网条件时进展并网操 作，并网成功后掌握策略从并网掌握切换到发电掌握。如图(2-10)所示。
〔2)独立负载并网技术
独立负载并网技术的根本思路为:并网前双馈电机带负载运行(如电阻性负载)，依据电网信息和定子电压、电流对双馈电机和负载的值进展掌握，在满足并网条件时进展并网。独立负载并网方式的特点是并网前双馈电机已经带有独立负载，定子有电流，因此并网掌握所需要的信息不仅取自于电网侧，同 时还取自于双馈电机定子侧。
负载并网方式发电机具有肯定的能量调整作用，可与风力机协作实现转速的掌握，降低了对风力机调速力量的要求，但掌握较为简单。
孤岛并网方式
孤岛并网掌握方案可分为 3 个阶段。第一阶段为励磁阶段，见图(2-12)所示，从电网侧引入一路预充电回路接交—直—交变流器的直流侧。预充电回路由开关K1、预充电变压器和直流充电器构成。
当风机转速到达肯定转速要求后，K1 闭合，直流充电器通过预充电变压器给交—直—交变流器的直流侧充电。充电完毕后，电机侧变流器开头工作，供给双馈电机转子侧励磁电流。此时，掌握双馈电机定子侧电压渐渐上升，直至输出电压到达额定值，励磁阶段完毕。
其次阶段为孤岛运行阶段。首先将Kl 断开，然后启动网侧变流器，使之开头升压运行，将直流侧
升压到所需值。此时，能量在网侧变流器，电机侧变流器以及双馈电机之间流淌，它们共同组成一个孤岛运行方式。
第三阶段为并网阶段。在孤岛运行阶段，定子侧电压的幅值、频率和相位都与电网侧一样。此时闭合开关K2，电机与电网之间可以实现无冲击并网。并网后，可通过调整风机的桨距角来增加风力机输 入能量，从而到达发电的目的。
“由动式”并网方式
前面介绍的几种并网方式都是针对具有自起动力量的水平轴双馈风力发电机组的准同期并网方式， 对于垂直轴型的双馈机组(又称达里厄型风力机)由于不具备自启动力量，风力发电机组在静止状态下的 起动可由双馈电机运行于电动机工况来实现。
如图(2-13)所示，为实现系统起动在转子绕组与转子侧变频器之间安装一个单刀双掷开关K3，在 进展并网操作时，首先操作 K3 将双馈发电机转子经电阻短路，然后闭合 K1 连接电网与定子绕组。在电网电压作用下双馈电机将以感应电动机转子串电阻方式渐渐起动。通过调整转子串电阻的大小，可以提 高起动转矩减小起动电流，从而缓解机组起动过程的暂态冲击。当双馈感应发电机转速渐渐上升并接近同步转速时，转子电流将下降到零。在此条件下，操作K3 断开串联电阻后将转子绕组与转子侧变频器相连接，同时触发转子侧变频器投入励磁。最终在成功投入励磁后，调整励磁使双馈发电机快速进入定 子功率或转速掌握状态，完成机组起动过程。
这种并网方式实现方法简洁，通过适当的挨次掌握就能够实现不具备自起动力量的双馈发电机组的起动与并网的需要，假设电机转子侧安装有“CrowBarProtection”保护装置，则通过掌握器投切“CrowBar Protection”就可以实现系统的起动与准同期并网。
空载并网方式并网前发电机不带负载，不参与能量和转速的掌握，所以为了防止在并网前发电机的 能量失衡而引起的转速失控，应由原动机来掌握发电机组的转速。独立负载并网方式并网前接有负载， 发电机参与原动机的能量掌握，表现在一方面转变发电机的负载，调整发电机的能量输出，另一方面在 负载肯定的状况下，转变发电机转速的同时，转变能量在电机内部的安排关系。前一种作用实现了发电 机能量的粗调，后一种实现了发电机能量的细调。可以看出，空载并网方式需要原动机具有足够的调速 力量，对原动机的要求较高;独立负载并网方式，发电机具有肯定的能量调整作用，可与原动机协作实 现转速的掌握，降低了对原动机调速力量的要求，但掌握简单，需要进展电压补偿和检测更多的电压、电流量。孤岛并网方式是一种近年来才提出的比较颖的一种并网方式，在并网前形成能量回路，转子 变换器的能量输入由定子供给，降低了并网时的能量损耗。
其中空载并网方式由于具有掌握策略简洁，掌握效果好，而在实际机组中广泛承受，而负载并网方 式、孤岛并网方式以及“电动式”并网方式由于存在掌握系统较为简单，系统稳定性差等缺点目前仍旧停留在理论探究阶段。
双馈发电机并网掌握与功率掌握的切换
双馈风力发电系统并网掌握的目的是对发电机的输出电压进展调整，使建立的DFIG 的定子空载电压与电网电压的幅值、频率、和相位保持全都，当满足并网条件时进展并网操作，并网成功后进展最大风能追踪掌握.
并网成功后一方面变桨距系统将桨叶节距角置于0o 以获得最正确风能利用系数，与此同时转子励磁系统开头进展最大功率点跟踪(Maximum Power pointTracking, MPPT )掌握，以捕获最大风能。并网切换前后掌握策略有较大差异，假设直接切换，则掌握系统重从零开头调整，必定引起转子电压的突 变，从而造成并网瞬间系统产生振荡，这种振荡可能短时间内使系统输出有很大的偏差，致使掌握量超 过系统可能的最大允许范围，简洁造成发电机损坏，而这在实际的并网过程中是格外不利的。为此，要到达发电机顺当、安全并网的目的还必需实现掌握策略的无扰切换，使转子输出电压平稳的过渡到的稳定状态。
双馈发电机的解列掌握
基于双馈电机的变速恒频风力发电系统，在风速到达最低启动风速(切入风速)后开头进展并网掌握 使空载定子电压跟随电网电压，风电机组平稳的并入电网，运行发电。在风力机并入电网后会依据风速 大小的不同实施不同的掌握策略，包括 MPPT 掌握、恒转速掌握及恒功率掌握。当高于停机风速(切出风速)时，便会将风机从电网中切出，即解列掌握。解列掌握的要求是在断网瞬间定子电流为零。由于在 断网前双馈电机实施恒功率掌握，所以在解列掌握中一方面要通过变桨距系统将桨叶节距角刀调至90o， 即顺桨状态，以削减风轮吸取的机械能降低转子的转速，另一方面通过转子励磁系统掌握转子电流的转 矩重量和励磁重量渐渐减小到零，从而使得双馈电机的定子电流渐渐变化到零，最终在零电流状态下与 电网脱开，完成软切出过程。