（1. 許繼風電科技有限公司研發(fā)中心，河南 許昌 461000；2. 中國一拖集團有限公司戰(zhàn)略采購推進部，河南 洛陽 471000）

（1. 許繼風電科技有限公司研發(fā)中心，河南 許昌 461000；2. 中國一拖集團有限公司戰(zhàn)略采購推進部，河南 洛陽 471000）

近年來建設(shè)的100MW風電場中，1.5MW以上的直驅(qū)風電機組與雙饋風電機組是兩大主力機型，其在風電場中的配置對并網(wǎng)后電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行有重要影響。本文根據(jù)直驅(qū)風電機組與雙饋風電機組的各自特點以及不同的故障率，提出一種配置方案。

直驅(qū)；雙饋；低電壓穿越；可用率；配置

0 引言

風電的迅速發(fā)展對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響越來越突出。智能電網(wǎng)建設(shè)不僅要有堅強的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和強大的電力輸送能力做保證，更重要的是要有安全可靠的電力供應。而大規(guī)模風電并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與可靠供電對大力發(fā)展清潔能源—風電來說，卻是一種挑戰(zhàn)。

本文從風電場的電力供應安全可靠性出發(fā)，提出一種新型的風電場機組配置方案。

1 風電場接入電力系統(tǒng)的安全可靠性要求

1.1 技術(shù)要求的由來[1]

2005年,由中國電力科學研究院起草的我國首個風電場并網(wǎng)標準GB/Z19963－2005《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》僅提出一些原則性的技術(shù)規(guī)定，適度降低了對風電的要求，已無法滿足目前我國大規(guī)模風電開發(fā)并網(wǎng)的需要。

為保證風電場的可靠并網(wǎng)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，國家標準化管理委員會于2009年要求中國電力科學研究院牽頭組織開展國家標準《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》修訂工作，中國電力科學研究院為主要起草單位，龍源電力集團股份有限公司、南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司、中國電力工程顧問集團公司共同參與編寫。

2011年12月30日，由中國電力科學研究院為主要起草單位編寫的國家標準GB/T19963－2011《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》正式頒布，并于2012年6月1日開始正式實施。

該標準規(guī)定了對通過110(66)kV及以上電壓等級線路與電力系統(tǒng)連接的新建或擴建風電場的技術(shù)要求，修改完善了風電場有功功率控制、無功功率/電壓控制、有功功率預測、風電場測試、風電場二次部分等技術(shù)條款，并增加了風電場低電壓穿越能力(LVRT)要求的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 風電場低電壓穿越能力[2]

低電壓穿越能力是當電力系統(tǒng)中風電裝機容量比例較大時，電力系統(tǒng)低電壓穿越故障導致電壓跌落后，風電場切除會嚴重影響系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，這就要求風電機組具有低電壓穿越能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風電機組不間斷并網(wǎng)運行。

在中國，國家電網(wǎng)規(guī)定風電機組應該具有低電壓穿越能力：

（1）風電場必須具有當電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運行620ms的低電壓穿越能力；

（2）風電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場必須保持并網(wǎng)運行；

（3）風電場升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風電場必須不間斷并網(wǎng)運行。

目前，永磁直接驅(qū)動型變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)已被證實在這方面擁有出色的性能。

對于雙饋機型，最新研究[3]發(fā)現(xiàn)：雙饋型風力發(fā)電技術(shù)僅能在一種0－Power 控制模式下實現(xiàn)風電機組不停機穿越電網(wǎng)故障。而在非0－Power控制模式下，通過改變變流器的勵磁控制和轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar 保護電網(wǎng)兩種策略，理論和實際技術(shù)上都難以應對自如。

1.3 風電場有功功率控制/預測[4]

風電的隨機性、波動性較大，可預測性較低。風能是一種間歇性能源，風速預測存在一定誤差，風電場不能提供穩(wěn)定的功率，發(fā)電穩(wěn)定性較差。另外，風電場的功率波動會影響當?shù)仉娋W(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生電壓波動和閃變。因此，大型風電場必須配合傳統(tǒng)的發(fā)電站共同控制電網(wǎng)。

2 國內(nèi)風電場狀況

2.1 集中式風電場發(fā)展狀況

2007年之前，我國風電場主要使用兆瓦級以下的定槳定速型風電機組，累計約5.906GW。

2007年以后，金風科技的1.5MW變槳直驅(qū)型風電機組，華銳風電、東汽集團的1.5MW變槳雙饋型風電機組均研制成功并批量投產(chǎn)。

由于早期的定槳距機組葉片的角度不能在風速變化時進行相應的調(diào)節(jié)，經(jīng)濟效益差，兆瓦級以下的定槳定速型風電機組的生產(chǎn)比重逐步下降。如：2011年以來，新增風電機組以1.5MW以上機型為主，兆瓦級以下的定槳距失速型風電機組已逐步退出。

目前，風電行業(yè)主要發(fā)展的是更為先進的變速變槳距兆瓦級機型，主要采用雙饋異步發(fā)電機（DFIG）的雙饋型（DF）和永磁同步發(fā)電機（PMSG）的直驅(qū)型（DD）。由于成本問題，近些年來的主流機型一直是雙饋機型。

2.2 分布式風電場狀況

2012年以來，因“三北”地區(qū)限電等原因，新增風電裝機容量6年來首次未能實現(xiàn)增長，分布式風電場的建設(shè)才開始受到廣泛關(guān)注。

因分布式發(fā)電容量范圍一般在15 kW —10000kW，容量較小[5]，如果采用就地消納及儲存并網(wǎng)的方式，分布式風電場對電網(wǎng)的安全運行威脅較小。

3 集中式風電場內(nèi)的機組配置

3.1 風電機組的分類

兆瓦級風電機組從葉輪放置方向講，主要可分為兩大類：垂直軸風電機組和水平軸風電機組。

因垂直軸風電機組的風能利用系數(shù)Cp較水平軸（Cp理論最大值59.3%）低，且其風速控制、高架振動和傳動效率低等問題在短期內(nèi)難以克服，故本文在討論兆瓦級風電機組時，暫不討論垂直軸風電機組，僅以水平軸風電機組（HAWT）為討論對象。

按目前兆瓦級風電技術(shù)成熟度分，3MW級以下的HAWT，借用從國外嫁接過來的成熟技術(shù)，發(fā)展得還好。不過，對于3MW級以上的HAWT，因葉輪加大，重量增加，軸承制造及實際安裝使用壽命等都難以達到要求。而且一旦發(fā)生故障，對電網(wǎng)的沖擊影響較大，且目前其技術(shù)尚未成熟。

綜合估計，3MW級以上的HAWT不宜大面積推廣。本文重點討論3MW級以下的HAWT風電機組配置問題，進行一些探討。

3.2 HAWT風電機組的結(jié)構(gòu)及特點

其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖中我們可以直觀地看出，件號2輪轂（Hub）與件號6發(fā)電機（Generator）非直接連接，其間有一件號4主齒輪箱。

件號6發(fā)電機（Generator）一般有兩種：一種是采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機(以及籠型異步發(fā)電機等)，另一種是采用交流勵磁的同步化雙饋繞線型異步發(fā)電機。

圖1 HAWT風電機組的典型結(jié)構(gòu)[6]

目前，兆瓦級的主流風電機組的結(jié)構(gòu)是沒有齒輪箱的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機和雙饋異步發(fā)電機。

它們的優(yōu)缺點如下[7]：

直驅(qū)永磁同步發(fā)電機有如下優(yōu)點：

（1）由于采用同步電機，控制回路少，控制比較簡單。全功率變流器采用SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）技術(shù)可獲得近似標準的正弦波電壓電流波形，諧波性能有很大改善;

（2）由于采用了全功率變流器，發(fā)電機與電網(wǎng)之間是隔離的，故電網(wǎng)電壓的跌落不會直接作用在發(fā)電機的定子上，不會直接影響發(fā)電機的運行。故PMSG不需要LVRT技術(shù);

（3） PMSG轉(zhuǎn)子上無繞組、電刷、滑環(huán)，因此其維護性強于DFIG，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，維護費用低。

其主要缺點如下：

（1）需要配備全功率變頻器，變頻器成本較高，控制系統(tǒng)體積龐大；

（2）永磁發(fā)電機價格高；

（3）PMSG勵磁不可調(diào)，決定了發(fā)電機輸出端的功率因數(shù)無法控制，只能通過變流器控制輸出到電網(wǎng)端的電能。頻率變換裝置雖可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，但會有高頻電流流入電網(wǎng)；

（4）要求永磁材料具有很高的穩(wěn)定性，而高溫以及電樞反應等原因可能導致永磁材料失磁；

采用雙饋繞線型異步發(fā)電機風力發(fā)電系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點：

（1）變頻器功率小，變頻損耗小，變頻器成本低，控制系統(tǒng)體積??；

（2）變頻控制靈活，具有良好的調(diào)節(jié)特性。捕風效能較高；

（3）在定子電源頻率一定時，通過改變轉(zhuǎn)子勵磁頻率就可以實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，發(fā)電機的運行轉(zhuǎn)速既可高于同步轉(zhuǎn)速，也可低于同步轉(zhuǎn)速，有利于系統(tǒng)最大限度捕獲風能。

其主要缺點如下：

（1） DFIG定子側(cè)與電網(wǎng)通過變壓器直接連接，且轉(zhuǎn)子采用雙向變頻器，電流處于不斷變化之中，故DFIG定子輸出電流諧波較大且難以控制，控制技術(shù)復雜；

（2）發(fā)電機需安裝集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)有電刷、滑環(huán)，以對勵磁電流進行調(diào)節(jié)，一般半年需要更換電刷，2年需要更換滑環(huán)。轉(zhuǎn)子繞組也使得DFIG的可靠性比PMSG低。 電機維護成本高，頻度高；

（3） DFIG定子側(cè)與電網(wǎng)通過變壓器直接相連，轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)間有雙向變流器進行勵磁調(diào)節(jié)，故只能對發(fā)電機組實施部分調(diào)節(jié)。在電網(wǎng)電壓突然跌落瞬間，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變從而產(chǎn)生直流分量，由于積分量減小，定子磁鏈不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，從而引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)為不對稱故障的話，因為定子中出現(xiàn)負序分量導致更大的滑差，會使轉(zhuǎn)子過壓過流現(xiàn)象更嚴重。過流會損壞變流器，過壓會使繞組絕緣被擊穿，所以對于DFIG必須采用LVRT技術(shù)，低電壓穿越能力不如直驅(qū)可靠。

3.3 大型風電場中直驅(qū)與雙饋的配置

通過以上分析，我們從電網(wǎng)安全角度出發(fā)，著重考慮發(fā)電機組低電壓穿越（LVRT）能力和故障率兩方面，給出一種大型風電場風電機組的新型配置。

根據(jù)大型風電場必須配合傳統(tǒng)的發(fā)電站共同控制電網(wǎng)的原則，例如風火比例1:1.5—1: 2.2經(jīng)驗（本文選1:2比例），匹配的傳統(tǒng)的發(fā)電站（火電）并網(wǎng)總?cè)萘繛镼1（MW）。

假設(shè)大型風電場的風電機組并網(wǎng)總?cè)萘繛镼2（MW），根據(jù)風場統(tǒng)計，可知直驅(qū)風電機組與雙饋風電機組的故障停機率分別為R1和R2。

要求當風電場在電壓跌至20%額定電壓時，風電機組能夠維持并網(wǎng)運行620ms的低電壓穿越和3s內(nèi)恢復正常而不解列能力。

求解一種新的直驅(qū)與雙饋的配置比為K1：K2，以及風場裝機總?cè)萘縌3（MW）？

這樣，就可以求出風場建設(shè)的總?cè)萘縌3。為此，還須知道K1：K2=80:20的猜想是否可靠，或有一定的依據(jù)。理由如下：

（1）電壓跌落至20%的由來。外部電網(wǎng)電壓陡降80%，或風場內(nèi)部風電機組瞬間解列80%Q2。

（2）直驅(qū)風電機組能在不解列的情況下完成LVRT，而雙饋風電機組必須在解列情況下完成。

因此，當外部電網(wǎng)電壓陡降80%時，風場并網(wǎng)容量Q2不允許解列，此時，Q2應全部由直驅(qū)風電機組承擔。

而風場內(nèi)部風電機組瞬間解列80%Q2的情況是不允許發(fā)生的。那么，必須有80%Q2的容量由直驅(qū)風電機組承擔。

又因，20%Q2容量的雙饋機型可以處于定子解列情況，在一種0－Power 控制模式下，實現(xiàn)了風電機組不停機穿越電網(wǎng)故障。

綜上，本文提出的大型風電場中直驅(qū)風電機組與雙饋風電機組的配置比為（80/ R1）:（20/ R1）。

4 分布式風電場內(nèi)的機組配置

4.1 分布式風電場的預見

隨著國家對孤島承包的放開政策，孤島上淡化水、制備氫氣、氧氣、電解海水礦物質(zhì)等基本生活及化工產(chǎn)業(yè)也將迎來新的發(fā)展，而這些都需要充足的電力，建立孤島風電場的可能性日益增強。

4.2 孤島分布式風電場的配置

因孤島分布式風電場可用光電儲能及小功率的風電作為輔助電源，基本上屬離網(wǎng)型，且容量較小，對電網(wǎng)的安全沖擊可以忽略。

配置：主力風電機組應以抗臺風的直驅(qū)兆瓦級風電機組為主，采用直流輸電的方式，輔助電源可來自于光電儲能及小型風電機組作為分布式電源系統(tǒng)的重要電源組合。

5 結(jié)語

（1）分布式風電場考慮電源供應及電網(wǎng)的穩(wěn)定性，可以采用小型風電機組作為分布式電源系統(tǒng)的重要電源之一，與兆瓦級的風電機組配合發(fā)電，電能進行就地消納及輔助并網(wǎng)應用。此時建議兆瓦級的風電采用變槳永磁發(fā)電機組較好；

（2）對集中式大型風電場，考慮并網(wǎng)安全，提出一種新型機組配置方案：直驅(qū)風電機組與雙饋風電機組的配置比為（80/ R1）:（20/ R2）。風電機組故障率R需要實時監(jiān)控和預測；

（3）集中式大型風電場的總?cè)萘繎c當?shù)夭⒕W(wǎng)電網(wǎng)中的傳統(tǒng)發(fā)電容量相匹配，出于安全考慮，一般不應超過1:2。

[1] 北極星電力網(wǎng)新聞中心.風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定. [2012-02-02].http://news.bjx.com.cn/html/20120202/339034.shtml.

[2] 北極星電力網(wǎng)技術(shù)頻道. 低電壓穿越（LVRT）.[2011-06-29]. http://tech.bjx.com.cn/html/20110629/133112.shtml.

[3] 王大為,袁 煒,周偉波,等. 一種新型雙饋風電機組低電壓穿越技術(shù)研究[J]. 電力電子技術(shù), 2012,46(10):42-53.

[4] 惠 晶,顧鑫. 大型風電場的集中功率控制策略研究[J]. 華東電力,2008,36(6):57-60.

[5] 姚興佳,井艷軍,邢作霞,等. 分布式風電場的規(guī)劃和效益量化[C].2006年節(jié)能與可再生能源發(fā)電技術(shù)研討會論文集, http://www.doc88.com/p-941839398298.html.

[6] 國測諾德技術(shù)部. 風力發(fā)電基礎(chǔ)知識.[2010-1-28]. http://www.doc88.com/p-97830535992.html.

[7] 王建維. 雙饋異步和永磁同步風力發(fā)電機特性分析 [J]. 自動化博覽,2010, (9):28-30.

一種新型的風電場機組配置方案

黃愛武1，齊雙麗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。

黃愛武（1969-），男，高級工程師，主要從事風電機組高級過程質(zhì)量控制、風電齒輪箱研發(fā)等工作。