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風電機組并網問題研究

文檔作者：黃守道孫延昭黃科元文檔來源：湖南大學電氣與信息工程學院		點擊數：	更新時間： 2021年01月01日
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第23卷第2期
2008年6月
電力科學與技術學報
JOURNAL OF ELECTRIC POW ER SCIENCE AND TECHNOLOGY
V01．23 No．2
Jun．2008
風電機組并網問題研究
黃守道，孫延昭，黃科元
(湖南大學電氣與信息工程學院，湖南長沙410012)
摘 要：針對不同的風力發(fā)電機采用不同的并網技術進行討論和研究，對并網型風電機組對電網產生的影響進行
分析，提出相應的對策和解決辦法．
關鍵詞：風能；并網；電壓波動；閃變
中圖分類號：TM 315；TM 614 文獻標識碼：A 文章編號：1673—9140(2008)02-0013-06
Review on cutting—in strategies of wind power
HUANG Shou—dao，SUN Yan—zhao，HUANG Ke—yuan
(College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha 410012，China)
Abstract：This paper made some discussions and researches on different kinds of cutting—in strategies
which used in diferent kinds of wind power generators，analyzed the influence of grid caused by the grid—
connected wind power，and proposed the corresponding strategies and resolutions．
Key words：wind power；cutting—in；voltage fluctuation；flicker
隨著全球化能源危機日益嚴重，資源短缺和環(huán)
境惡化，使得世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生、
無污染的能源．風能作為一種綠色能源有著改善能
源結構、經濟環(huán)保等方面的優(yōu)勢，是未來能源發(fā)展的
一個趨勢．
近年來，風力發(fā)電在技術上日趨成熟，商業(yè)化應
用不斷提高，同時，風力發(fā)電的成本也在不斷降低，
這為充分利用風能提供了諸多有利條件．大規(guī)模風
力發(fā)電必須要實現并網運行，然而，隨著風電場的容
量越來越大，對電網的影響也越來越明顯，研究風力
發(fā)電并網對系統(tǒng)的影響已成為重要課題．一般風力
資源豐富的地區(qū)往往人口稀少，處于供電網絡的末
端，承受沖擊的能力較弱，并網風電機組在持續(xù)運行
和切換操作過程中都會產生電壓波動和閃變，給當
地電網的電能質量及穩(wěn)定性造成不良影響．因此，風
電機組的并網問題正逐漸成為新的研究熱點，引起
人們的廣泛關注．本文對發(fā)電機的并網控制以及風
電機組對電網的影響等問題進行了討論．
收稿日期：2008-05-28
基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)(754202004)
作者簡介：黃守道(1962一)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事風力發(fā)電技術研究
通訊作者：黃守道，男，教授，博士生導師；E—mail：shoudaohuang@tom．con
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14 電 力 科 學 與 技’術 學 報 2008年6月
1 風電機組的并網
1．1 恒速恒頻發(fā)電機的并網
早期的風力發(fā)電系統(tǒng)中，大多采用恒速恒頻發(fā)
電機組，對于恒速恒頻發(fā)電機組的并網，根據發(fā)電機
種類不同，采用不同的并網方法．
1)同步發(fā)電機的并網運行．
由于同步發(fā)電機本身固有的特性，將其移植到
風電機組中使用時，效果不甚理想，這是由于風速隨
機變化，作用在轉子上的轉矩很不穩(wěn)定，使得并網時
其調速性能很難達到期望的精度，若不進行有效地
控制，常會發(fā)生嚴重的無功振蕩和失步，對系統(tǒng)造成
嚴重影響 j．同步發(fā)電機的并網控制如下：當風速
超過切入風速時，啟動風電機組，當發(fā)電機被帶到接
近同步速時，啟動勵磁調節(jié)器，給發(fā)電機勵磁，使發(fā)
電機的端電壓接近電網電壓．在幾乎達到同步速時，
檢測出斷路器兩側電位差，當其為零或非常小時，合
閘并網，此時只要接近同步轉速，就可使并網瞬態(tài)電
流減至最小，因而發(fā)電機組和電網受到的沖擊也最
?。箫L力發(fā)電機組調節(jié)器調節(jié)轉速，使發(fā)電機
頻率偏差達到容許值時方可并網，因此對調節(jié)器的
要求較高．
2)異步發(fā)電機的并網運行．
異步發(fā)電機運行時，靠轉差率來調整負荷，對機
組調速要求不高，可直接并網，也可通過晶閘管調壓
裝置與電網相連接，然而，異步發(fā)電機并網存在一些
特殊的問題，如直接并網會產生過大沖擊電流，造成
電壓大幅度下降，會對系統(tǒng)安全構成威脅；本身不發(fā)
無功功率，需要無功補償；當輸出功率超出其最大轉
矩所對應的功率會引起網上飛車等等．因此運行時
必須嚴格監(jiān)視并采取相應的有效措施才能保障風力
發(fā)電機組的安全運行．
目前國內外采用異步發(fā)電機的風電機組并網方
式主要有以下幾種：
① 直接并網方式，采用這種方式時只要發(fā)電機
轉速接近同步轉速時即可并網．
② 準同期并網方式，在轉速接近同步速時，先
用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已建立的發(fā)電機
電壓和頻率進行調節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步，當發(fā)
電機的電壓，頻率，相位與系統(tǒng)一致時，將發(fā)電機投
入電網運行．
③ 降壓并網方式，為了抑制并網時的沖擊電
流，可在異步電機與電網之間串接電感器，使系統(tǒng)電
壓不致下跌過大，并網后穩(wěn)定運行時，再將其短接．
對于較大型的風力發(fā)電機組，目前比較先進的
并網方法是采用雙向晶閘管控制的軟切入法．當發(fā)
電機達到同步速附近時，發(fā)電機輸出端的短路器閉
合，發(fā)電機組通過雙向晶閘管與電網相連，雙向晶閘
管觸發(fā)角由180。一0o逐漸打開，雙向晶閘管的導通
角由0o一180。通過電流反饋對雙向晶閘管導通角
控制，將并網時的沖擊電流限定在額定電流1．5倍
以內，從而得到一個比較平滑的并網過程．瞬態(tài)過程
結束后，微處理機發(fā)出信號，利用一組開關將雙向晶
閘管短接，完成并網過程(圖1)．
風
電網
圖1 感應發(fā)電機軟并網框圖
Figure 1 Diagram of induction generator soft cut—in
1．2 變速恒頻發(fā)電機組的并網
隨著風力發(fā)電技術的發(fā)展，變速恒頻發(fā)電機組
已成為大型并網風力發(fā)電機組的主流機型．相對于
恒速恒頻發(fā)電機組，變速恒頻發(fā)電機組最為重要的
一個優(yōu)勢就是能在很寬的風速范圍內保持最佳葉尖
速比，從而使風能利用系數c 保持最大值不變，以
捕獲最大風能，提高發(fā)電機組的效率．
1)雙饋發(fā)電機系統(tǒng)的并網．
交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電方案是通過
在雙饋電機轉子側施加三相交流電進行勵磁，調節(jié)
勵磁電流幅值，頻率和相位，以實現定子側恒頻恒壓
輸出(圖2)．
在雙饋風電系統(tǒng)中，發(fā)電機與網側是柔性連接
關系，可通過調節(jié)轉子勵磁電流實現軟并網，避免并
網時發(fā)生的電流沖擊和過大的電壓波動．
目前，變速恒頻風力發(fā)電機組的并網方式主要
有空載并網，帶獨立負載并網，孤島并網 ．
空載并網方式并網前發(fā)電機不帶負載，不參與
能量和轉速的控制．為了防止在并網前發(fā)電機的能
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第23卷第2期 黃守道，等：風電機組并網問題研究 15
量失衡而引起的轉速失控，應由原動機來控制發(fā)電
機組的轉速．文獻[3]介紹了雙饋電機空載并網控
制，將矢量變換技術移植到發(fā)電機并網控制上，提出
了一種基于定子磁鏈定向方式的空載并網控制策
略．圖3給出了該種控制策略的控制框圖．
風
電網
圖2 交流勵磁雙饋發(fā)電機變速恒頻發(fā)電框圖
Figure 2 Diagram of the DFIG wind
power generation s~tem
圈3 變速恒頻發(fā)電機空載并網控制框圖
Figure 3 Control of VSCF generator cut--in with no--load
帶獨立負載并網方式并網前接有負載，發(fā)電機
參與原動機的能量控制，表現在一方面改變發(fā)電機
的負載、調節(jié)發(fā)電機的能量輸出，另一方面在負載一
定的情況下，改變發(fā)電機轉速的同時，改變能量在電
機內部的分配關系．前一種作用實現了發(fā)電機能量
的粗調，后一種實現了發(fā)電機能量的細調．帶獨立負
載并網方式，發(fā)電機具有一定的能量調節(jié)作用，可與
原動機配合實現轉速的控制，降低了對原動機調速
能力的要求，但控制復雜，需要進行電壓補償和檢測
更多的電壓、電流量．
孤島并網方式工作過程如下：首先進行預充電
過程，當風機啟動后，而且發(fā)電機轉速達到勵磁范圍
時(可定為50％)開始勵磁．電網從預充電變壓器經
直流整流器向雙PWM變流器的直流母線電容充
電，用以激勵整個系統(tǒng)．控制器通過控制電機側的逆
變器使雙饋電機定子發(fā)電電壓達到額定值．當定子
電壓達到額定值時，發(fā)電機定子輸出和轉子輸入與
雙PWM逆變器分別連接，形成一個獨立能量環(huán)路
通道，控制器通過網側逆變器將直流母線電壓調節(jié)
到額定值．當發(fā)電機轉速達到并網轉速，控制系統(tǒng)將
調節(jié)發(fā)電機電壓與電網電壓同步，實現同步后，并網
發(fā)電．
文獻[4]詳細介紹了孤島并網方式的工作思路
和原理，并分別給出了電機側變流器和網側變流器
的具體控制方案．
2)同步發(fā)電機交一直一交系統(tǒng)并網．
由于風速的隨機性，輸入到發(fā)電機的能量也在
不斷地變化，然而，同步發(fā)電機的轉速和電網頻率之
間是剛性耦合的，不可直接并網．現在一般采取的方
法是在同步發(fā)電機和電網之間采用交一直一交變頻
系統(tǒng)，使得這一問題得到解決，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點：
① 由于采用交一直一交變頻系統(tǒng)，使發(fā)電機組
工作頻率與電網頻率相互獨立，因此不必擔心并網
時可能出現的失步問題．發(fā)電機可以運行在不同轉
速下，最大限度地捕捉風能．
② 采用變頻裝置進行輸出控制，并網時沒有電
流沖擊，對系統(tǒng)幾乎沒有影響．
目前在變速恒頻發(fā)電領域中，直驅永磁同步發(fā)
電機組較受歡迎 (圖4)．永磁同步電機結構簡單，
沒有勵磁繞組，節(jié)省了電機的用銅量，無電刷，無滑
環(huán)，消除了轉子損耗，運行可靠．直驅永磁同步發(fā)電
機與風力機直接耦合，省去了變速箱，提高可靠性，
減少系統(tǒng)噪聲，降低了維護成本．是未來風電機組發(fā)
展的一個重要方向．
3)輕型直流輸電技術(HVDC Light)在風力發(fā)
風
圖4 采用交一直一交變頻系統(tǒng)的
直驅永磁同步發(fā)電系統(tǒng)框圖
Figure 4 Diagram of direct—drive permanent magnet
synchronous generation system using AC—DC—AC converter
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l6 電 力 科 學 與 技 術 學 報 2008年6月
電系統(tǒng)中的應用．
輕型直流輸電(HVDC Light)技術是在電壓源
換流器(VSC)技術和全控型功率器件(GTO、IGBT、
IGCT等)基礎上發(fā)展起來的一種直流輸電新技
術 ，7_，與傳統(tǒng)直流輸電比較，具有采用無源逆變工
作方式，克服了傳統(tǒng)直流輸電受端必須是有源網絡
的根本缺陷；可以實現有功和無功的獨立控制，控制
靈活方便；不需要交流側無功功率，能夠實現靜止無
功補償功能；交流側電流可控，不會增加系統(tǒng)短路容
量；通過采用PWM控制技術，有效減少了濾波裝置
容量；易于構成與交流系統(tǒng)相同拓撲結構的多端直
流系統(tǒng)，運行方式靈活多變等特點，是實現風電場
(尤其是海上風電場)與電網或用戶連接的理想輸
電方式．
輕型直流輸電作為一種經濟、靈活、高質量的輸
電方式，已用于國外許多直流輸電工程中，并產生了
良好的輸電及環(huán)保效益 J．如在瑞典建成的歷史上
第1個實驗性HVDC Light工程一赫爾斯揚
(Hellsjon)試驗工程，瑞典的果蘭特(Gotland)工程，
以及在丹麥、澳大利亞和美國建起的示范性工程．基
于目前HVDC Light技術的不斷成熟，以及風電的遠
距離傳輸的要求，將HVDC Light應用于風電的運送
傳輸中具有很好的前景．
2 風電并網對電網的影響
隨著越來越多的風電機組并網運行，風力發(fā)電
對電網的影響也越來越受到人們的廣泛關注．風力
發(fā)電原動力是不可控的，它的出力大小決定于風速
的狀況．從電網的角度看，并網運行的風電機組相當
于一個具有隨機性的擾動源，會對電網電能質量和
穩(wěn)定性等方面造成影響．
2．1 對電能質量的影響
風資源的不確定性和風電機組本身的運行特性
使風電機組的輸出功率是波動的，會影響電網的電
能質量，如電壓波動和閃變，諧波污染等問題 ]．
1)電壓波動和閃變．
電壓波動和閃變是風力發(fā)電機組對電網電能質
量的主要負面影響之一．并網風電機組在持續(xù)運行
和切換操作過程中都會產生電壓波動和閃變 J．文
獻[10]給出了風電機組在持續(xù)運行和切換操作期
間引起的閃變值和相對電壓變動的計算公式．
引起電壓波動和閃變的因素很多，如風速，風電
機組類型，控制系統(tǒng)以及風電機組公共連接點的短
路容量，電網線路X／R比和公共連接點所連的負荷
特性等 加 ．
風速，尤其是平均風速和湍流強度對電網波動
和閃變影響很大．隨著風速的增大，風電機組產生的
電壓波動和閃變也不斷增大．湍流強度對電壓波動
和閃變的影響幾乎成正比例增長．
并網風電機組類型和控制系統(tǒng)對風電機組的電
能質量影響很大．變速風電機組運行產生的電壓波
動和閃變水平遠低于恒速風電機組，幾乎是恒速風
電機組的1／4．
并網風電機組公共連接點短路比和電網線路
X／R比是影響風電機組引起的電壓波動和閃變的
重要因素．風電機組公共連接點短路比越大，風電機
組引起的電壓波動和閃變越小 ．合適的X／R比
可以使有功功率引起的電壓波動被無功功率引起的：
電壓波動補償掉，從而使整個平均閃變值有所減輕．
并網風電機組在啟動、停止、和發(fā)電機切換過程
中也產生電壓波動和閃變．文獻[12]分別計算了恒
速定槳距和恒速變槳距風電機組在切換操作過程中
產生的電壓波動和閃變，并與持續(xù)運行過程中產生
的電壓波動和閃變作了比較．
2)諧波污染問題．
諧波會造成供電質量變差，使得電網功率因數
降低．風電系統(tǒng)中諧波的影響主要有：增加發(fā)電機的
銅損和鐵損，引起電容器組和變壓器的發(fā)熱故障，控
制電路受影響，傳感器測不準等．風電給系統(tǒng)中諧波
產生的途徑主要有2種_】 ：一種是風力本身配備的
電力電子裝置，可能帶來諧波問題．對于直接和電網
相連的恒速風機，軟啟動階段要通過電力電子裝置
與電網相連，因此會產生一定的諧波，不過因為過程
很短，通?？梢院雎裕菍τ谧兯亠L機組，其轉速
控制系統(tǒng)采用了電力電子裝置，當它將電能輸送給
電網時會產生諧波．隨著電力電子器件的不斷改進，
脈寬調制技術(PWM)的采用有效地抑制了電力電
子器件帶來的諧波．另一種是風機的并聯補償電容
器可能和線路電抗發(fā)生諧振，產生諧波．
2．2 對穩(wěn)定性的影響
風力發(fā)電系統(tǒng)通常接人電網的末端，改變了配
電網功率單向流動的特點，使潮流流向和分布發(fā)生
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第23卷第2期 黃守道，等：風電機組并網問題研究 17
改變，這在原有電網的規(guī)劃和設計時是沒有預先考
慮的．當風電注入功率增大時，風電場附近局部電網
的電壓和聯絡線功率可能會超出安全范圍，嚴重時
會導致電壓崩潰．
在異步發(fā)電機并網系統(tǒng)中，風電系統(tǒng)在向電網
注入功率的同時需要從電網吸收大量的無功功率．
因此，為了補償風電場的無功功率，每臺風力發(fā)電機
都配有功率因數校正裝置，目前常用的是分組投切
的并聯電容器．電容器的無功補償量的大小與接人
點電壓的平方成正比，當系統(tǒng)電壓水平較低時，并聯
電容器的無功補償量迅速下降，導致風電場對電網
的無功需求上升，進一步惡化電壓水平，嚴重時會造
成電壓崩潰．
由于異步發(fā)電機的功率恢復特性，當電網發(fā)生
短路故障時，若故障排除不及時，也將容易導致暫態(tài)
電壓失穩(wěn)．另外，隨著風電場規(guī)模的不斷擴大，風電
場在系統(tǒng)中所占的比例不斷增加，風電輸出的不穩(wěn)
定性對電網的功率沖擊效應也不斷增大，對系統(tǒng)穩(wěn)
定性的影響就更加顯著，嚴重情況下，將會使系統(tǒng)失
去動態(tài)穩(wěn)定性，導致整個系統(tǒng)的瓦解．
3 改善風力發(fā)電并網性能的一些措施
風力發(fā)電是一種新型的能源，具有廣泛的社會
效益和經濟效益，但是風電系統(tǒng)的并網給電網的質
量和穩(wěn)定性等方面帶來了諸多負面影響．因此，采取
科學的方法來改善風電并網性能具有重要的現實意
義和經濟意義．
1)靜止無功補償器(SVC)．
利用靜止無功補償器(SVC)減小風力發(fā)電功
率波動對電網電壓的影響．風電場是一個發(fā)出有功
功率、吸收無功功率的特殊元件，風電場的電壓往
往很低，利用svC改善系統(tǒng)電能質量和提高系統(tǒng)的
穩(wěn)定性是一個有效的措施．目前TRC—FC型SVC在
國內外風電場已得到了廣泛的應用．
2)有源電力濾波器(aPS)．
近年來，采用電力晶體管(GTR)和可關斷晶閘
管(GTO)及脈寬調制(PWM)技術等構成的有源濾
波器，可對負荷電流作實時補償，有效地抑制了電
壓波動和閃變．有源電力濾波器的工作原理與傳統(tǒng)
的SVC完全不同，它采用可關斷的電力電子器件，
基于坐標變換原理的瞬時無功理論進行控制，其作
用原理是利用電力電子控制器代替系統(tǒng)電源向負荷
提供所需的畸變電流，從而保證系統(tǒng)只需向負荷提
供正弦的基波電流．有源電力濾波器與普通SVC相
比，有以下優(yōu)點：響應時間快，對電壓波動、閃變補
償率高，可減少補償容量；沒有諧波放大作用和諧
振問題，運行穩(wěn)定；控制強，能實現控制電壓波動、閃
變和穩(wěn)定電壓的作用，同時也能有效地濾除高次諧
波，補償功率因數．
3)超導儲能裝置(SMES)．
通過采用基于GTO 的雙橋結構換流裝置，
SMES可以在四象限靈活地調節(jié)有功和無功功率，
為系統(tǒng)提供功率補償，跟蹤電氣量的波動．充分利
用SMES有功無功綜合調節(jié)能力，可以降低風電場
輸出功率的波動，穩(wěn)定風電場電壓，提高系統(tǒng)的穩(wěn)
定性．SMES是一種有源的補償裝置，與SVC相比其
無功補償量對接人點電壓的依賴程度小，在低電壓
時的補償效果更好H ．
4 結論
由于風能的可再生性、無污染性，且資源豐富，
在常規(guī)能源日趨緊張的今天，風能的開發(fā)和利用越
來越受到人們的矚目．風力發(fā)電是21世紀發(fā)展最快
的一種可再生能源，風力發(fā)電技術在興起的短短20
多年時間里，已經取得了突飛猛進的發(fā)展，風力發(fā)電
技術不斷成熟，從早期的恒速恒頻發(fā)展到現在的變
速恒頻，在電機的使用上，雙饋電機已經取代感應電
機，極大地提高了機組的效率，但雙饋異步發(fā)電機要
通過齒輪變速箱增速，這樣也造成了風力發(fā)電機可
靠性差、效率低等缺點，因此很多公司紛紛推出基于
永磁低速同步電動機的風力發(fā)電機組．
當前風力發(fā)電機組正朝著大型化、直驅化、永磁
化方向發(fā)展，機組大型化有利于減少占地，降低并網
成本和單位功率造價；機組直驅化簡化了系統(tǒng)結構，
提高了風能轉換效率，減少系統(tǒng)維護費用；機組永磁
化可以減小體積，同時還可以省去電刷和集電環(huán)等
易耗機械部件，提高了系統(tǒng)的可靠性．可以預見，直
驅永磁發(fā)電機組是未來風電發(fā)展的一個重要方向．
隨著風電場規(guī)模的不斷增大，與風電場并網有
關的電能質量問題，穩(wěn)定性問題正逐漸成為新的研
究熱點，吸引著越來越多的研究機構和科研人員從
事風電并網技術的研究和咨詢工作．
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l8 電 力 科 學 與 技 術 學 報 2008年6月
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