风力发电机并网控制三种方式
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风力发电机并网控制三种方式
风力发电机的并网控制直接影响到风力发电机能否向输电网输送电能以及机组是否受到并网时冲击电流的影响。
并网控制装置有软并网，降压运行和整流逆变三种方式。
软并网装置：
异步发电机直接并网时，其冲击电流达到额定电流的6~8倍时，为了减少直接并网时产生的冲击电流及接触器
的投切频率，在风速持续低于启动风速一段时间后，风力发电才与电网解列，在此期间风力发电机处于电动机运行状态，从电网吸收有功功率。
降压运行装置：
软并网装置只在风力发电机启动时运行，而降压运行装置始终运行，控制方法也比较复杂。该装置在风速低
于风力发电机的启动风速时将风力发电机与电网切断，避免了风力发电机的电动机运行状态。
整流逆变装置：
整流逆便是一种较好的并网方式，它可以对无功功率进行控制，有利于电力系统的安全稳定运行，缺点是造
价高。随着风电场规模的不断扩大和大功率电力电子设备价格的降低，将来这种并网装置可能会得到广泛的应用。风电场接入电力系统的方案主要由风电场的最终装机容量和风电场在电网所处的位置来确定。
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风力发电机并网存在的问题 因风力发电机为异步发电机，而异步发电机在并网瞬间会产生较大的冲击电流，（约为异步发电机额定电流的4——7倍），并使大雾电压瞬间下降（对大电网影响较小），随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流，对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。过大的冲击电流，有可能使发电机与单位连接的回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅度下降，则可能会使低电压保护动作，从而导致根本不能并网。 通过晶闸管软并网： 这种方法是在异步发电机定子与电网之间，通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双向晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联，接入双向晶闸管的目的，是将发电机并网瞬间的冲击电流控制在允许的限度内。 通过控制晶闸管的导通角，将风机并网瞬间的冲击电流限制在规定的范围内（一般1.5——2倍），从而得到一个平滑的并网暂态过程。 直驱式风力发电机需考虑谐波问题 当前风机并网的方式是：当发电机转速接近同步转速时，与电网直接相连的双向可控硅在门极触发脉冲的控制下按0、15、30、45、60、75、90、120、150、180导通角逐步打开，冲击电流将并网电流限制在2倍电机额定电流以内。可控硅完全导通后，转速超过同步转速进入发电状态。旁路接触器将双向可控硅短接，风机进入稳态运行阶段。 影响风力发电机产生波动和闪变的因素有很多，随着风速的增大，风电机组产生的电压波动和闪变也不断增大。并网风机在启动、停止和发电切换过程中也产生电压波动和闪变。风电机组公共连接点短路比越大，风电机组引起的电压波动和闪变越小。另外，风电机组中的电子控制装置如设计不当，将会向电网注入谐波电流，引起电压波形发生不可接受的畸变，并可能引发有谐振带来的潜在问题。 异步电动机作为发电机运行时，没有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此，并网必然伴随一个过渡过程，流过5—6倍额定电流的冲击电流。
风力发电，是能源业又一突破，其中风力发电机功不可没。通过风力发电机工作原理图，我们可以清晰了解各种奥妙。其实，风力发电机工作原理图并不是那么难懂。下面，我们一起来对风力发电机工作原理图进行详细的剖析和解读吧! 风力发电机为一由转动盘、固定盘、风轮叶片、固定轮、立竿、集电环盘、舵杆、尾舵和逆变器组成的系统。转动盘和固定盘构成该系统的发电机，逆变器包括50赫正弦波振荡器、整形电路、低压输出电路和倒相推挽电路。 风力发电机工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。 最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。要知道，1500千瓦的风机机舱总重50多吨，叶轮30吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。 风机是有许多转动部件的，机舱在水平面旋转，随时偏航对准风向;风轮沿水平轴旋转，以便产生动力扭距。对变桨矩风机，组成风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况而变桨距。在停机时，叶片要顺桨，以便形成阻尼刹车。 早期采用液压系统用于调节叶片桨矩(同时作为阻尼、停机、刹车等状态下使用)，现在电变距系统逐步取代液压变距。 就1500千瓦风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在13米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。 现代风机的设计极限风速为60-70米/秒，也就是说在这么大的风速下风机也不会立即破坏。理论上的12级飓风，其风速范围也仅为32。7-36。9米/秒。 风机的控制系统要根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网;同时*齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机，属于无人值守独立发电系统单元。
科技信息 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ2013年第7期0引言 当今石化能源的日益匮乏，社会的发展对能源的需求不断增加。 风能作为一种清洁可再生能源越来越受到世界各国的重视。近年来风 力发电在国内外都得到了突飞猛进的发展。但由于风能的随机性和不 稳定性，在其发展的过程中也出现很多问题，其中风力发电并网难最 为突出。风电并网技术成为风力发电领域研究的重难点问题。如何将 并网瞬时冲击电流降低到最小规范值，进一步保证并网后系统电压稳 定是当今研究的重点方向。本文对并网技术问题进行相关研究，提出 并网运行方式并进行分析比较。1风力发电并网运行的分析随着风力发电的快速发展，风电场的并网已成为必然的途径。从风电问世以来，风力发电经历了独立运行方式、恒速恒频运行方式、变速恒频运行方式。当今变速恒频发电系统已成为主流，但风力发电并 网仍是热点的研究话题。 不管是哪一种发电类型，并网总是以保证电力系统稳定性为基本 原则。风力发电相比于火力发电和水力发电，由于其不稳定性需要更 精确的并网控制技术。并网运行时，需满足：（1）电压幅值与电网侧电 压幅值相等；（2）频率与电网侧频率相同；（3）电压相角差为零；(4)电压 波形及相位与电网侧的电压波形及相位保持一致。这样保证了并网时 冲击电流理想值为零。否则，若并网产生很大的瞬时冲击电流，不仅损 坏电力设备，更严重的是使电力系统发生震荡，威胁到电力系统稳定 性。 从大的方向看，风力发电系统并网分为恒速恒频风力发电机并网 和变速恒频风力发电机并网。恒速恒频并网运行方式为风力发电机的 转子转速不受风速的影响，始终保持与电网频率相同的转速运行。虽 然其结构简单、运行可靠，但是对风能的利用率不高，机械硬度高，而 且发电机输出的频率完全取决与转速，如控制不好，并网时会发生震 荡、失步，产生很大的冲击电流。所以恒速恒频系统已逐渐退出人们的 视线。随着电力电子技术的日益成熟，以变速恒频并网运行方式取而 代之。变速恒频风力发电并网系统是发电机转速随着风速的变化而变 化，系统通过电力电子变化装置，使机组输出的电能频率控制在与电 网频率一致。变速恒频并网方式减少了机组的机械应力，充分的利用 风能源，使发电效率大大提高；并网时通过精确合理地控制电力电子 变换器，使得并网更加稳定，降低系统因冲击电流过大使电网电压降 低从而破坏电力系统稳定性。2变速恒频双馈发电机并网 目前，并网型的变速恒频风力发电机组主要采用双馈发电机和永 磁同步发电机。 变速恒频双馈发电机的并网原理图如图1所示。 双馈发电机并网的工作原理为当风速变化时，发电机的转子励磁回路由双PWM 变频器控制转子励磁电流的频率，转子转速与励磁电流频率合成定子电流频率。调节励磁电流频率，使定子电流频率始终与电网频率保持一致。电机转动频率、定、转子绕组电流频率的关系式为：f 1=pn 60±f 2式中：f 1为定子电流频率，f 2为转子电流频率，n 为转子转速。双馈发电机既可以同步运行也可以异步运行，通过精确地控制双PWM 变频器，可以实行“柔性并网”，大大提高并网的成功率。一般双馈发电机 并网的结构相对复杂，大多采用多级齿轮箱双馈异步风力发电机组。 当自然风速使得风力发电机转子转速频率与电网频率相同时，风力发 电机同步运行；当风力发电机的转速小于或者大于电网频率时，风力 发电机异步运行，通过双向变频器实现发电机组转子与电网的功率交 换，保证输出频率与电网侧保持一致。在异步运行程中，不仅有励磁损 耗，而且还要从电网吸收无功功率，所以需在并网侧安装无功补偿器。图1变速恒频双馈发电机的并网原理图3直驱式永磁同步发电机并网变速恒频永磁同步发电机并网原理图如图2所示。图2变速恒频永磁同步发电机并网原理图 直驱式永磁同步发电机并网的原理为当风速改变时，发电机输出不同频率的交流电，经过不可控整流电路将交流电变成直流电，再经过DC/DC 直流斩波让直流电压幅值保持压稳定。以逆变器为核心，采用IGBT 作为开关器件构成全桥逆变电路，将整流器输出的直流电逆变成与电网侧电压相角、幅值、相位、频率相同的交流电。逆变有时会产生一定的电压谐波污染和冲击电流，这时必须有效（下转第92页）风力发电并网方式的研究 张伟亮潘敏君韦大耸陈富玲 （贺州学院机械与电子工程学院，广西贺州542800） 【摘要】通过分析风力发电系统并网方式的原理，针对风力发电并网难的问题，提出利用直驱式永磁同步发电机实现风力发电并网。直驱式永磁同步发电机并网比传统的恒速恒频并网方式更加稳定。 【关键词】风力发电；并网运行；恒速恒频；变速恒频 Study on wind Power Grid-connected Mode ZHANG Wei-liang PAN Min-jun WEI Da-song CHEN Fu-ling （School of Mechanical and Electronics Engineering,Hezhou Univ.Hezhou Guangxi,542800,China ） 【Abstract 】By analyzing the theory of grid-connected wind farms,the paper presents using direct-driven permannet magnet synchronous generator to achieve grid-connerted wind power according to the problem in wind power grid-connected difficult.Direct drive permanent magnet synchronous generator than traditional way of constant speed constant frequency grid interconnection is more stable. 【Key words 】Wind power generation ；Parallel operation ；Constant speed constant frequency ；Variable speed constant frequency ※项目基金：此文为贺州学院大学生创新项目研究成果，项目编号2013DXSCX08。 作者简介：张伟亮（1982—），男，硕士，讲师，从事电气工程及其自动化的教学及高压设备的生产研发。 潘敏君，男，贺州学院电气工程及其自动化专业在读学生 。 ○本刊重稿○4
风力发电及风电并网技术现状与展望 发表时间：2017-11-24T11:26:50.037Z 来源：《防护工程》2017年第17期作者：刘文华[导读] 如二滩送出安全稳定控制、华中—西北直流背靠背联网安全稳定控制、三峡发输电系统安全稳定控制。 陕西黄河能源有限责任公司陕西 710061 摘要：近年来,越来越多的风电场开始接入更高电压等级电网。风电的大规模接入对电网的运行带来诸多方面的影响,如电网安全稳定、风电送出、调频调峰、电能质量、备用安排、运行单位众多协调困难等问题,不仅影响到电网的安全运行,也影响到电网接纳风电的能力。通过对风电进行有效的控制,可以在现有的网架结构、电源结构、负荷特性、风电预测水平、风机制造技术水平等条件下,提高电网接纳风电的 能力,保证电网的安全稳定运行。 关键词：风电并网；控制技术；现状 1电网风电控制现状 1.1电网安全稳定控制现状安全稳定控制是提高电网输送能力,保证电网安全稳定运行的重要手段,目前在电网中已有大量的应用。如二滩送出安全稳定控制、华中—西北直流背靠背联网安全稳定控制、三峡发输电系统安全稳定控制、江苏苏北安全稳定控制等。但国内电网用于提高风电送出能力的电网安全稳定控制系统还处于探索阶段,如甘肃嘉酒电网区域稳定控制系统、承德地区风电电网安全稳定控制系统等。其实现方法都是在电网故障情况下,通过采取紧急控制措施来提高正常情况下的风电送出能力。风电场往往远离负荷中心,而这些地区的网架结构一般比较薄弱,电网送出能力有限。如甘肃酒泉千万千瓦级风电基地目前已实现风电并网5600MW左右,到2015年风电装机容量将大于12000MW,但刚投产的750kV送出通道,以及原有的330kV送出通道,由于电网安全稳定问题,送出能力不能满足需求。因此,考虑风电特性的电网安全稳定控制系统还有待进一步研究和探索。 1.2风电有功控制现状 风电发展初期,从电网角度,一般将其作为负的负荷考虑,通过采取一些手段,提高电网接纳风电能力,不考虑控制风电。随着风电的快速发展,通过其他手段,如改善负荷特性、优化开机方式、部署安全稳定控制提高风电送出能力等,提高电网接纳能力已经不能满足风电全部并网的需求,需要控制风电。 电网公司在控制风电有功时,初期采取调度员人工控制的模式,经过一段时间的运行,发现人工控制存在如下问题:a)若调度端调节不及时,将威胁电网安全。b)场站端调节速率慢,电网需要留较大的裕度保证安全。c)在电网最大允许及风电出力一定的情况下,由于风电出力的随机性、间歇性,人工控制难以根据各风电场来风情况实时优化控制,易造成分配不公,且难以保证风电出力的最大化。d)风电运行单位众多,调度员压力较大。e)各风电场看不到其他风电场的计划及出力,不利于网源和谐。因此,风电有功控制需考虑电网的约束条件,实时计算电网最大可接纳风电能力,根据接纳能力的变化以及各风电场当前出力和风电场提出的加出力申请、风电功率预测,利用各风电场风资源的时空差异优化计算各风电场的计划,并下发至各风电场,各风电场有功功率控制装置根据该计划值进行控制。 1.3风电无功控制现状 目前国内实际投产应用的无功电压控制技术和装置,主要是通过对常规电厂、变电站的调节来实现无功电压控制的,并未将风电场纳入进来进行调节控制。风电的随机性和间歇性易造成电网电压波动大,无功补偿设备投切频繁,传统电压调节控制方式已不再适用。目前国内电网对风电场接入的技术管理规范均是针对单个风电场并网点的技术指标进行考核的。一般要求首先充分利用风电机组的无功容量及其调节能力,仅靠风电机组的无功容量不能满足系统电压调节需要的,需在风电场集中加装无功补偿装置。实际运行的风电场都是根据自身并网点的考核指标进行无功电压控制来满足电网要求2风电场的控制现状 2.1风电场有功功率控制 由于风机协议的开放性差,目前风电场的有功功率控制功能模块一般部署在风机厂商提供的风电场集控系统上,对于由多种类型风机组成的风电场,其集控系统一般有多个。由于风电场的集控系统厂商众多,技术水平不一,而且风电场集控主站与风机自身的控制单元经常会出现通信异常,另外风电场的集控系统与常规电厂不同,其可靠性一般较低。即使在集控系统出现问题时,风电机组依然能够并网发电,因此单独依靠集控系统来调节风电场的有功功率,其可靠性不高,手段单一,难以满足电网控制需求。特别是紧急控制情况下,需要引入后备控制措施,所以风电场的有功控制一般采取如图1所示的模式。 图1 2.2风电场的无功电压控制 目前,风电场主要由双馈和直驱风电机组组成。从机组能力来看,双馈和直驱风电机组本身具备一定连续可调的无功功率范围。但由于国内风电机组一般采用恒功率因数控制模式,不具备机端电压调节功能,并且机组功率因数只能在停机状态下进行设定,不可在线调节,这对于保持系统的电压稳定性是非常不利的。
风力发电机原理及结构 风力发电机是一种将风能转换为电能的能量转换装置，它包括风力机和发电机两大部分。空气流动的动能作用在风力机风轮上，从而推动风轮旋转起来，将空气动力能转变成风轮旋转机械能，风轮的轮毂固定在风力发电机的机轴上，通过传动系统驱动发电机轴及转子旋转，发电机将机械能变成电能输送给负荷或电力系统，这就是风力发电的工作过程。 1、风机基本结构特征 风力机主要有风轮、传动系统、对风装置（偏航系统）、液压系统、制动系统、控制与安全系统、机舱、塔架和基础等组成。 （1）风轮 风力机区别于其他机械的主要特征就是风轮。风轮一班有2~3个叶片和轮毂所组成，其功能是将风能转换为机械能。 风力发电厂的风力机通常有2片或3片叶片，叶尖速度50~70m/s，3也片叶轮通常能够提供最佳效率，然而2叶片叶轮及降低2%~3%效率。更多的人认为3叶片从审美的角度更令人满意。3叶片叶轮上的手里更平衡，轮毂可以简单些。 1）叶片叶片是用加强玻璃塑料（GRP）、木头和木板、碳纤维强化塑料（CFRP）、钢和铝职称的。对于小型的风力发电机，如叶轮直径小于5m，选择材料通常关心的是效率而
不是重量、硬度和叶片的其他特性，通常用整块优质木材加工制成，表面涂上保护漆，其根部与轮毂相接处使用良好的金属接头并用螺栓拧紧。对于大型风机，叶片特性通常较难满足，所以对材料的选择更为重要。 目前，叶片多为玻璃纤维增强负荷材料，基体材料为聚酯树脂或环氧树脂。环氧树脂比聚酯树脂强度高，材料疲劳特性好，且收缩变形小，聚酯材料较便宜它在固化时收缩大，在叶片的连接处可能存在潜在的危险，即由于收缩变形，在金属材料与玻璃钢之间坑能产生裂纹。 2）轮毂轮毂是风轮的枢纽，也是叶片根部与主轴的连接件。所有从叶片传来的力，都通过轮毂传到传动系统，在传到风力机驱动的对象。同时轮毂也是控制叶片桨距（使叶片作俯仰转动）的所在。 轮毂承受了风力作用在叶片上的推理、扭矩、弯矩及陀螺力矩。通常安装3片叶片的水平式风力机轮毂的形式为三角形和三通形。 轮毂可以是铸造结构，也可以采用焊接结构，其材料可以是铸钢，也可以采用高强度球墨铸铁。由于高强度球墨铸铁具有不可替代性，如铸造性能好、容易铸成、减振性能好、应力集中敏感性低、成本低等，风力发电机组中大量采用高强度球墨铸铁作为轮毂的材料。 轮毂的常用形式主要有刚性轮毂和铰链式轮毂（柔性轮毂
风电并网技术标准(word版)
ICS 备案号: DL 中华人民共和国电力行业标准 P DL/Txxxx-200x 风电并网技术标准 Regulations for Wind Power Connecting to the System (征求意见稿) 200x-xx-xx发布200x-xx-xx实施中华人民共和国国家发展和改革委员会发布
DL/T —20 中华人民共和国电力行业标准 P DL/Txxxx-2QQx 风电并网技术标准 Regulations for Wind Power Connecting to the System 主编单位:中国电力工程顾问集团公司 批准部门:中华人民共和国国家能源局 批准文号:
前言 根据国家能源局文件国能电力「2009]167号《国家能源局关于委托开展风电并网技术标准编制工作的函》，编制风电并网技术标准。《风电场接入电力系统技术规定》GB/Z 19963- 2005于2005年发布实施，对接入我国电力系统的风电场提出了技术要求。该规定主要考虑了我国风电尚处于发展初期，风电机组制造产业处于起步阶段，风电在电力系统中所占的比例较小，接入比较分散的实际情况，对风电场的技术要求较低。根据我国风电发展的实际情况，各地区风电装机规模和建设进度不断加快，风电在电网中的比重不断提高，原有规定已不能适应需要。为解决大规模风电的并网问题，在风电大规模发展的情况下实现风电与电网的协调发展，特编制本标准。 本标准土要针对大规模风电场接入电网提出技术要求，由风电场技术规定、风电机组技术规定组成。 本标准由国家能源局提出并归口。 本标准主编单位:中国电力工程顾问集团公司 参编单位:中国电力科学研究院 本标准主要起草人：徐小东宋漩坤张琳郭佳李炜李冰寒韩晓琪饶建业佘晓平
第一章绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。[1] 1风力发电概述 1.1风力发电现状与展望 全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh /年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。 2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43×104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05×104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58×104亿kWh的11.9%。[2] 世界风电发展有如下特点： （1）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从600KW发展到2000～5000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量2000～2200KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化, 大大提高了效率。最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。
2风力发电机组并网运行方式分析 2.1风力发电系统的基本结构和工作原理 风力发电系统从形式上有离网型、并网型。离网型的单机容量小(约为0．1～5 kW，一般不超过10 kW)，主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行；并网型的单机容量大(可达MW级)，且由多台风电机组构成风力发电机群(风电场)集中向电网输送电能。另外，中型风力发电机组(几十kW到几百kW)可并网运行，也可与其它能源发电方式相结合(如风电一水电互补、风电一柴油机组发电联合)形成微电网。并网型风力发电的频率应保持恒等于电网频率，按其发电机运行方式可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两大类。 2.1.1恒速恒频风力发电系统 恒速恒频风力发电系统中主要采用三相同步发电机(运行于由电机极对数和频率所决定的同步转速)、鼠笼式异步发电机(SCIG)。且在定桨距并网型风电机组中，一般采用SCIG，通过定桨距失速控制的风轮使其在略高于同步转速的转速(一般在(1～1．05)n)之间稳定发电运行。如图2.1所示采用SCIG的恒速恒频风力发电系统结构示意图，由于SCIG在向电网输出有功功率的同时，需从电网吸收滞后的无功功率以建立转速为n的旋转磁场，这加重了电网无功功率的负担、导致电网功率因数下降，为此在SCIG机组与电网之间设置合适容量的并联电容器组以补偿无功。在整个运行风速范围内(3 m／s < <25 m／s),气流的速度是不断变化的，为了提高中低风速运行时的效率，定桨距风力1 发电机普遍采用三相(笼型)异步双速发电机，分别设计成4极和6极，其典型代表是NEGMICON 750 kW机组。
风 图2.1采用SCIG的恒速恒频风力发电系统 恒速恒频风力发电系统具有电机结构简单、成本低、可靠性高等优点，其主要缺点为：运行范围窄；不能充分利用风能(其风能利用系数不可能保持在最大值)；风速跃升时会导致主轴、齿轮箱和发电机等部件承受很大的机械应力。 2.1.2变速恒频风力发电系统 为了克服恒速恒频风力发电系统的缺点，20世纪90年代中期，基于变桨距技术的各种变速恒频风力发电系统开始进入市场，其主要特点为：低于额定风速时，调节发电机转矩使转速跟随风速变化，使风轮的叶尖速比保持在最佳值，维持风电机组在最大风能利用率下运行；高于额定风速时，调节桨距以限制风力机吸收的功率不超过最大值；恒频电能的获得是通过发电机与电力电子变换装置相结合实现的。目前，变速恒频风电机组主要采用绕线转子双馈异步发电机，低速同步发电机直驱型风力发电系统亦受到广泛重视。 （1）基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统 绕线转子双馈异步发电机(DFIG)的转子侧通过集电环和电刷加入交流励磁，既可输入电能也可输出电能。图2.2为基于绕线转子双馈异步发电机的变速恒频风力发电系统结构示意图，其中，DFIG的转子绕组通过可逆变换器与电网相连，通过控制转子励磁
风力发电机组并网技术 20世纪90年代，L.Xu, Bhowink, Machromoum, R.Pena等学者对双馈电机在变速恒频风力发电系统 中的应用进行了理论、仿真分析和试验研究，为双馈电机在风力发电系统中的应用打下了理论基础。同 时，电力电子技术和计算机技术的高速发展，使得采用电力电子元件(IGBT等)和脉宽调制(PWM)控制 的变流技术在双馈电机控制系统中得到了应用，这大大促进了双馈电机控制技术在风电系统中的应用。 八十年代以后，功率半导体器件发展的主要方向是高频化、大功率、低损耗和良好的可控性，并在交流 调速领域内得到广泛应用，使其控制性能可以和直流电机媲美。九十年代微机控制技术的发展，加速了 双馈电机在工业领域的应用步伐。近十年来是双馈电机最重要的发展阶段，变速恒频双馈风力发电机组 已由基本控制技术向优化控制策略方向发展。其励磁控制系统所用变流装置主要有交交变流器和交直交 变流器两种结构形式:(1)交交变流器的特点是容量大，但是输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用 功率元件数量较多。(2)采用全控电力电子器件的交直交变流器可以有效克服交交变流器的缺点，而且 易于控制策略的实现和功率双向流动，非常适用于变速恒频双馈风力发电系统的励磁控制。 为了改善发电系统的性能，国内外学者对变速恒频双馈发电机组的励磁控制策略进行了较深入的研 究，主要为基于各种定向方式的矢量控制策略和直接转矩控制策略。我国科研机构从上世纪九十年代开 始了对变速恒频双馈风力发电系统控制技术的研究，但大多数研究还仅限于实验室，只有部分研究成果 在中，在小型风力发电机的励磁控制系统中得到应用。因此，加快双馈机组的励磁控制技术的研究进度 对提高我国风电机组自主化进程具有重要意义。 除了上面提到的双馈风力发电系统励磁控制技术研究以外，变速恒频双馈风力发电系统还有许多研 究热点包括: (I)风力发电系统的软并网软解列研究 软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重要部分。一般的，当电网容量比发电机的容量大得多 的时候，可以不考虑发电机并网的冲击电流，鉴于目前并网运行的发电机组已经发展到兆瓦级水平，所 以必须要限制发电机在并网和解列时候的冲击电流，做到对电网无冲击或者冲击最小。 (2)无速度传感器技术在双馈异步风力发电系统应用的研究 近年，双馈电机的无位置以及无速度传感器控制成了风力发电领域的一个重要研究方向，在双馈异 步风力发电系统中需要知道电机转速以及位置信息，但是速度以及位置传感器的采用提高了成本并且带 来了一些不便。理论上可以通过电机的电压和电流实时计算出电机的转速，从而实现无速度传感器控制。 如果采用无传感器控就可以使发电机和逆变器之间连线消除，降低了系统成本，增强了控制系统的抗干 扰性和可靠性。 (3)电网故障状态下风力发电系统不间断运行等方面 并网型双馈风力发电机系统的定子绕组连接电网上，在运行过程中，各种原因引起的电网电压波动、 跌落甚至短路故障会影响发电机的不间断运行。电网发生突然跌落时，发电机将产生较高的瞬时电磁转 矩和电磁功率，可能造成发电机系统的机械损坏或热损坏，所以三相电网电压突然跌落时的系统持续运 行控制策略的研究是目前研究焦点问题之一。 此外，双馈风力发电系统的频率稳定以及无功极限方面也是目前研究的热点。 在大型风力发电系统运行过程中，经常需要把风力发电机组接入电力系统并列运行。发电机并网是 风力发电系统正常运行的“起点”，也是整个风力发电系统能够良好运行的前提。其主要要求是限制发 电机在并网时的瞬变电流，避免对电网造成过大的冲击，并网过程是否平稳直接关系到含风电电网的稳 定性和发电机的安全性。当电网的容量比发电机的容量大的多(大于25倍)的时候，发电机并网时的冲 击电流可以不考虑。但风力发电机组的单机容量越来越大，目前己经发展到兆瓦级水平，机组并网对电 网的冲击已经不能忽视。比较严重的后果不但会引起电网电压的大幅下降，而且还会对发电机组各部件 造成损害;而且，长时间的并网冲击，甚至还会造成电力系统的解列以及威胁其它发电机组的正常运行。
风能发电的主要形式有三种：一是独立运行；二是风力发电与其他发电方式(如柴油机发电)相结合；三是风力并网发电。由于并网发电的单机容量大、发展潜力大，故本文所指的风电， 未经特别说明，均指并网发电。 1、小型独立风力发电系统 小型独立风力发电系统一般不并网发电，只能独立使用，单台装机容量约为100瓦-5千瓦，通常不超过10千瓦。它的构成为：风力发电机＋充电器＋数字逆变器。风力发电机由机头、转体、尾翼、叶片组成。叶片用来接受风力并通过机头转为电能；尾翼使叶片始终对着来风的方向从而获得最大的风能；转体能使机头灵活地转动以实现尾翼调整方向的功能；机头的转子是永磁体，定子绕组切割磁力线产生电能。因风量不稳定，故小型风力发电机输出的是13～25V变化的交流电，须经充电器整流，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后用有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市 电，才能保证稳定使用。 2、并网风力发电系统 德国、丹麦、西班牙等国家的企业开发建立了评估风力资源的测量及计算机模拟系统，发展变桨距控制及失速控制的风力机设计理论，采用新型风力机叶片材料及叶片翼型，研制出变极、变滑差、变速恒频及低速永磁等新型发电机，开发了由微机控制的单台及多台风力发电机组成的机群的自动控制技术，从而大大提高了风力发电的效率及可靠性。在此基础上，风力发电机单机装机容量可以达到600千瓦以上。不少国家建立了众多的中型及大型风力发 电场，并实现了与大电网的对接。 现代风力发电机多为水平轴式。一部典型的现代水平轴式风力发电机包括叶片、轮毂(与叶片合称叶轮)、机舱罩、齿轮箱、发电机、塔架、基座、控制系统、制动系统、偏航系统、液压装置等。其工作原理是：当风流过叶片时，由于空气动力的效应带动叶轮转动，叶轮透过主轴连结齿轮箱，经过齿轮箱(或增速机)加速后带动发电机发电。目前也有厂商推出无齿轮箱式机组，可降低震动、噪音，提高发电效率，但成本相对较高。 风力发电机并不能将所有流经的风力能源转换成电力，理论上最高转换效率约为59%，实际上大多数的叶片转换风能效率约介于30-50%之间，经过机电设备转换成电能后的总输出效率约为20-45%。一般市场上风力发电机的启动风速约为2.5-4米/秒，于风速12-15米/秒时达到额定的输出容量。当风速更高时，风力发电机的控制机构将电力输出稳定在额定容量左右，为避免过高的风速损坏发电机，大多于风速达20-25米/秒范围内停机。一般采用旋角节制或失速节制方式来调节叶片之气动性能及叶轮的输出。依据目前的技术，3米/秒左右的风速(微风的程度)便可以进行发电。但在进行风场评估时，通常要求离地10米高 的年平均风速达到5-5.5米/秒以上。
摘要：风力发电机组在与系统并列过程中会产生电压波动和闪变，对电网的稳定性造成影响。本文分析了风力发电引起电压波动和闪变的主要原因，提出了提高风电并网稳定性的措施，并对风电场的建设和运行管理提出了建议。 关键词：风力发电；并网；电压波动；稳定性 风能作为一种可再生能源，由于技术比较成熟，可形成规模开发，近年来得到了迅速发展。我国风电装机规模不断增加，大规模风电并网对电力系统产生的影响将逐渐突出，由此带来的相关系统问题将成为风电发展的主要制约因素之一。风能资源的不确定性和风电机组本身的运行特性使风电机组的输出功率是波动的，如电压偏差、电压波动和闪变、谐波等，可能对电力系统的稳定性造成影响。大规模风电并网后，电网的电压稳定性、暂态稳定性和频率稳定性都会发生变化。 1 风电并网的主要问题 风电发展初期装机规模较小，与配电网直接相连，对电网的影响主要表现为电能质量。随着大规模风电接入输电网，系统调峰压力加大，系统稳定和运行问题突显。电能质量风电机组对电能质量的影响主要表现在高次谐波、电压闪变和电压波动上，在采用双馈变速恒频风电机组的情况下较为严重。 1.1电压波动和闪变 风力发电机组大多采用软并网方式，但在启动时仍会产生较大的冲击电流。当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。不但如此，风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机出力的波动，而其波动正好处在能够产生电压闪变的频率范围之内（低于25 hz），风机在正常运行时也会给电网带来闪变问题，影响电能质量。 风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动。电网电压的变化受风电系统有功和无功功率的影响。风电机组输出的有功功率主要依赖于风速；在无功功率方面，恒速风电机组吸收的无功功率随有功功率波动而波动，双馈电机一般采用恒功率因数控制方式，因而无功功率波动较小。并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。 1.2谐波的影响 风电给系统带来谐波的途径主要有两种：一种是风力发电机本身配备的电力电子装置，可能带来谐波问题。对于直接和电网相连的恒速风力发电机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，会产生一定的谐波，不过过程很短，发生的次数也不多，通常可以忽略。但是对于变速风力发电机则不然，变速风力发电机通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题。随着电力电子元件的不断升级进步，这一问题也在逐步得到解决。另一种是风力发电机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振。在实际运行中，曾经测量到到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。 2 提高风电并网的稳定性 2.1补偿装置的应用 2.2周边电网的建设 由于受电网调峰能力和无功电压控制的制约，一个既定的电力系统可接受的风电装机容量是有限的。值得注意的是，目前部分地区风电项目总规模（已投产、在建和已开展前期工
风电并网技术解决方案 篇一：浅谈风电并网技术及控制策略 浅谈风电并网技术及控制策略 0 引言 风能资源是清洁的可再生能源，风力发电是新能源中技术最成熟、最具规模开发条件和商业化发展前景的发电方式之一。随着电力电子技术发展和成本降低，其在控制方面和电网接入方面为风力发电的性能改善提供了一个新的解决方案。电力电子技术可以实现扇片的调速，从而可得到更多的风能，同时电力电子装置可以为风电并网系统中所出现的无功、谐波等电能质量问题提供解决方案。现将分别对定速和变速风力发电机，针对不同拓扑结构的工作原理进行比较与分析，并针对不同类型的风电系统的电能质量问题进行分析。 1 恒速恒频风电系统 恒速恒频发电机系统采用的是普通异步发电机，这种风电机组的发电机正常工作在超同步状态，转差率为负值，并且其变化范围较小，所以被称为恒速恒频风力发电机组。恒速恒频风力发电机组原理图如图1 所示。 目前，国内应用的恒速恒频发电机组，电力电子装置较少，其中也有些机组的转子回路接入电阻，用电力电子器件
控制转子电流的大小来调节转速。这种风电机组的主要缺点是：当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿轮箱和发电机等部件，产生很大的机械应力，引起这些部件的疲劳损坏；同时在正常工作时这类风电机组无法对电压稳定进行控制，不能和同步发电机一样提供电压支撑能力，因此，当电网故障时会影响系统电压的恢复和系统稳定。这也是普通异步发电机的风电机组的主要缺陷。其次，因为恒速恒频风力发电系统发出的电能是随风速波动的，若风速急剧变化，可能会引起风电机组发出的电能质量有问题，如电压闪变、无功波动等。通常在这类风电系统中采用静止无功补偿器SVC 或TSC 来进行动态无功补偿，并通过软启动方法抑制启动时的发电机电流。 2 变速恒频风电系统 随着电机变频调速技术的不断发展，采用双馈异步发电机和永磁多极同步电机的变速恒频风力发电系统得到了更加广泛的研究与应用。 变速恒频风力发电系统有下列优点： a. 根据风速的变化，风力机以不同的转速旋转，减少了对风力机等机械装 置的机械应力； b. 通过对最佳转速的跟踪，风力发电机组在可发电风速范围内均可获得最佳功率输出；
第31卷第11期2011年11月 电力自动化设备 ElectricPowerAutomationEquipment Vol．31No.11Nov.2011 光伏发电与风力发电的并网技术标准 王继东1，张小静1，杜旭浩1，李国栋2 （1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072； 2.天津电力科学研究院，天津300022） 摘要：主要比较了国内外常用的光伏发电与风力发电的并网技术标准，分别从并网方式，电压偏差、电压波动和闪变、频率、谐波、直流注入等电能质量指标，保护与控制以及风电场低电压穿越等方面进行了详细的分析。指出了国内现有标准存在的不足，在并网技术标准的制定过程中，应综合考虑并网容量以及接入电网的电压等级等因素。 关键词：新能源发电；智能电网；光伏发电；风电；并网技术；标准中图分类号：TM732；TM61 文献标识码：A 文章编号：1006－6047（2011）11－0001－07 发电的光伏发电和风力发电可参考此标准）。许多国家都有自己的DG并网技术标准：加拿大2个主要的DG互联标准为C22.2NO.257和C22.3NO.9；新西兰在2005年完成了基于逆变器的微电源标准AS4777.1、AS4777.2、AS4777.3［6］。欧美发达国家近年提出SmartGrid、IntelliGrid等概念和研究计划［1］。风力发电、光伏以及燃料电池发电等分布式可再生能源由于其本身的不稳定性，给传统配电网的电压、电能质量、继电保护等方面带来了诸多不利影响［2-3］。新能源发电并网标准是推进新能源与智能电网发展的技术基础和先决条件。本文对现有的光伏发电与风力发电并网技术标准分别进行了比较，指出了在光伏发电与风力发电并网标准中应该重点考虑的问题。 2 2.1 光伏发电并网技术标准 1光伏发电与风力发电并网标准概述 许多国家和地区都针对自己的实际情况制定了光伏发电系统并网技术标准，如美国的IEEE、NEC、UL标准等，我国光伏标准委员会及国家电网公司也制定了光伏发电系统并网标准。国际电工委员会（IEC）制定的IEC标准是被广泛接受和采用的国际标准。
并网逆变器： 是光伏发电站和并网风力发电站的核心设备。为保证发电站的稳定运行，对并网逆变器的可靠性提出了很高的要求，由于光伏和风力发电的坏境恶劣，提供的直流电源稳定性很差，这就更进一步要求并网逆变器的保护功能完善，抗各种冲击能力强。 OUYAD并网逆变器是欧亚玛公司自行研发的全单片机控制的具备全球巅峰技术的新一代智能型并网逆变器。 自投产一年以来，已大量出口到瑞典，英国，德国。（主要是1KW，2KW，3KW，5KW，15KW，25KW，60KW）到目前为止还是零故障率。 OUYAD并网逆变器具备如下特性： 1.由单片机控制，产品稳定性得到保证。 2.逆变器并网输出，跟踪电网达到毫秒级，同电网完全同步。 3.逆变器检测电网在三秒内电网正常时，逆变器才开始并网工作。保证了逆变器不会因电网频繁波动而损坏。 4.逆变器并网工作时当电网出现中断，或过高，过低时，逆变器会在≤10ms内自动锁机。 5.具备输出短路，过载等保护功能。 6.输出功率恒定。（DC电压正常时） 7.当风力发电风力不足，或光伏发电太阳能不足时，具体表现在DC电压下降，并网逆变器会随之减小输出功率。当DC过低达到逆变器DC保护点时，逆变器会自动锁机停止工作，当DC恢复时，逆变器又自动开始工作，并网输出。 8.当风力发电风力过大（如台风），或光伏发电太阳光照强度过大时，具体表现在DC过压时，逆变器会自动保护锁机。当DC恢复正常时，逆变器又自动恢复工作并网输出。 9.通讯接口：RS232，RS485，USB 接口。（可选） 10.DCtoAC高转换效率，可达90---96% 型号说明：NB-S6KW1 NB：表示并网型逆变器 S：表示光伏发电太阳能专用逆变器，W表示风力发电系统专用型逆变器。
第二章并网型风力发电机组的数学模型 风力发电机组是一个涉及多学科的复杂系统：桨叶的制造基于空气动力学；传动系统和塔架的建设涉及到机械理论和结构学；发电机实现机电能量的转换；控制器和保护系统则广泛涉及控制原理与电气相关方面知识。本课题中，我们着重于风电场与电力系统相互影响问题的研究，与之密切相关的环节，其数学模型将详细地描述[12]。 2.1并网型风力发电机组发电原理 风力发电机组通常亦被称为风能转换系统。典型的并网型风力发电机组主要包括起支撑作用的塔架、风能的吸收和转换装置—风轮机（叶片、轮毂及其控制器）、起连接作用的传动机构—传动轴、齿轮箱、能量转换装置—发电机以及其它风机运行控制系统—偏航系统和制动系统等。风力发电过程是：自然风吹转叶轮，带动轮毂转动，将风能转变为机械能，然 后通过传动机构将机械能送至发电机转子，带动着转子旋转发电，实现由向电能的转换，最后风电场将电能通过区域变电站注入电网。其能量转换过程是：风能→机械能→电能。[13] 2.2并网型风力发电机组分类 就目前应用范围来讲，风力发电机组一般按调节方式和运行方式可以分为恒速恒频、变速恒频两种类型。[13]恒速恒频风电机组额定转速附近运行，滑差变化范围较小，从而发电 机输出频率变化也较小，所以称为恒速恒频风力发电机组。 恒速恒频风机包括定桨距和变桨距两种类型。定桨距风机技术是丹麦风电技术的核心。它主要利用桨叶翼形的失速特性，在高于额定风速时，达到失速条件后，桨叶表面产生涡流，效率降低，达到限制功率的目的。定桨距机型优点是调节和控制简单。缺点在于对叶片、轮毂、塔架等主要部件受力增大，而且风力超过额定风速后风机出力反而下降。变桨距风机在风速高于额定风速时，通过调节桨距角的变化，减少吸收的风能，从而使风电机输出的有功保持稳定，这体现了变桨距风机的优势。但变桨距风机也有缺点：制造成本高，结构复杂，不象定桨距风机那样易于维护。[14]恒速恒频风电机组运行中会从电网中吸收无功电流建立磁场，导致电网功率因数变差，因此，一般在风机出口处装设可投切的并联电容器组提供非连续可变的无功补偿，采用可控硅软并网技术将起动电流限制在额定电流的1.2~1.5倍之内以防止并网失败，还采用气动刹车技术、偏航和自动解缆等技术解决风力发电机组并网运行的可靠性问题。近年来，大规模电力电子技术日趋成熟，变速恒频风力发电机组也成为风力电设备的主要选择方向之一。变速恒频机组可以实现转子机械角速度和电网频率的解耦，主要有两种类型，即直接驱动的同步发电机和双馈感应发电机。