异步风力发电机组软并网控制

摘 要：针对大型异步风力发电机组，从并网原理以及控制技术方面对风力发电机组软并网控制进行了分析。完成了对软并网系统的软硬件设计。系统由反并联晶闸管、控制电路以及保护电路三部分组成，采用DSP中央处理器与ARM上位机。最后，运用了Matlab仿真平台对异步风力发电机组软并网进行模拟仿真。仿真实验结果表明，文中提出的晶闸管软并网系统能够实现对并网冲击电流的有效抑制，使异步风力发电机组平稳并网，具有一定程度的实际指导意义。

关键词：异步发电机；软并网；晶闸管；模拟仿真

目前，全国大部分大中型风力发电机组很多都采取异步发电机。相比于同步发电机，异步发电机不仅有着简单的控制装备，对于在并网时也没有任何严格的频率以及相角的要求，易于稳定并网，不易产生振荡和失步。但是异步发电机采取直接并网时，冲击电流会高达电机额定电流的5至7倍，会严重损坏电网、发电机以及叶轮等设备，甚至可能对其他联网机组的正常运行造成影响，引起电力系统的瘫痪。所以，采用合适的并网方式降低并网冲击电流显得非常重要。迄今为止，世界上主要有直接并网法、降压并网法、准同期并网法以及可控硅软并网等几种异步风力发电机并网方式。其中，直接并网方法操作简单，但对电网伤害较大，会引起电力系统电压瞬时降低，一般只在异步发电机容量在百千瓦级以下时使用。降压并网方法需增置大功率电阻或电抗组件，投资随容量的增大而增大，经济性较差。准同期并网方法需增置高精度的调速器和整步、同期设备，经济性较差，且并网消耗时间过长。而可控硅软并网方法很大程度的降低了机组并网时的损耗，因为该方法会得到一个不会出现冲击电流的平稳并网过程，提高风电机组的使用时长和可靠性，是目前应用较为广泛的风电并网方式之一。

1 异步风力发电机软并网原理

在风力发电机直接并网时靠近同步速时，异步发电机可能会经历一点瞬态过渡过程，过程中会产生瞬态冲击电流，与其值大小有关系的参数包括：发电机参数、并网转速、发电机磁通饱和水平以及并网瞬间电压相位角等。直接并网时所也会产生一个过渡过程电流，电流值为：

电机并入电网的时候，定子绕组中所产生的稳态交流分量i0sin（？棕t+？琢）开始产生，产生的电磁力使动转子开始旋转。当电机在靠近同步转速并网的时候，i0约等于电机空载时的电流。并入电网的瞬间，定子绕组磁链会保持原来的零状态，依据磁链守恒原理，因为转子的短路绕组中所产生了衰减的直流分量，导致产生了磁场将切割定子绕组，并且产生了衰减的暂态交流分量 。暂态交流分量ia与电抗成反比，与电压成正比。此时，并入电网的一瞬间，定子绕组产生的衰减直流分量 ，用来控制电网中电压所产生的磁通，id与电机并网的瞬间定子气隙磁势波形和气隙均匀度有关，与电网电压和暂态电抗成正、反比，另外异步发电机的并网瞬态冲击电流的峰值还与并网瞬间的电网电压相位角相关，在相位角至为？兹=？渍±？仔/2时，冲击电流达到最大，？兹=？渍冲击电流值最小。

2 软并网控制系统软硬件设计

在文章中，三对反并联晶闸管及其保护电路构成了异步风电机组软并网控制系统的主电路。当电机转速与同步转速接近时，双向晶闸管逐渐导通，因为发电机的接触器闭合的瞬间触发脉冲控制了双向晶闸管。在次同步转速阶段，即晶闸管在开始导通的起始时刻，在电网与叶轮的共同拖动下电机处于电动运行状态，此刻电机转速立刻增加，其滑差值趋于零的速度渐渐变快。当以达到零值，晶闸管将会完全导通，并入电网后冲击电流将会缩小在不大的范围之内，从而得到一个相对平滑的并网过程。一旦发电机开始输出功率，双向晶闸管将会主动关闭触发脉冲，发电机所输出的电流不再经双向晶闸管，而通过已闭合的自动开关触点流向电网。至此，并网控制结束，风机进入发电运行控制阶段。

控制系统采用属于CPU系统的DSP，系统内所有的启动、停止以及并网方式都要受到ARM的控制，并网时的命令主要由主控制器下达。上位机ARM选用的是因特尔公司的Pxa270，CPU选用TI公司的TMS320F2812芯片。由三组反向并联的晶闸管构成软并网部分，而电机定子端的交流电压是由晶闸管的开启逻辑来控制。

软并网过程中程序流程可以简要作如下阐述：系统自检初始化，而后采集电网的电压与频率决定是否并网。若是，闭合并网接触器以及电机侧接触器，设定初始角与移动步长，启动定时器并确认晶闸管是否导通。若是，则报告ARM并网成功。

3 异步电机并网仿真

文章运用Matlab 2010a对该软并网控制系统进行仿真。其中，发电机额定电压690V，额定电流683A，定子频率50Hz，额定功率750kW，额定转速1518r/min，级数为四级。当风速达到15m/s时，异步风力发电机的平均速度可达约1475r/min。此时进行并网，则瞬时电流峰值可达4800A；采用晶闸管软并网系统所控制，并网时的最大电流低于800A，经过0.5s后，电流恢复稳定。这样便将并网冲击电流有效地限制在额定值的1.5倍左右，上下幅度不超过17%，满足预期的并网要求。

Matlab平台上的软并网控制系统仿真结果还表明：自并网开始到电机达到同步转速的过程中，晶闸管导通速度过快或者晶闸管导通角的增大都可能会产生较大的冲击电流。因而，在此过程中应控制好导通角步长及持续时间。此外，为了有效的对软并网持续时长进行控制，在电机自身转速与并网同步转速值较为接近时，应该令晶闸管处于完全导通的状态，以便电机自身转速与同步转速同步，保持并网电流稳定。

4 结束语

文章针对大型异步风力发电机组，从并网原理以及控制技术方面对风力发电机组软并网控制进行了分析。提出了一种采用电流闭环控制的风力异步发电机的软并网控制系统。仿真结果表明，该方法可使电机并网瞬时电流稳定在额定电流的1.5倍左右，且系统具有较好的稳定性，满足并网要求。

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作者简介：周冉冉（1984-），男，河北唐山，硕士研究生毕业，国网冀北电力有限公司检修分公司，从事电网运检技术、新能源技术研究。