一种新型的风电场机组配置方案

（1. 许继风电科技有限公司研发中心，河南 许昌 461000；2. 中国一拖集团有限公司战略采购推进部，河南 洛阳 471000）

（1. 许继风电科技有限公司研发中心，河南 许昌 461000；2. 中国一拖集团有限公司战略采购推进部，河南 洛阳 471000）

近年来建设的100MW风电场中，1.5MW以上的直驱风电机组与双馈风电机组是两大主力机型，其在风电场中的配置对并网后电网安全稳定运行有重要影响。本文根据直驱风电机组与双馈风电机组的各自特点以及不同的故障率，提出一种配置方案。

直驱；双馈；低电压穿越；可用率；配置

0 引言

风电的迅速发展对电力系统安全稳定的影响越来越突出。智能电网建设不仅要有坚强的网架结构和强大的电力输送能力做保证，更重要的是要有安全可靠的电力供应。而大规模风电并网后,电力系统的安全稳定与可靠供电对大力发展清洁能源—风电来说，却是一种挑战。

本文从风电场的电力供应安全可靠性出发，提出一种新型的风电场机组配置方案。

1 风电场接入电力系统的安全可靠性要求

1.1 技术要求的由来[1]

2005年,由中国电力科学研究院起草的我国首个风电场并网标准GB/Z19963－2005《风电场接入电力系统技术规定》仅提出一些原则性的技术规定，适度降低了对风电的要求，已无法满足目前我国大规模风电开发并网的需要。

为保证风电场的可靠并网和电力系统的安全稳定运行，国家标准化管理委员会于2009年要求中国电力科学研究院牵头组织开展国家标准《风电场接入电力系统技术规定》修订工作，中国电力科学研究院为主要起草单位，龙源电力集团股份有限公司、南方电网科学研究院有限责任公司、中国电力工程顾问集团公司共同参与编写。

2011年12月30日，由中国电力科学研究院为主要起草单位编写的国家标准GB/T19963－2011《风电场接入电力系统技术规定》正式颁布，并于2012年6月1日开始正式实施。

该标准规定了对通过110(66)kV及以上电压等级线路与电力系统连接的新建或扩建风电场的技术要求，修改完善了风电场有功功率控制、无功功率/电压控制、有功功率预测、风电场测试、风电场二次部分等技术条款，并增加了风电场低电压穿越能力(LVRT)要求的相关内容。

1.2 风电场低电压穿越能力[2]

低电压穿越能力是当电力系统中风电装机容量比例较大时，电力系统低电压穿越故障导致电压跌落后，风电场切除会严重影响系统运行的稳定性，这就要求风电机组具有低电压穿越能力，保证系统发生故障后风电机组不间断并网运行。

在中国，国家电网规定风电机组应该具有低电压穿越能力：

（1）风电场必须具有当电压跌至20%额定电压时能够维持并网运行620ms的低电压穿越能力；

（2）风电场电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场必须保持并网运行；

（3）风电场升压变高压侧电压不低于额定电压的90%时，风电场必须不间断并网运行。

目前，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。

对于双馈机型，最新研究[3]发现：双馈型风力发电技术仅能在一种0－Power 控制模式下实现风电机组不停机穿越电网故障。而在非0－Power控制模式下，通过改变变流器的励磁控制和转子侧Crowbar 保护电网两种策略，理论和实际技术上都难以应对自如。

1.3 风电场有功功率控制/预测[4]

风电的随机性、波动性较大，可预测性较低。风能是一种间歇性能源，风速预测存在一定误差，风电场不能提供稳定的功率，发电稳定性较差。另外，风电场的功率波动会影响当地电网的电能质量，产生电压波动和闪变。因此，大型风电场必须配合传统的发电站共同控制电网。

2 国内风电场状况

2.1 集中式风电场发展状况

2007年之前，我国风电场主要使用兆瓦级以下的定桨定速型风电机组，累计约5.906GW。

2007年以后，金风科技的1.5MW变桨直驱型风电机组，华锐风电、东汽集团的1.5MW变桨双馈型风电机组均研制成功并批量投产。

由于早期的定桨距机组叶片的角度不能在风速变化时进行相应的调节，经济效益差，兆瓦级以下的定桨定速型风电机组的生产比重逐步下降。如：2011年以来，新增风电机组以1.5MW以上机型为主，兆瓦级以下的定桨距失速型风电机组已逐步退出。

目前，风电行业主要发展的是更为先进的变速变桨距兆瓦级机型，主要采用双馈异步发电机（DFIG）的双馈型（DF）和永磁同步发电机（PMSG）的直驱型（DD）。由于成本问题，近些年来的主流机型一直是双馈机型。

2.2 分布式风电场状况

2012年以来，因“三北”地区限电等原因，新增风电装机容量6年来首次未能实现增长，分布式风电场的建设才开始受到广泛关注。

因分布式发电容量范围一般在15 kW —10000kW，容量较小[5]，如果采用就地消纳及储存并网的方式，分布式风电场对电网的安全运行威胁较小。

3 集中式风电场内的机组配置

3.1 风电机组的分类

兆瓦级风电机组从叶轮放置方向讲，主要可分为两大类：垂直轴风电机组和水平轴风电机组。

因垂直轴风电机组的风能利用系数Cp较水平轴（Cp理论最大值59.3%）低，且其风速控制、高架振动和传动效率低等问题在短期内难以克服，故本文在讨论兆瓦级风电机组时，暂不讨论垂直轴风电机组，仅以水平轴风电机组（HAWT）为讨论对象。

按目前兆瓦级风电技术成熟度分，3MW级以下的HAWT，借用从国外嫁接过来的成熟技术，发展得还好。不过，对于3MW级以上的HAWT，因叶轮加大，重量增加，轴承制造及实际安装使用寿命等都难以达到要求。而且一旦发生故障，对电网的冲击影响较大，且目前其技术尚未成熟。

综合估计，3MW级以上的HAWT不宜大面积推广。本文重点讨论3MW级以下的HAWT风电机组配置问题，进行一些探讨。

3.2 HAWT风电机组的结构及特点

其典型结构如图1所示。

从图中我们可以直观地看出，件号2轮毂（Hub）与件号6发电机（Generator）非直接连接，其间有一件号4主齿轮箱。

件号6发电机（Generator）一般有两种：一种是采用传统直流电励磁或永磁同步发电机(以及笼型异步发电机等)，另一种是采用交流励磁的同步化双馈绕线型异步发电机。

图1 HAWT风电机组的典型结构[6]

目前，兆瓦级的主流风电机组的结构是没有齿轮箱的直驱永磁同步发电机和双馈异步发电机。

它们的优缺点如下[7]：

直驱永磁同步发电机有如下优点：

（1）由于采用同步电机，控制回路少，控制比较简单。全功率变流器采用SPWM（正弦波脉宽调制）技术可获得近似标准的正弦波电压电流波形，谐波性能有很大改善;

（2）由于采用了全功率变流器，发电机与电网之间是隔离的，故电网电压的跌落不会直接作用在发电机的定子上，不会直接影响发电机的运行。故PMSG不需要LVRT技术;

（3） PMSG转子上无绕组、电刷、滑环，因此其维护性强于DFIG，系统稳定性高，维护费用低。

其主要缺点如下：

（1）需要配备全功率变频器，变频器成本较高，控制系统体积庞大；

（2）永磁发电机价格高；

（3）PMSG励磁不可调，决定了发电机输出端的功率因数无法控制，只能通过变流器控制输出到电网端的电能。频率变换装置虽可以调节功率因数，但会有高频电流流入电网；

（4）要求永磁材料具有很高的稳定性，而高温以及电枢反应等原因可能导致永磁材料失磁；

采用双馈绕线型异步发电机风力发电系统，具有如下优点：

（1）变频器功率小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小；

（2）变频控制灵活，具有良好的调节特性。捕风效能较高；

（3）在定子电源频率一定时，通过改变转子励磁频率就可以实现对转速的调节，发电机的运行转速既可高于同步转速，也可低于同步转速，有利于系统最大限度捕获风能。

其主要缺点如下：

（1） DFIG定子侧与电网通过变压器直接连接，且转子采用双向变频器，电流处于不断变化之中，故DFIG定子输出电流谐波较大且难以控制，控制技术复杂；

（2）发电机需安装集电环和刷架系统，DFIG转子侧有电刷、滑环，以对励磁电流进行调节，一般半年需要更换电刷，2年需要更换滑环。转子绕组也使得DFIG的可靠性比PMSG低。 电机维护成本高，频度高；

（3） DFIG定子侧与电网通过变压器直接相连，转子侧与电网间有双向变流器进行励磁调节，故只能对发电机组实施部分调节。在电网电压突然跌落瞬间，定子磁链不能跟随定子端电压突变从而产生直流分量，由于积分量减小，定子磁链不发生变化，而转子继续旋转，会产生较大的滑差，从而引起转子绕组的过压、过流。如果电网为不对称故障的话，因为定子中出现负序分量导致更大的滑差，会使转子过压过流现象更严重。过流会损坏变流器，过压会使绕组绝缘被击穿，所以对于DFIG必须采用LVRT技术，低电压穿越能力不如直驱可靠。

3.3 大型风电场中直驱与双馈的配置

通过以上分析，我们从电网安全角度出发，着重考虑发电机组低电压穿越（LVRT）能力和故障率两方面，给出一种大型风电场风电机组的新型配置。

根据大型风电场必须配合传统的发电站共同控制电网的原则，例如风火比例1:1.5—1: 2.2经验（本文选1:2比例），匹配的传统的发电站（火电）并网总容量为Q1（MW）。

假设大型风电场的风电机组并网总容量为Q2（MW），根据风场统计，可知直驱风电机组与双馈风电机组的故障停机率分别为R1和R2。

要求当风电场在电压跌至20%额定电压时，风电机组能够维持并网运行620ms的低电压穿越和3s内恢复正常而不解列能力。

求解一种新的直驱与双馈的配置比为K1：K2，以及风场装机总容量Q3（MW）？

这样，就可以求出风场建设的总容量Q3。为此，还须知道K1：K2=80:20的猜想是否可靠，或有一定的依据。理由如下：

（1）电压跌落至20%的由来。外部电网电压陡降80%，或风场内部风电机组瞬间解列80%Q2。

（2）直驱风电机组能在不解列的情况下完成LVRT，而双馈风电机组必须在解列情况下完成。

因此，当外部电网电压陡降80%时，风场并网容量Q2不允许解列，此时，Q2应全部由直驱风电机组承担。

而风场内部风电机组瞬间解列80%Q2的情况是不允许发生的。那么，必须有80%Q2的容量由直驱风电机组承担。

又因，20%Q2容量的双馈机型可以处于定子解列情况，在一种0－Power 控制模式下，实现了风电机组不停机穿越电网故障。

综上，本文提出的大型风电场中直驱风电机组与双馈风电机组的配置比为（80/ R1）:（20/ R1）。

4 分布式风电场内的机组配置

4.1 分布式风电场的预见

随着国家对孤岛承包的放开政策，孤岛上淡化水、制备氢气、氧气、电解海水矿物质等基本生活及化工产业也将迎来新的发展，而这些都需要充足的电力，建立孤岛风电场的可能性日益增强。

4.2 孤岛分布式风电场的配置

因孤岛分布式风电场可用光电储能及小功率的风电作为辅助电源，基本上属离网型，且容量较小，对电网的安全冲击可以忽略。

配置：主力风电机组应以抗台风的直驱兆瓦级风电机组为主，采用直流输电的方式，辅助电源可来自于光电储能及小型风电机组作为分布式电源系统的重要电源组合。

5 结语

（1）分布式风电场考虑电源供应及电网的稳定性，可以采用小型风电机组作为分布式电源系统的重要电源之一，与兆瓦级的风电机组配合发电，电能进行就地消纳及辅助并网应用。此时建议兆瓦级的风电采用变桨永磁发电机组较好；

（2）对集中式大型风电场，考虑并网安全，提出一种新型机组配置方案：直驱风电机组与双馈风电机组的配置比为（80/ R1）:（20/ R2）。风电机组故障率R需要实时监控和预测；

（3）集中式大型风电场的总容量应与当地并网电网中的传统发电容量相匹配，出于安全考虑，一般不应超过1:2。

[1] 北极星电力网新闻中心.风电场接入电力系统技术规定. [2012-02-02].http://news.bjx.com.cn/html/20120202/339034.shtml.

[2] 北极星电力网技术频道. 低电压穿越（LVRT）.[2011-06-29]. http://tech.bjx.com.cn/html/20110629/133112.shtml.

[3] 王大为,袁 炜,周伟波,等. 一种新型双馈风电机组低电压穿越技术研究[J]. 电力电子技术, 2012,46(10):42-53.

[4] 惠 晶,顾鑫. 大型风电场的集中功率控制策略研究[J]. 华东电力,2008,36(6):57-60.

[5] 姚兴佳,井艳军,邢作霞,等. 分布式风电场的规划和效益量化[C].2006年节能与可再生能源发电技术研讨会论文集, http://www.doc88.com/p-941839398298.html.

[6] 国测诺德技术部. 风力发电基础知识.[2010-1-28]. http://www.doc88.com/p-97830535992.html.

[7] 王建维. 双馈异步和永磁同步风力发电机特性分析 [J]. 自动化博览,2010, (9):28-30.

一种新型的风电场机组配置方案

黄爱武1，齐双丽2

A New Type Con fi guration Scheme of Wind Turbines

Huang Aiwu1, Qi Shuangli2
（1. Xu Ji Wind Power Technology Co., Ltd., R&d center, Xuchang, Henan 461000, China;
2. Strategic Purchasing Department of China Yituo Group Co., Ltd., Luoyang, Henan 471000, China）

Direct-drive wind turbine and doubly-fed wind turbine of 1.5MW are two main types in the 100MW wind farm built in recent years. Wind turbine con fi guration scheme has important implications for safe and stable operation of grid-connected power system.This paper presented a new con fi guration scheme based on the individual characteristics of direct-drive wind turbine and doublyfed wind turbine.

direct-drive；doubly-fed；low voltage ride through(LVRT)；available rate；con fi guration

TM614

A

1674-9219（2013）07-0054-04

2013-06-05。

黄爱武（1969-），男，高级工程师，主要从事风电机组高级过程质量控制、风电齿轮箱研发等工作。