风力发电机组并网方式初探董楠楠 丁巧林 杨宏华北电力大学（保定）电气工程学院071003

风力发电机组并网方式初探董楠楠 丁巧林 杨宏
华北电力大学（保定）电气工程学院071003

引言

全球化能源危机日益严重，使得世界各国开始重视开发和利用可再生、无污染的能源，我国也不例外。中国是世界上最大的能源生产国和消费国之一，能源危机严重制约着国民经济的发展。而风电作为一种新型可再生能源，具有施工周期短、维护费用低、清洁无污染、不消耗任何燃料等优点，并且在中国风电资源也有着它独有的优势：首先中国的风能资源丰富，主要集中在西北、华北和东北；其次风电制造业发展迅速，从小功率风电机组的批量生产到大功率风电机组的批量生产，我国将逐步进入全球风电设备生产大国的行列；在中国风力发电发展空间大，政府对可再生能源的长期规划将引导风力发电产业快速发展[1～2]。

风力发电是目前新能源开发技术最成熟，也是最有规模化商业开发前景的发电方式之一，是世界上增长最快的新能源之一，在新能源发电装机容量中位居第一位。根据欧洲风能协会和绿色和平组织签署的《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量12%蓝图》的报告，期望并预测2020年全世界的风力发电装机将达到12.31亿kW，年安装量达到1.5亿kW，届时风力发电量将占到全世界发电总量的12%。但是风力发电机组的可控性远不如火力和水力发电机组，因为风力发电的基本原理是天然风吹转叶片获得机械能，经过机械传动，通过齿轮箱提高转速带动发电机转子旋转发电[3]，而作为原动机的风力机，其出力主要由自然界风速变化决定，所以人们只能在一定程度上进行控制，风力发电并网已成为首要问题。

根据发电机的运行特征和控制技术，风力发电技术一般分为恒速恒频(Constant SpeedConstantFrequency，简称CSCF)风力发电技术和变速恒频(Variable SpeedConstantFrequency，简称VSCF)风力发电技术。

1、恒速恒频风力发电机的并网

恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能力强以及运行可靠性高等优点，是过去几年主要的风力发电设备[4]。但是在恒速恒频风力发电系统中，其发电设备主要是异步风力发电机，而异步风力发电机运行时，靠转差率来调整负荷，可直接并网，也可通过晶闸管调压装置与电网相连接。但是异步风力发电机在并网瞬间会出现较大的冲击电流，而过大的冲击电流会使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开，同时造成电压大幅度下降，使得低压保护动作，导致无法并网[5]。另外，异步发电机自身不发无功功率，需要无功补偿，当输出功率超出其最大转矩所对应的功率会引起网上飞车[6]，因此必须严格监视并采取相应的有效措施才能保障风力发电机组的安全运行。

目前，国内外采用的异步风力发电机的并网方式主要有以下四种：直接并网，准同期并网，降压并网以及采用双向晶闸管控制的软切入法的并网方式。

1.1 直接并网方式

采用这种方式时要求发电机的相序与电网的相序相同，发电机转速接近（一般达到99%～100%）同步转速时即可并网。

1.2 准同期并网方式

采用这种方式时在转速接近同步转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已建立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投入电网运行。

1.3 降压并网方式

采用这种方式时在异步电机与电网之间串接电阻、电抗器或自耦变压器， 以降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。因为电阻、电抗器等要消耗功率，在发电机并入电网进入稳态时，再将其短接[7]。

1.4 采用双向晶闸管控制的软切入法的并网方式

采用这种方式时在异步发电机定子与电网之间每相串入一只双向晶闸管，接入的目的是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。当发电机达到同步速附近时，发电机输出端的短路器闭合，发电机组通过双向晶闸管与电网相连，通过电流反馈对双向晶闸管导通角控制，将并网时的冲击电流限定在额定电流1.5倍以上，从而得到一个比较平滑的并网过程，正常运行时，双向晶闸管被短接。

2、变速恒频风力发电机组的并网

变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟，从结构和运行方面可分为双馈感应发电机系统和直接驱动的同步发电机系统。变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电与电网之间的相互影响，但是它缺点是结构复杂、成本高、技术难度大。

2.1 双馈式风力发电机及其并网

双馈风力发电技术是应用最广泛的风力发电技术之一。尤其是双馈感应发电机，不仅改善了风电机组的运行性能，而且大大降低了变频器的容量，至今已逐渐发展成风力发电的主流设备。双馈风力发电机为定子绕组直接接入交流电网，转子绕组由频率、幅值、相位可调的变流器提供三相低频励磁电流的新型电机[8]，当转子绕组通过某一频率的交流电时，就会产生一个相对转子旋转的磁场，此时会在电机气隙中形成一个同步旋转磁场，转子的实际转速加上交流励磁电流产生的旋转磁场所对应的转速等于同步转速，从而改变了双馈电机定子电动势与电网电压向量的相对位置，也即改变了电机的功率角，因此有调节无功功率出力的能力。

由于风力发电机变速运行，其运行速度能在一个较宽的范围内调节，使风机风能利用系数CP得到优化，获得较高的系统效率，可以实现发电机较平滑的电功率输出，达到优化系统内的电网质量，减少发电机温度变化[9]。

在双馈风力发电机的起动阶段，需要对发电机进行并网前控制以满足并网条件，即发电机定子电压和电网电压的幅值、频率、相位、相序均相同，才能使发电机安全地切入电网，进入正常的并网发电运行模式[10]。

当前，双馈风力发电机组的并网方式主要有以下三种：空载并网，独立负载并网以及孤岛并网方式。

2.1.1 空载并网方式

采用这种方式通过引入定子磁链定向技术对发电机输出电压进行测节。使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致，满足并网条件时进行并网操作。

2.1.2 独立负载并网方式

采用这种方式的思路是：并网前发电机带负载运行，对发电机和负载进行控制，在满足并网条件时进行并网。这种并网方式的特点是，发电机具有一定的能量调节作用，降低了对原动机的调速能力要求，但是这种并网方式控制起来非常复杂，所需要的信息不仅取自于电网侧，同时还取自于定子侧。

2.1.3 孤岛并网方式

采用这种方式并网前需要形成能量环路，这个能量环路是这样形成的：首先进行预充电过程，当风力发电机启动后且发电机转速达到励磁范围时开始励磁，电网从预充电变压器经直流整流器向双PWM变流器的直流母线电容充电，用以激励整个系统，当定子电压达到额定值（控制器通过控制电机侧的逆变器使发电机定子发电电压达到额定值）时，发电机定子输出和转子输入与双PWM逆变器分别连接，形成独立能量环路。当发电机转速达到并网转速，控制系统将调节发电机电压与电网电压同步，同步后，并网。综上所述，这种并网方式可分为三个阶段，即励磁阶段，孤岛运行阶段以及并网阶段。

2.2 直接驱动的同步发电机

在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电机相连，可省去增速齿轮箱，减少风力发电机的体积和重量，也降低噪声和维护费用。其发电机主要采用低速永磁同步发电机，具有性能好、效率高、无需励磁、体积小、重量轻的特点[11]。这种发电系统拓扑结构较简单，控制方法相对容易，目前受到广泛关注。

为保证并网瞬间发电机与电网上的电压、频率及相序一致，通过控制器采集电网电压、频率及相序等参数，然后与逆变器输出电压等参数比较。当达到并网条件时进行并网。此种并网方式在并网瞬间不会产生冲击电流，不会引起电网电压的下降，也不会对发电机定子绕组及其他机械部件造成损坏。

3、结束语

近几年中国风电事业高速发展，随着风力发电机组容量的增大，在并网时对电网的冲击也越来越大。本文根据发电机组的特点，分别对恒速恒频和变速恒频风电机组的三种发电机的并网方式进行了初步的讨论。根据实际情况选择合理的并网技术是一个非常重要的问题，因为这直接关系到整个电网的正常运行。

[1]祁和生,沈德昌.我国大型风力发电产业发展现状[J].电气时代，20 10,2

[2]夏阳，王革华，赵勇.中国风电并网若干问题的博弈研究[J].可再生能源. 20 05,1(11 9)

[3]李东东.风力发电机组并网控制与仿真分析[J].水电能源科学.20 06,24(1)

[4]计崔.大型风力发电场并网接入运行问题综述[J].华东电力.20 08,36(10.

[5]李腾飞，吕跃刚，刘吉宏，徐大平.风力发电机组并网技术[J].中国电力. 20 09,42(11)

[6]刘国频，冯凯辉，曾祥君等.风力发电机组的并网方式及对电网影响的探讨[J].风力发电.20 09,1(10 0)

[7]胡兴军，刘娅.风力发电机组并网运行研究[J].装备机械.20 09,4(33)

[8]徐凤星，刘连根，盛建科等.双馈风力发电机并网控制及稳态运行研究[J].电力电子技术.20 10,44(5)

[9]李建春.风力发电机组并网方式分析[J].中国科技信息.20 10,1

[10]李岚，杨一雄.双馈风力发电机空载并网控制[J].微特电机.20 09,2

[11]王全胜，宋建成.直驱式风力发电系统并网控制策略研究[J].煤矿机电.20 08,6

Initial Discussions on In-line Operation of Wind-mill Generators

Dong Nannan Ding Qiaolin Yang HongNorth China Electric Power University，School of Electrical Engineering，Baoding ,071003，China

风能是一种清洁的可再生能源，而风力发电可以有效地利用风能，我国的风电事业高速发展，但是仍存在着许多实际问题，风力发电机组的并网问题首当其冲。只有通过对各种风力发电机自身及其并网方式的研究，才能在实际中根据实际情况来选择相应的并网方式。本文对当前各种类型风力发电机组并网方式进行初步探讨，指出随着风力发电机组容量的增大，在并网时对电网的冲击也会越来越大，因此，不断改进现有的风电并网技术，减少对电网运行稳定性的影响是今后迫切需要解决的问题。

风力发电；并网；恒速恒频；变速恒频

Wind energy is a clean, renewable energy, wind power can use the wind energy effectively. Rapid development of our wind power, but there are still many practical problems, and the problem of inline operation of wind-mill generators is one of the most important problems in China. To select the appropriate in-line operation accord the actual situation, it must through the discussions of variety of wind turbine itself and its in-line operation. In this paper, it takes initial discussions on in-line operation of wind-mill generators, and points out that with the increase of capacity of wind-mill generators, the impact to the net will be increasing when parallel in. Therefore, it is an urgent need to solve the problem that continuous improves the technology of in-line of wind-mill generators and reduce the impact of the stability of the net.

Wind power；in-line；constant speed constant frequency； Variable speed constant frequency

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.24.004

董楠楠 女，1984年生，硕士研究生，研究方向为电力系统运行、控制与分析。