第四章 初稿教材

定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組的軟并網(wǎng)技術(shù)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)第四章風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機組對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響運行方式離網(wǎng)型并網(wǎng)型獨立運行；規(guī)模小接入電力系統(tǒng)運行；規(guī)模大并網(wǎng)運行的優(yōu)點：建設(shè)工期短；實際占地面積小，對土地質(zhì)量要求低；運行管理自動化程度高，可做到無人值守。并網(wǎng)運行的局限性：風(fēng)能的能力密度小，設(shè)備巨大笨重，安裝運輸困難；風(fēng)能不穩(wěn)定，使風(fēng)電場規(guī)模達到一定容量時會對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴重影響。4.1定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組的軟并網(wǎng)技術(shù)風(fēng)力發(fā)電機組采用異步發(fā)電機優(yōu)點：缺點：控制裝置簡單、并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步，運行非常穩(wěn)定采用直接并網(wǎng)方式時，并網(wǎng)瞬間的沖擊電流過大，威脅電網(wǎng)安全和穩(wěn)定異步發(fā)電機的并網(wǎng)方式有1.降壓并網(wǎng)：發(fā)電機與電網(wǎng)之間串聯(lián)電抗器、電阻器或星三角啟動器以減小并網(wǎng)沖擊電流，在并網(wǎng)完成后事電抗器或電阻器退出運行，該方式適用于小容量的風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)2.準同步并網(wǎng)：此方式須有高精度的調(diào)整器和整步、同期設(shè)備，增加了機組的造價，花費時間長3.晶閘管軟并網(wǎng)：采用此方式可以得到一個平穩(wěn)的并網(wǎng)過渡過程而不會出現(xiàn)沖擊電流，使并網(wǎng)時的電流控制在2倍的額定電流以內(nèi)，降低了并網(wǎng)時的沖擊，增加了風(fēng)力發(fā)電機組的使用壽命和可靠性4.1.1軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)1.觸發(fā)電路2.反并聯(lián)晶閘管電路3.異步電機結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)圖：軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的主電路由三對反并聯(lián)雙向晶閘管及其保護電路組成，每一時刻，至少有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，構(gòu)成回路軟并網(wǎng)裝置采用晶閘管的優(yōu)點：1.可消除電流浪涌沖擊與峰值轉(zhuǎn)矩沖擊；2.晶閘管相當(dāng)于無觸點軟開關(guān)，不存在接觸不良與磨損、粘著、彈跳等問題；3.晶閘管導(dǎo)通角連續(xù)可調(diào)，無需輔助換流裝置，軟并網(wǎng)過程平穩(wěn)，限流可靠。一般情況下：為提高晶閘管承受電壓和電流沖擊的能力，需要在晶閘管兩端并聯(lián)阻容吸收保護回路，以吸收換流過程中晶閘管兩端可能產(chǎn)生的瞬間尖峰電壓4.1.2軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的主電路分析對于電阻、電感性負載，晶閘管觸發(fā)延時角α的可控區(qū)域與負載阻抗角ψ有關(guān)，關(guān)系如下圖4-2：圖4-2軟切入的控制特性1.對于純電阻負載，晶閘管觸發(fā)延時角α對輸出三相電壓的最大移相可控區(qū)域為0°~150°2.對于電感性負載，由于電路中存在儲能元件，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢會阻止電流的變化，晶閘管不能立即關(guān)斷，需要經(jīng)過一個延時角后才能關(guān)斷原因分析：為了便于分析，我們對晶閘管和異步發(fā)電機進行簡化，由異步電機等效電路計算得到阻抗角ψ與轉(zhuǎn)差率的關(guān)系，如圖4-3：圖4-3異步電機阻抗角與轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系注意：以上關(guān)系可作為軟切入控制中的一個限制條件，但是，該計算僅考慮了工頻情況下的電感，而在移相控制中，會存在大量的諧波，使感抗增大，所以在控制上要考慮充分的裕度4.1.3軟并網(wǎng)裝置中晶閘管的觸發(fā)方式觸發(fā)方式：晶閘管移相該方式通過改變晶閘管觸發(fā)延時角來改變輸出端電壓的有效值，輸出電壓可以從零到電源電壓連續(xù)變化。該觸發(fā)方案優(yōu)點：缺點：簡單可靠，無需輔助換相電壓諧波含量比較高（一般來說諧波對電網(wǎng)不會造成明顯的影響）為保證三相反并聯(lián)晶閘管正常工作，晶閘管移相觸發(fā)電路需滿足條件：任何時刻至少需要一相的正向晶閘管與另外一相的反向晶閘管同時導(dǎo)通，否則不能構(gòu)成電流回路采用大于60°的寬脈沖或雙窄脈沖的觸發(fā)電路晶閘管的觸發(fā)信號除了必須與相應(yīng)的交流電壓有一致的相序外，各觸發(fā)信號之間還必須保持一定的相位關(guān)系。如圖4-4圖4-4軟切入結(jié)構(gòu)簡圖4.1.4軟并網(wǎng)的控制規(guī)律及其對電網(wǎng)的影響異步發(fā)電機采用晶閘管移相控制實現(xiàn)并網(wǎng)軟切入。在接近發(fā)電機同步轉(zhuǎn)速切入時，發(fā)電機從電網(wǎng)吸收無功功率、切入電流和傳動軸系的沖擊轉(zhuǎn)矩均處于最理想的狀態(tài)。變槳控制風(fēng)力發(fā)電機組：定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組：

在發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升到離同步轉(zhuǎn)速有一定距離時就執(zhí)行軟并網(wǎng)，防止發(fā)電機過速軟并網(wǎng)控制應(yīng)當(dāng)考慮到一下方面：葉片特性——分析葉輪吸收機械功率和氣動阻力傳動軸系的慣量、聯(lián)軸器的剛度和傳動鏈阻尼——判斷切入過程中葉輪的速度發(fā)電機在晶閘管移相控制作用下的動態(tài)響應(yīng)接入點電壓由于發(fā)電機接入動態(tài)響應(yīng)而造成的波動其他因素，如電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等軟并網(wǎng)控制的主要任務(wù)判斷軟切入起動時刻確定雙向晶閘管的移相控制規(guī)律軟并網(wǎng)控制的主要評價指標1.并網(wǎng)電流不超過額定電流的2倍2.并網(wǎng)電流過渡平滑，不對傳動軸系產(chǎn)生過大沖擊3.并網(wǎng)時間短4.發(fā)電機轉(zhuǎn)速不產(chǎn)生明顯升高，并網(wǎng)完成后迅速進入穩(wěn)定運行移相角的控制方法：電流內(nèi)環(huán)、速度外環(huán)控制實現(xiàn)如圖4-5：圖4-5移相角控制框圖由圖4-5我們可以得出結(jié)論：軟并網(wǎng)起動時的轉(zhuǎn)速越低，表明當(dāng)時風(fēng)速越大，那么，在接近同步轉(zhuǎn)速點時，為防止發(fā)電機過速，移相角充分打開的意愿也越強總之，移相控制在初期以限制電流為主要目的，后期以促使晶閘管迅速導(dǎo)通為主要目的4.1.5并網(wǎng)軟切入對電網(wǎng)的影響晶閘管移相控制過程中，將造成大量的諧波污染。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機組大量接入電網(wǎng)系統(tǒng)是，必須考慮諧波對于電力系統(tǒng)的危害受諧波影響的主要元件補償電容器電容接觸器解決方法：當(dāng)機組處于軟切入過程中時，不允許補償電容器組的投入。在軟切入完成后才投入電容器進行功率因數(shù)補償。但是，在諧波電壓污染嚴重的風(fēng)電場中，正常工作的電容器組也會由于對諧波電流的放大作用而導(dǎo)致過載，此時需要考慮在補償電容器回路加裝調(diào)諧電抗器圖4-9等效簡化傳輸模型在機組并網(wǎng)過程中，由于線路傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率的變化，造成了機組接入點的電壓變化。當(dāng)線路兩端電壓差不太大，功率傳輸角較小時，可以求得傳輸線的電壓降落（參見圖4-10）為：圖4-10傳輸線的電壓降落向量圖

(4-1)

在并網(wǎng)過程中，PCC點的電壓幅值和相位變化，取決于電網(wǎng)的傳輸參數(shù)和機組吸的收有功功率和無功功率的變化以下為一臺750KW定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)軟切入過程的仿真結(jié)果圖4-11機組接入點的線電壓有效值圖4-12軟切入過程中發(fā)電機有功功率和無功功率在圖4-11中，接入點電壓跌落以及從跌落到回升的幅值和相位波動由接入點的電網(wǎng)短路容量比SCR和線路等效電路的阻抗比X/R決定。不難看出，短路容量比越大，即風(fēng)力發(fā)電設(shè)備容量占系統(tǒng)容量越少時，系統(tǒng)穩(wěn)定性越好。

（4-2）4.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)4.2.1雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)過程結(jié)構(gòu)如圖4-13所示：圖4-13雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)無沖擊并網(wǎng)過程：葉輪自由運動，驅(qū)動槳距至最佳槳距角發(fā)電機轉(zhuǎn)速至切入轉(zhuǎn)速，調(diào)整槳距角，保持空載轉(zhuǎn)速在切入轉(zhuǎn)速上發(fā)出命令，執(zhí)行并網(wǎng)操作圖4-14雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)啟動過程并網(wǎng)啟動過程：有少量機組采用機組得到啟動命令，在變流器未投入工作的情況下，先閉合發(fā)電機定子側(cè)的主斷路器的方法。而后變槳系統(tǒng)調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速逐步上升，此時變流器根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速、加速度和機組預(yù)設(shè)要求逐步加大勵磁電流的幅值和調(diào)節(jié)勵磁電流頻率至穩(wěn)定狀態(tài)。圖4-15WD77/1.5MW雙饋機組并網(wǎng)實測波形圖中為1.5MW雙饋機組實測數(shù)據(jù)，可見其并網(wǎng)電流一般小于30A。兆瓦級雙饋機組運行特性（如圖4-16）：圖4-16機組轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性在B轉(zhuǎn)速并網(wǎng)，其后機組運行曲線就為ADGF，在加載過程中可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速小幅下降，顯然，這將減少機組在低風(fēng)速區(qū)域的發(fā)電量。同時，由于該運行軌跡在某一轉(zhuǎn)速下只有特定的轉(zhuǎn)矩控制目標，也就降低了對控制系統(tǒng)的要求。恒速并網(wǎng)特性：并網(wǎng)時轉(zhuǎn)速直接上升到最優(yōu)功率曲線，即運行軌跡為ACEF，這能增加系統(tǒng)發(fā)電量，但要求系統(tǒng)對機組動態(tài)性能有更好的控制能力。4.2.2雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)控制雙饋發(fā)電機進行同步并網(wǎng)時，電流最小化在d-q軸坐標系下表述為：

(4-3)由3-27和3-28可改寫為：

(4-4)

(4-5)忽略定子電阻，將式（4-4）和式（4-5）帶入式（3-26）可得：

(4-6)圖4-17雙饋機組空載并網(wǎng)控制框圖

4.3永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組的并網(wǎng)技術(shù)永磁同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組結(jié)構(gòu)如圖4-18所示：圖4-18永磁同步直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組無沖擊并網(wǎng)過程：葉輪自由運動，變槳機構(gòu)驅(qū)動槳葉至最佳槳距角發(fā)電機轉(zhuǎn)速至切入轉(zhuǎn)速，調(diào)整槳距角，保持空載轉(zhuǎn)速在切入轉(zhuǎn)速上發(fā)出命令，執(zhí)行并網(wǎng)操作圖4-19永磁同步風(fēng)力發(fā)電機組并網(wǎng)起動過程如圖4-19所示，變流器在得到并網(wǎng)命令后，首先以預(yù)充電回路對直流母線進行限流充電，在電容電壓提升至一定程度后，電網(wǎng)側(cè)主斷路器和定子側(cè)接觸器閉合，而后電網(wǎng)側(cè)變流器和電機側(cè)變流器開始調(diào)制，接著開始對機組進行轉(zhuǎn)矩加載并調(diào)整槳距角進入正常發(fā)電狀態(tài)。4.4風(fēng)力發(fā)電機組對電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷進步，單臺風(fēng)力發(fā)電機組的容量越來越大。目前單臺風(fēng)力發(fā)電機組的最大額定容量已經(jīng)可以達到6MW，因此風(fēng)電場也能夠比以往具有更大的裝機容量。隨著風(fēng)電裝機容量在各個國家電網(wǎng)中多占的比例越來越高，對電網(wǎng)的影響范圍也從局部擴大到了區(qū)域。4.4.1低壓穿越能力低壓穿越能力：風(fēng)力發(fā)電機組端電壓跌落到一定值的情況下風(fēng)力發(fā)電機組能夠維持并網(wǎng)運行的能力電網(wǎng)系統(tǒng)瞬間短路而引起的電壓暫降在實際運行中時經(jīng)常出現(xiàn)的，而其中絕大多數(shù)的故障在繼電保護裝置的控制下短暫的時間內(nèi)能恢復(fù)。在這短暫的時間內(nèi)，電網(wǎng)電壓大幅下降，風(fēng)力發(fā)電機組必須在極短時間內(nèi)做出無功功率調(diào)整來支持電網(wǎng)電壓，從而保證風(fēng)力發(fā)電機組不脫網(wǎng)，避免出現(xiàn)局部電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電成分的大量切入而導(dǎo)致的系統(tǒng)供電質(zhì)量惡化。因此今年來我國和國外都對風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力做出了強制性規(guī)定如圖4-21、圖4-22圖4-21德國E.ON公司對風(fēng)力發(fā)電機組的低壓穿越要求圖4-22國家電網(wǎng)對于低壓穿越的要求（一）定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組電網(wǎng)接入點電壓下降或瞬時跌落機端電壓不低于允許下限時，異步發(fā)電機可達到新的機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩平衡系統(tǒng)電壓下降幅度超過相應(yīng)值，異步發(fā)電機無法重新達到平衡，發(fā)電機轉(zhuǎn)速將不斷增加如果電網(wǎng)電壓不能恢復(fù)，風(fēng)力發(fā)電機組將推出運行。大量機組同時切出會危及電網(wǎng)功角穩(wěn)定。圖4-23籠型異步發(fā)電機暫態(tài)穩(wěn)定性分析

機端電壓下降時，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩下降，異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子加速，轉(zhuǎn)差率增大。故障消失后，機端電壓恢復(fù)，轉(zhuǎn)子減速，轉(zhuǎn)差率減小，機械轉(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩平衡，經(jīng)振蕩穩(wěn)定在運行點a如果故障持續(xù)時間過長，轉(zhuǎn)子將持續(xù)一直加速，異步發(fā)電機失去穩(wěn)定如果電壓下降時間過長，也將造成發(fā)電機運行曲線的下降，從而減小安全裕度靜止無功補償設(shè)備可以在電壓暫降的瞬態(tài)發(fā)出無功功率以穩(wěn)定系統(tǒng)電壓，這樣能夠改善定槳恒速風(fēng)力發(fā)電機組的低電壓穿越能力，有利于系統(tǒng)電壓的恢復(fù)（二）變槳恒頻風(fēng)力發(fā)電機組對雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機組，電網(wǎng)電壓大幅下降時，發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩變得非常小，工作在低負載狀態(tài)。由于發(fā)電機定子鏈磁不能跟隨電壓變化，會產(chǎn)生直流分量，而轉(zhuǎn)速由于慣性并沒有顯著變化，較大的轉(zhuǎn)差率導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線路的過電壓和過電流。本質(zhì)上，可認為發(fā)電機的電磁暫態(tài)能量并未改變，但電網(wǎng)電壓下降導(dǎo)致發(fā)電機定子側(cè)能量傳輸能力下降，因而需要在轉(zhuǎn)子側(cè)加設(shè)暫態(tài)能量泄放通道來保護設(shè)備。有源Crowbar保護電路的常見結(jié)構(gòu)如圖4-24.圖4-24雙饋異步發(fā)電機組的有源Crowbar保護電路對全功率變換的永磁同步發(fā)電機組，發(fā)電機與電網(wǎng)隔離，從而對電網(wǎng)故障的適應(yīng)完全由變流器來實現(xiàn)。電網(wǎng)故障期間永磁同步發(fā)電機不從電網(wǎng)吸收無功功率，因而在不進行無功補償?shù)那闆r下也不會加劇電網(wǎng)電壓崩潰。在電網(wǎng)電壓跌落時，電網(wǎng)側(cè)變流器可工作于靜止同步補償器狀態(tài)，輸出動態(tài)無功功率。由于同步發(fā)電機組所配備的變流器容量等同機組容量，所以發(fā)出的無功功率容量也比雙饋異步發(fā)電機組更大，更有利于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)。與雙饋異步發(fā)電機組類同，為泄放發(fā)電機的電磁暫態(tài)能量，永磁同步發(fā)電機組通常在變流器直流側(cè)加設(shè)泄放電路來保護變流器和電容，如圖4-25圖4-25永磁同步發(fā)電機組的直流側(cè)泄放保護電路圖4-26是電網(wǎng)低電壓跌落過程中，風(fēng)力發(fā)電機組輸出有功功率和無功功率的變化過程。圖4-26低電壓穿越過程中的有功功率-無功功率控制在電網(wǎng)電壓恢復(fù)后，系統(tǒng)能很快恢復(fù)正常運行時的有功功率和無功功率，其中無功功率在電壓恢復(fù)后仍能保持短時間支持電網(wǎng)電壓，有功功率一般以固定斜率恢復(fù)，這是因為過快恢復(fù)容易引起機組傳動系統(tǒng)振蕩，過慢則影響電力系統(tǒng)的有功功率平衡。風(fēng)力發(fā)電機組為實現(xiàn)低電壓穿越，除了變流系統(tǒng)外，機組的變距系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)都要做特殊的控制設(shè)計，以防止葉輪超速和控制失效。4.4.2風(fēng)電場無功功率的控制風(fēng)電場無功功率調(diào)整能影響方面1.電網(wǎng)電壓穩(wěn)定2.風(fēng)力發(fā)電機組本身的穩(wěn)定運行在風(fēng)電場中使用基于電力電子技術(shù)的自動調(diào)節(jié)靜態(tài)無功補償設(shè)備作為主要無功調(diào)節(jié)設(shè)備是未來的趨勢風(fēng)電場配電站一般都具備有載調(diào)壓、補償電容器組成靜止無功補償器，從控制