风力发电机的并网运行与脱网保护探讨

胡斌

（华锐风电科技（集团）有限公司，北京100080）

1 引言

随着经济的不断发展，能源、环境危机是当今社会迫切需要解决的问题，常规能源煤炭、石油、天然气、核能等都属一次性非再生能源，不仅资源有限，而且容易造成环境污染，因此对可再生能源的充分利用，已受到世界各国的高度重视。

风是一种用于发电且潜力很大的新能源，可为当今世界经济发展提供强大的动力支持，全球的风能约为2.74×109MW，其中可利用的风能为2×107MW，比地球风力发电上可开发利用的水能总量还要大十几倍，我国风能资源丰富，可开发利用的风能储量约10亿kW，其中，海上可开发和利用的风能储量约7.5亿kW，陆地上风能储量约2.53亿kW（陆地上离地10m高度资料计算），共计10亿kW，因此中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。

各种能源中，风能利用起来是比较简便的一种，它不象核能发电需要昂贵设备还要有严密的防护措施，一但发生泄露，容易对生态及人类造成伤害。也不象水力发电，需要修建大坝利用水的动、势能，推动水轮机转动发电的。更不象火力发电那样，将煤、天燃气等从地底下挖掘出来，在锅炉设备中进行燃烧。近几年由于世界经济的迅猛发展，对能源的需求量增加很多，但随着能源的开采贮藏量逐年降低甚至干枯，整个全球将面临能源缺少的危机，这对今后世界经济发展，形成巨大的瓶颈。因此必须对电力模式进行思考，形成新的发展规划。风是一种清洁的可再生能源，风能的利用相对比较简单，而且机动灵活，因此研究风力发电对节约能源、保护环境有着深远的意义。

2 国内外风电技术发展现状

2.1 国外风电技术发展现状

在可再生能源中，风能分布较广，风力发电技术成本与其它发电相比较低，因此风电是最具吸引力的选择。据全球风能理事会（GWEC）2011年统计，全球新增风电装机总容量达41GW，全球累计风电装机新增容量达到238GW，实现累计装机21%年增长率，截止到目前，风电装机遍布75个国家，其中20多个国家装机容量超过1 000MW，成为能源领域增长最快的行业。

2008年美国新增装机容量是8.4GW，总装机容量达到25GW，正式超过德国24GW位居世界第一，处于世界领先地位。到了2010年，中国异军突起成为风电市场的一匹黑马，打破了多年被欧美市场垄断的局面，成为一大亮点。2011年全球风电新增装机容量的绝大部分不是发生在综合组织OECD国家，而是出现在风电的新市场，拉丁美洲、非洲和亚洲正在拉动全球市场的发展。

美国风能协会首席执行官提出：2011年的装机容量达到总装机容量的1/3，最终能达到美国政府提出的要求。到2030年风电为美国提供约20%左右的电力预期目标。新增的风电装机在今年能提供大约200 000个美国家庭的用电。

拉丁美洲的风电新增装机达到1.2GW，巴西是处在主导地位。巴西的新增装机容量达到587MW，总容量达到1.5GW。

印度截止到2011年底装机容量超过16GW。印度风电制造协会主席提出：2011年印度风电新增3 000MW装机容量，实现了里跨越式的发展。

2.2 国内风电技术发展现状

我国地大物博，资源辽阔，风能蕴藏量比较丰富。根据国家气象科学院10m高度层的估算，风功率密度全国平均是100W/m2，风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发和利用量为2.53亿kW，海上风能可开发和利用量是7.5亿kW，总计为10亿kW。如果陆上风按年等效满负荷2 500h算，每年可提供6 325亿kW时电量，海上风按最低年等效满负荷2 000h计算，每年可提供1.5万亿kW时电量，总计为2.1万亿kW时电量。因此，中国风能资源蕴藏潜力巨大，风电技术发展前景广阔。

2010年风电机总体情况：新增风电机组安装1.3万台，装机容量18.9GW，年同比增长约37%；累计风电机组安装3.4万台，装机容量44.7GW，年同比增长约73%。

3 国内风电行业发展趋势

3.1 国内风电行业企业发展状况

国内风电机厂商按照时间顺序出现有3个梯队：第1梯队是2007年以前就可以批量生产的，华税、金风、东汽、浙江运达，这四家风机占当年新增装机容量的61%，其中，浙江运达稍逊于另外3家。第2梯队是2007年已经出样机，在2008年正式投入生产的天威风电、上海电气、新誉、华创、海装等。第3梯队是2008年开始完成样机的北京北重、国电联合、华仪风电、广州英格等

目前，我国风电市场存在着三足鼎力的局面，2011年华锐铸钢、金风科技、东方汽轮共占据了市场装机总份额的56.8%。其中华税装机累计占行业23.2%，金风装机累计占行业的19.7%，东气装机累计占行业的13.9%。但第2阶段和第3阶段风电机厂家，因通过引进新的技术推出了MW级风机，在未来的风电市场将会造成激烈的竞争，这对风电三龙头将是一个巨大的挑战。

3.2 国内风电行业发展趋势

3.2.1 风电整机行业发展趋势

政府工作报告对新能源发展的定调是“加强统筹规划，制止太阳能、风电等产业盲目扩张发展，”目前受到国家政策的影响，整个风电行业发展逐步减速，回归理性，即将进入一个调整期。预计在2012～2014年这3年风电行业将进入低谷，行业在洗牌，企业在整合。可能会在2012年之后的5年内，风电制造商将有现在的80多家合并整合到到50家左右。

3.2.2 风电技术发展趋势

在技术上的要求会更高，朝着容量大、风速低、效率高的方向发展，风力发电系统中的两个主要部件：风力机向着变浆距调节技术发展、发电机向着变速恒频发电技术发展。在机型上双馈异步发电型向紧凑轻量化发展，无磁轮箱的直驱方式风电系统向高速电机发展，风电机组的控制系统向智能化发展。

4 风力发电的并网运行

4.1 风力发电机的分类

风机按气流进入叶轮后的流动方向，分为离心式风机、轴流式风机、斜流式风机等类型；按压力分低压风机、高压风机、高压轴流风机等；按比例大小分低比转速、高比转速和中比转速风机。按用途分引风机、纺织风机、消防排烟风机等。

4.2 风力发电机的工作原理

风力发电的基本工作原理是通过风能→机械能→电能，也就是风能通过风轮机转换机械能，再有机械能带动发电机转换成电能。目前我国一般采用的是水平轴式风力发电机组，它主要有下面几部分构成：塔架、风轮、齿轮箱、发电机、偏航装置、液压系统、控制系统等。风轮的组成是由2－3个叶片装在轮毂上，转动的风轮在齿轮箱里增加速度后，就将动力传给发电机使得风能转换成机械能。将发电机、增速齿轮箱等这些部件按一定的位置排放到机舱里，通过塌架在把机舱支撑起来。想更好的充分利用风能，就需要安装偏航装置来识别风向，并由电气控制系统来控制大小齿轮的咬合转动，使机舱总是对着风的方向，风机的结构不同，工作原理也不同。

目前只有2大类风力发电机组可以投入并网运行，一是定桨定速型，二是变桨变速型。这两种类型主要采用的发电机有3种，即双馈异步发电机，永磁同步发电机，笼式异步发电机（图1、图2）。

图1 三相异步电动机结构

图2 线型转子感应电动机接线

双馈异步电机是指定子绕组和转子绕组分别接到固定频率的三相电源和可调节频率的三相电源中，定子绕组直接和电网相连，电子绕组与可调节变频器相连，变频器一般采用交－直－交形式与电网相连。机组在各种不同的转速下实现恒频发电来满足并网要求。

S＝（n0－nr）/n0；nr为转子转速，n0为同步转速，f1、f2分别为DFIG电机定、转子旋转磁场频率。n1为定子磁违场转速，n2为转子磁场转速，nr为转子磁场相对于转子的转速，电机稳定运行时，必须保证定、转子旋转磁场相对静止，则存在如下关系：n1＝n2＋nr。

由于f1＝n1/60，f2＝n2/60，

则有：f2＋n1/60＝f1。

发电机转速发生变化时，可进行调节转子励磁电流频率，从而保持定子输出电能的频率恒定，此即为变速恒频运行原理。

当发电机亚同步运行时（nr＜n1），转子绕组相序与定子相同，转子从外部电网吸收电能。

当发电机超同步运行时（nr＞n1），转子绕组相序与定子相反，转子给外部电网输送电能。

5 恒速恒频风力发电机的并网运行

5.1 同步发电机的并网

同步发电机的优点是：可以提供无功功率，输出的电能质量相对较高，但它的缺点是，用在发电机组时，会使转矩不稳定，调速精度差。如不进行控制，重载并网经常会发生无功振荡和失载。同步发电机并网时，通常采用两种方式自动准同步和自同步并网方式。第1种方法由于风速的随意性较大并购困难。所以都采用第2种方法。但此法在合闸时产生较大的冲击电流，所以设计时要克服此缺点（图3）。

图3 同步发电机并网结构

5.2 异步发电机并网

并网的方式通常采用直接、降压、软并网3种方式。风力发电机级采用异步发电机控制装置非常简单，因为它对调速精度要求不高，只要由原动机拖动至接近同步转速，且电机转动方向与磁场方向一致，就能够并网。并网后运行状态相对稳定，不会产生振荡和失步。但异步发电机并网时也有缺点，并网瞬间冲击电流过大造成电压下降幅度过大，使得安全系数降低，所以还要提供相应的安全保障措施（图4）。

图4 异步发电机并网结构

由于风力发电的固有特性，随时起动和停止再加上风轮存在物理惯性现象，通常风轮的转速都设计在20～30r/min。因此，需要有增速器进行控制。由于刚并网时电流过大，就要配置无功补偿装置。

5.3 变速恒频发电机的并网运行

5.3.1 交流励磁变速恒频双馈异步风力发电机组并网

交流励磁变速恒频双馈异步发电机要想实现并网，需要实现恒频控制，整个并网过程，就是将电机与变频器组成的系统采用脉宽调制技术进行控制，只需调整转子电流频率就可以实现。该方式的优点是变频器的容量不需要很大，并且还可以实现灵活控制有功和无功（图5）。

图5 双馈异步发电机并网结构

交流励磁变速恒频双馈异步发电机可在变速条件下进行并网。原因是：发电机采用交流励磁后可与电力系统之间形成了“柔性连接”，它可以通过电压和转速来调节励磁电流，从而调整输出电压来满足并网条件。

定子定压控制要求是：电网电压与定子电压同相位、同频率、同幅度值。电子观测器测出的电压，经过3/2转换后得到静坐标系下的定子端电压U1，然后通过K/P的转换，得到U1矢量位置角θU，又因为电压U1落后于定子磁链矢量Ψ190°所以θS＝θU＋90°。经过这一角度的转换，保证的电压相位的一致性。通过测量转子的角速度ωr获得转子空间相角θr，来进行旋转坐标的变换，再利用电网输入的多种信息对变流器进行调节，最终使发电机输出电压满足并网的指标。

5.3.2 变速恒频直驱型永磁同步风力发电机组的并网

在旧型变速恒频风力发电机里，主要有增速箱、发电机和风力机3个部分，转速要求达到1 000～1 500r/min，但实际转速只有在20～200r/min，所以必须靠增速箱来提高转速。增加增速箱不仅噪声很大而且还要进行设备维护，从而无形中增加了成本。在新型的变速恒频风力发电机采用的是永磁同步发电机，即取消增速箱的直驱型（图6）。

图6 直驱型风力发电结构

直驱型永磁同步风力发电机通过图6中的控制系统，对3个参数即有功和无功功率、转子角速度电网电压相位角的分析研究，能够有效的控制尖速比，这样也就能够获得最大网能。另外，此电机用铜量较少，而且结构简单，无滑环无电刷，运行可靠，大多应用在转矩速度快、性能高的场合。

5.4 无刷双馈电机空载并网

无刷双馈电机实现的是软并网，通过转子调整励磁电流，可避免合闸时瞬间电流过大，另外它采用的控制系统是收集电网信息来调整励磁，保证输出电压与并网要求一致。所以，在没有并网之前，通过电压传感器，检测发电机和电网之间的功率绕组电压的幅值、相位、频率等，并通过调节控制励磁电流，使输出电压与其同频、同幅、同位，达到了并网条件时自动并网运行。

5.5 大容量风电机组并网

大容量风电机组并网型号有3种：异步电机、双馈异步电机和直驱同步，风电机级组启动开始并网时，需要吸收一定的无功功率，因此就需要通过自动无功补偿装置和SVC对此进行补偿，正常运行时，普通的异步风电机本身配置的都是电容器投切器件，根据电网的的功率因素可以自动进行补偿，整个机组都具备良好的无功连续调节机能，及时保证电压在允许的波动范围内，完成并网的条件。

6 风力发电机的脱网保护

6.1 低电压穿越技术的提出

低电压穿越（LVRT），指当电网发生故障时，即风力发电机并网时，点电压跌落的时候，风机能够保持与电网联接而不间断的并网，从而为电网自行调节赢得时间，甚至要求风电场在这一过程中向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常。当变频恒速双馈风力发电机，遇到电网电压突然下降时，由于与其配套的电力电子变流设备属于AC/DC/AC型，很容易造成励磁装置损坏，使转子发生峰值涌流，最终导致风力发电机组与电网解列。在过去当电机容量较小时，保护转子侧的励磁装置，就采取与电网解列的方式，但现在风力发电的容量都很大，与电网解列后会影响整个电网的稳定性，甚至会产生一些设备连锁故障，于是，国外的专家就提出了风力发电低电压穿越技术，此技术被电网方认为是提高电网安全稳定性的最大保障（图7）。

图7 低电度穿越技术曲线

6.2 低电压穿越技术的具体实现

6.2.1 采用引入新型拓扑结构方案

这种结构有点类似于以往的软启动装置，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路中，当此电路正常工作时，所有可控硅处于导通状态，在电网电压跌落降与恢复状态期间，转子侧的最大电流将会随电压的跌落幅度增大（励磁变流器必须选用大功率而且电流等级高的IGBT电子器件，来避免大电流冲击，保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开）。电网电压跌落再恢复时，转子侧最大电流大约会达到电压跌落前的3～5倍。为了不使设备发生损坏，通过反并可控硅电路与电网进行脱网，发生脱网后，励磁变流器可以重新励磁双馈感应发电机使电压开始回升，电压回升到一定数值时，双馈感应发电机就会于电网的电压的频率、幅值、相位达到同步，再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。

这种方式也存在不足：此方案除了增加成本以外，控制系统较复杂。定子发生故障时电流需要导通或关断的门极控制电路进行控制，由于电流过大，需要很复杂的门极负驱动电路。可控硅串联电路用穿透型IGBT就必须串联二极管。采用非穿透型IGBT通态损耗大。在理论上，用接触器代替可控硅开关的话虽通态时无损耗，但断开时间会很长，这样的话容易造成脱网运行，对电网恢复工作没有起到应用的作用。

永磁直接驱动型变速恒频风力发电系统已被证实在这方面拥有出色的性能。但由于本身结构特点，实现LVRT仍然有存在下几种问题亟待解决。故障发生期间，直流母线过电压与转子侧冲击电流在电力系统内都能承受；发生各种故障类型采取的相应对策实施是有效的；控制的方法都能满足不同机组、不同参数的要求；在达到控制过程中尽量缩小投入成本。

6.2.2 采用新的励磁控制策略

从成本节约的角度来看，最好的方法就是不修改系统内部的硬件结构，而是通过改变控制程序实现低压穿越，也就是说当电网在运行时出现故障，风电机仍然继续工作。

通过仿真方法对不脱网运行的励磁控制进行研究，如果增加双馈感应发电机的励磁控制器中的可调器的比例和积分系数，可以保证风电机在电网发生故障时不脱网。但此方法也存在着局限性，一是没有明确指出不脱网运行的范围，二是母线电压下降严重时，励磁变流器将会出现过电流和过电压，所以仅限于母线电压轻微下降。若要采取硬性负反馈的方法，即补偿定子电压和磁链变化对有、无功解耦控制的作用，可以在某个限度内控制转子产生的电流，从而保护励磁变流器。但此方案也有不可避免的缺点，它只适合输电系统中的发电机电压轻微下降时，对严重下降缺无法控制，因为它受到励磁变流器输出最大电压的限制，削弱了对转子电流的控制。

通过以上几种方式介绍，采用新的励磁控制策略方法，只能是电网在发生不严重的故障时，而且电压跌落程序是在轻微的情况下，可以通过励磁的控制方法，实现发电机和变流器之间安全度短时间内的低电压故障，不需要通过触发crowbar电路来进行发电机和变流器的保护。

7 结语

风力发电是保护环境，节约资源的最有效方式，虽然目前处于低谷时期，但未来的发展前景十分广阔，风力发电技术日趋走向成熟，世界装机容量和发电量与日俱增，今后在发电市场将会越来越占有更大的比例。

但风电并网产生故障这一难题仍然困扰着风电业界，虽然国家电网已提出要确保风电并网的安全性、稳定定，风力发电机“须具备低电压穿越技术和动态无功补偿技术”要求。但是遭到了更多制造商的抵制，因为这一技术无形中又增加了每台设备的制造成本近20万元人民币。

2012年3月15日中国电力科学院有关人士透露，新修改的风电国家并网技术标准，将于4月份向社会各界公布。此新标准将取代国家电网2009年公布的《风电场接入电网技术规定》，并新增对于风电机组并网以及风电场接入电网的技术要求，如动态无功/有功补偿技术以及低电压穿越技术等。这一标准的出台，将会推动规范整个风电行业。

风力发电是一个集结构学、电力学、计算机学等综合性的学科技术，随着风电技术的不断完善，风电市场的地位将日渐巩固，其发展前程似锦。

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