风力发电机组并网方式分析

电力科技 浅谈风力发电并网技术及电能控制蔡锐锋（广东能源集团湛江风力发电有限公司，广东 湛江 524043）摘要：随着社会经济的发展，对于能源资源的需求量获得快速增长。

电力资源是社会发展的物质基础，发电路径成为现代电力企业研究的重点内容。

风力资源作为洁净且可再生资源，发电时具有很强的灵活性，所以在进行监管的时候面临着很大的难度。

本文主要探究在当前能源资源供给量下降的背景下，如何提升风力发电并网技术的应用以及控制电能质量。

通过分析风力发电并网技术的基本含义，明确技术发展要点，归纳风力发电并网技术的发展趋势，概述控制发电质量的措施，实现风力发电并网技术的发展与电能控制水平提升。

关键词：风力发电；并网技术；电能控制；措施风能作为一种可再生能源资源，是十分清洁的，当前我国风力发电技术是所有新能源开发技术中最为成熟的一种，并且已经初具规模，成为现代电力资源开发与存储的重要保障。

电力电子技术的快速发展以及成本降低，使得改善风力发电性能时可以组合运用电网接入和电能控制。

风力发电并网技术是未来发展的主流趋势，强化对风力发电并网技术的研究能够为后期的风力发电发展奠定坚实的技术基础。

1 风力发电并网技术分析1.1 同步风力发电机组并网技术从同步风力发电机组并网技术的本质分析，是有机组合同步发电机与风力发电机而成的。

当同步发电机在运行的时候，不仅可以高效率的将有功功率输出，还可以为发电机组提供充足的无功功率，实现周波稳定性增强，从而为显著优化与提升电能质量奠定基础。

通过上述分析可以了解，我国在风力发电以及电力系统建设中，选择与应用同步发电机是常态。

但是如何将同步发电机与风力发电机相结合，是当前学术界和电力企业以及科研人员研究的重点。

在大多数情况下，风速所形成的波动是尤为显著的，风速波动能够导致转子转矩产生波动且幅度大，难以满足发电机组并网调速对于精准度所提出的要求。

若是没有充分考虑融合同步发电机与风力发电机之后的问题，当发生荷载增大问题的时候，将会造成电力系统出现无功振荡和失步现象。

风力发电的并网接入及传输方式摘要：在环境保护之中，风力发电是其中节约资源最为有效地方式，虽然现今一直处在低谷的时期，但是未来的发展前景十分广阔，风力发电技术也在逐渐的趋于成熟，世界装机容量以及发电量也在逐渐的加大，日后在发电市场也逐渐的会占有更大的比例。

本文主要就是针对风力发电的并网接入及传输方式来进行分析。

关键词：风力发电；并网接入；传输方式1、我国风力发电及并网发展情况相关的数据充分的表明，2010年的中国风电累积装机容量达到了4182.7万KW，在超过了美国之后，已经跃居成为世界第一装机大国。

但与此同时，风电的发电量只有500亿千瓦的时候，依据要比美国低，并网容量也只有吊装容量的三成左右，要比国际水平低出很多，这在很大程度之上严重的影响到了效益水平与风电效率的提高。

中国的风电行业的风电行业的发展速度也是十分的迅猛，基本上是用到了5年的时间最终才实现了欧美发达国家将近30年的发展进程，在产业逐渐进步市场规模快速发展的同时，其面临的问题与挑战也逐渐的凸显出来。

首先是中国风电装备的质量水平，其中包括了发电能力以及设备完好率等等均有待提高，其次就是吊装容量和并网容量之间的差别，和国际先进水平相比之下，还存在着较大差别。

怎么从装机大国转变成为风电的利用大国，也就成为了我国目前面临的最大问题。

2、风电机组及其并网接入系统2.1、同步发电机在该结构之中，允许同步发电机以可变的速度运行，可以产生频率与可变电压的功率。

以此来作为在并网发电的系统之中广泛应用的同步发电机，在运行的时候，不仅仅可以输出有功功率，而且还可以提供无功功率，且频率也是十分的稳定。

对于由风力机驱动的同步发电机和电网并联运行的时候，就随机可以采用自动准同步并网以及自同步并网的方式。

因为风电的电压、频率的不稳定性，一般就会使得应用前者并网相对比较困难；然而对于后者来说，因为并网的装置比较简单，最为常见的结构就是通过AC—DC—AC的整流逆变方式与系统进行并网，其原理结构如图1所示。

风力发电并网系统的控制和优化策略分析摘要：风力发电是一种非常持续环保的新能源创造方式，在生产的过程中不需要使用到任何燃料，也不会对环境产生任何污染。

风力发电并网系统是风力发电管理的基础，本文主要对风力发电并网系统的控制和优化策略进行研究分析，并提出了一些优化策略。

关键词：风力发电；并网系统；控制优化引言：当前我国大力倡导绿色保护环保的理念，在这样的社会背景下，新能源的开发与充分应用更是成为社会关注的重点话题。

作为新能源的一类重要分支，如何有效开发并充分应用风力发电资源便也成为了一个重点关注问题。

并网系统是提高风力发电运行质量的有效措施，在构建或优化并网系统时，则需要基于风力发电的基本要求和运行原理来进行控制优化。

一、风力发电概述空旷的平原和海洋上往往有着丰富的风能，在进行风能开发时，环境中存在的强大气流会以特定的速率推动风轮的转动，在涡轮中增加风速，从而在力矩作用下，发电机中的导线在磁场的作用下产生感应电动势，外部闭合回路会在导线中生成电流，从而将风能转化为电力。

按照现在的风力发电技术，当风力达到每秒3公里时，就能产生电力。

风车是一种集风设备，一般有三个桨叶，其主要功能是将风力转化为转动的机械能，辅助以偏航装置、发电机组、塔架、限速安全装置及能量储存所等装置共同组成风力发电系统。

风盘后方的转向盘又称为尾舵，其作用是通过调节风车的风向来实现风向的变化，从而获得最大的风力。

限速器的功能是通过控制风车的速度，在给定的速度区间内保持相对的稳定性，从而确保风机的高速运转。

塔台是设备的载体和风车的支承装置。

由于天然的风速具有高度的非平稳特性，且具有较大的随机和间断特性，使得风力发电机组的发电效率非常不稳定，峰值和最低点相差很大，因此，风力发电机组的电力不能直接用在电负载上，必须用铅酸电池进行储能。

由于风力发电系统具有非平稳特性，加之其工作特性，导致其输出功率的不稳定，对电力系统的供电品质产生了不利的影响。

目前，风力发电机组一般采用“软并网”模式，但在起动过程中，依然存在着较大的脉冲电流。

第二章风力发电机组并网方式分析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。

直驱式永磁同步风力发电机组并网与保护一、并网条件和方式1.并网条件永磁同步风力发电机组并联到电网时，为了防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致，满足的条件：①波形相同；②幅值相同；③频率相同；④相序相同；⑤相位相同。

并网时因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相互相对应，条件④就可以满足；而条件①可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时主要完成其他3个条件的检测和控制，其中频率相同必须满足。

2.并网方式（1）自动准同步并网。

满足上述理想并联条件的并网方式称为准同步并网，在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击。

永磁同步风力发电机组的起动与并网过程如下：当发电机在风力机带动下的转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过调节励磁电流使发电机输出的端电压与电网电压相近。

在风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同，并且断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。

永磁同步风力发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。

以上的检测与控制过程一般通过微机实现。

（2）自同步并网。

自动准同步并网的优点是合闸时没有明显的电流冲击，缺点是控制与操作复杂、费时。

当电网出现故障而要求迅速将备用发电机投入时，由于电网电压和频率出现不稳定，自动准同步法很难操作，往往采用自同步法实现并网运行。

自同步并网的方法是，同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，发电机中无励磁磁场，用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定子、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。

由于发电机并网时转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电动势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。

风力发电机组并网技术风力发电机组并网技术20世纪90年代，L.某u,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。

风力发电并网控制系统分析摘要：风电工程在我国逐渐兴起，以其清洁、可持续等特性颇受人们青睐。

但风力发电易受环境影响而产生波动，由此带来的风电并网问题也必需得到重视。

本文介绍了一种普适性的发电并网控制系统，提供了一种以微网技术为基础的并网控制策略和方式，从环保性与经济性的角度分析了该风电系统的应用范围，并揭示了风电并网控制领域未来的研究方向。

0 引言以风电为主的新能源发电系统在我国已投入使用，且近年来风电场的数量在不断增加。

中国新能源装机比重逐年上升，截至2013年底，全国风电并网容量为77.16GW，2013年全国风电和光伏发电量达140TW·h，相当于一个中等发达省份的用电量。

根据国家可再生能源发展规划，到2020年全国风电装机容量将达到200GW，届时中国的能源结构将发生重大改变，因此必须提前开展相关研究以支撑新能源的大规模发展。

风电等新能源发电受所处环境影响较大，故其所发电力幅值、频率及相位等特征的变化较传统发电系统更大。

当新能源并网的发电量较小时，这种不稳定性对整个电网带来的影响较小，并网时产生的波动可看作负荷预测误差；但当新能源并网的发电量达到一定程度时，其将对整个电网产生影响，如：增大电网调峰、调频的压力；增加电网运行方式安排以及备用容量配置的难度；影响电网的供电质量；影响系统安全稳定性。

此时，基于传统发电的确定性调度管理方式已不再适用，且目前新能源发电调度受政策影响较大，故需针对新能源运行特点及政策要求，运用的调度技术支持手段，建立新的并网控制系统，使电网运行能充分适应大规模新能源发电的特性，提高电力系统新能源利用率。

[1]1 新能源发电并网控制系统框图分析图1 新能源发电并网控制系统框图如上图所示，新能源发电并网系统的控制分为电网和新能源场站两个部分。

电网部分将新能源场站作为一个整体进行管理；而场站部分以整体形式参与电网调度，对场内风电机组及其他设备进行局部管理，通过两方面协调配合以支撑新能源调度。

风力发电故障分析及并网技术——故障分析：谢吉堂并网技术：金崇伟1 风力发电背景风能是一种干净清洁的、储量及其丰富的可再生能源，它和其他存在自然界的矿物燃料能源如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化利用而减少，因而也可以说风能是一种取之不尽、用之不竭的新能源；而煤、石油、天然气等矿物燃料能源，其储量随着利用时间的增长而日益减少枯竭。

矿物燃料在利用的过程中会带来严总的环境污染问题，如空气中CO2、SO2、NO、CO等气体的排放增多导致了温室效应、酸雨等问题产生。

从上个世纪七十年代，世界各个国家对环境保护、能源危机、节能技术等的关注，认为大规模风力发电是减少空气污染、减少有害气体的排放量的有效措施之一。

德国、丹麦、荷兰、瑞典、印度、加拿大等国大力发展风力发电技术，并且取得了显著成绩。

2013年全球风电装机新增35467MW，截止到2013年底，全球风电累计装机容量达到318137MW。

中国风能储量大，分布广，而且开发利用潜力巨大。

全国平均风功率密度为100W/m2，风能资源总储量约32.26亿kW，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿kW，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿kW，共计约10亿kW。

在“九五”期间，我国的风力发电有了快速发展。

到2012年底，我国已在14个省份建立了风电场，累计装机达到75324MW，占世界装机容量的1/4。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。

风力发电技术是一种利用风能驱动风机桨叶，进而带动发电机组发电的能源技术。

由于风能清洁、无污染、可再生的特点，世界各国大力发展风电技术，风电正不断超越其预期的发展速度而发展，并一直保持着世界增长最快能源地位。

2 风力发电故障分析的意义风电对于缓解能源供应、改善能源结结构、保护环境等方面意义重大。

这些年，风电机组在我国得到了广泛的安装使用。

由于风力发电机组通常处于野外，环境条件恶劣，容易出现故障，维修起来耗费大量人力物力，对风机的可靠性越来越高。