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（中廣核楚雄牟定風(fēng)力發(fā)電有限公司，云南 楚雄 675506）

1 風(fēng)力發(fā)電基本原理

風(fēng)力發(fā)電機組是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，包括風(fēng)力機和風(fēng)力發(fā)電機兩大部分，工作過程：空氣流動的動能作用在風(fēng)力機風(fēng)輪上，推動風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)起來，將空氣動力能轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)輪旋轉(zhuǎn)機械能，風(fēng)輪的輪固定在風(fēng)力機軸上，通過傳動系統(tǒng)驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機軸及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，風(fēng)力發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)變成電能輸送給負荷或電力系統(tǒng)。

2 并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

目前風(fēng)電系統(tǒng)的運行方式常采用獨立型、并網(wǎng)型和聯(lián)合型3種方式，中、大型風(fēng)力發(fā)電機主要采用并網(wǎng)運行方式。并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)由風(fēng)能資源、風(fēng)力發(fā)電機組、變頻器、控制器及變壓器等組成。風(fēng)力發(fā)電機在并網(wǎng)時必須輸出50Hz恒定頻率的電能，一般可以分為恒速恒頻(CSCF)和變速恒頻(VSCF)兩種調(diào)節(jié)方式。

2.1 CSCF風(fēng)電系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前還在MW級以下的風(fēng)電機組采用，常用異步或同步兩種發(fā)電機。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、過載能力強、運行可靠性高；并網(wǎng)控制系統(tǒng)比較簡單；同步發(fā)電機既能輸出有功功率，還能提供無功功率和電壓支撐能力，輸出的電能質(zhì)量高，因此，同步發(fā)電機取代異步發(fā)電機是風(fēng)電系統(tǒng)的技術(shù)趨勢。缺點：當(dāng)風(fēng)速迅速增大時，風(fēng)能將通過槳葉傳輸給主軸、齒輪箱和發(fā)電機等部件，產(chǎn)生機械應(yīng)力，引起這些部件的疲勞損壞；風(fēng)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)相耦合，風(fēng)電特性會直接對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，若風(fēng)速急劇變化，可能會引發(fā)電能質(zhì)量問題；若采用異步發(fā)電機，需要無功電源的支持，還需動態(tài)無功補償，并網(wǎng)時沖擊電流較大；若采用同步發(fā)電機，由于風(fēng)速隨機變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩很不穩(wěn)定，使得并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達到期望的精度，特別是當(dāng)重載情況下并網(wǎng)，若不進行有效控制，會發(fā)生嚴重的無功振蕩和失步問題。因此，CSCF系統(tǒng)很少采用同步發(fā)電機。

2.2 VSCF風(fēng)電系統(tǒng)

優(yōu)點：根據(jù)風(fēng)速的變化，風(fēng)力機以不同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，減少了對風(fēng)力機等機械裝置的機械應(yīng)力；通過對最佳轉(zhuǎn)速的跟蹤，在可發(fā)電的較大風(fēng)速范圍內(nèi)均可獲得最佳功率輸出；風(fēng)力機能夠?qū)ψ兓娘L(fēng)速起到一定的緩沖，使輸出功率的波動變化減?。煌ㄟ^對風(fēng)電機組有功和無功輸出功率進行解耦控制，并采用一定的控制策略，可以分別單獨控制風(fēng)電機組有功、無功的輸出，具備電壓的控制能力；實現(xiàn)了發(fā)電機轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的解耦，降低了風(fēng)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響，并網(wǎng)沖擊電流小；若采用雙饋異步發(fā)電機，則變頻器容量僅約為發(fā)電機容量的30%，降低了變換器的損耗、造價和體積；若采用同步發(fā)電機，可省去齒輪箱，提高效率和可靠性。

缺點：整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、技術(shù)難度大；需配備變頻器，控制回路多，控制復(fù)雜，維護難；若采用同步發(fā)電機，則轉(zhuǎn)速較低，極對數(shù)較多，且需配備全功率變頻器，成本較高，損耗大；若采用雙饋異步發(fā)電機，要求變頻器具有低電壓穿越等并網(wǎng)運行能力，控制復(fù)雜，投入大。

3 幾種常用的并網(wǎng)方式

3.1 異步發(fā)電機的并網(wǎng)技術(shù)

目前，異步發(fā)電機并網(wǎng)主要有直接、準(zhǔn)同期、降壓、捕捉式準(zhǔn)同步和晶閘管軟并網(wǎng)共5種 CSCF并網(wǎng)方式。

3.1.1 直接并網(wǎng)方式

此法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速的90%－100%時即可自動并入電網(wǎng)。自動并網(wǎng)的信號由測速裝置給出，空氣開關(guān)自動合閘完成并網(wǎng)。

3.1.2 準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式

此法在轉(zhuǎn)速接近同步速時，先通過電容進行勵磁建立額定電壓，然后對發(fā)電機的電壓和頻率進行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機與電網(wǎng)兩者電壓的幅值、頻率、相位一致時，將發(fā)電機投入電網(wǎng)并網(wǎng)運行。

3.1.3 降壓并網(wǎng)方式

此法在發(fā)電機與電網(wǎng)之間串聯(lián)電阻、電抗器或者自耦變壓器，以降低并網(wǎng)時的沖擊電流和電網(wǎng)電壓下降的幅度。在發(fā)電機穩(wěn)定運行時，需將接入的電阻等元件迅速從電路中切除，以免消耗功率。

3.1.4 捕捉式準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)方式

它是將常規(guī)的整步并網(wǎng)方式改為在頻率變化中捕捉同步點的方法進行準(zhǔn)同步快速并網(wǎng)。這種方法可不丟失同期機，并網(wǎng)工作準(zhǔn)確、快速可靠，既能實現(xiàn)幾乎無沖擊準(zhǔn)同步并網(wǎng)，對機組的調(diào)速精度要求不高，又能很好地解決并網(wǎng)沖擊與造價的矛盾。非常適合于風(fēng)力發(fā)電機組的準(zhǔn)同步并網(wǎng)操作。但是，這種方法控制復(fù)雜，對轉(zhuǎn)速有一定的要

求。

3.1.5 晶閘管軟并網(wǎng)方式

此法是近年來發(fā)展起來的先進并網(wǎng)方式，它在異步發(fā)電機的定子和電網(wǎng)之間每相串入一個雙向晶閘管，通過調(diào)節(jié)晶閘管使導(dǎo)通角逐漸增大來控制并網(wǎng)時的沖擊電流，從而得到一個平滑的并網(wǎng)暫態(tài)過程。正常運行時，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電流不再經(jīng)過雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關(guān)直接流入電網(wǎng)。并網(wǎng)后應(yīng)立即在發(fā)電機端并入無功補償裝置，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到0.95以上。

3.2 雙饋異步發(fā)電機組并網(wǎng)

雙饋異步電機的轉(zhuǎn)子通過變頻器采用交流勵磁，電機和電網(wǎng)之間構(gòu)成“柔性連接”，可根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流與發(fā)電機轉(zhuǎn)速，通過控制機側(cè)變換器來調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流，從而精確地控制發(fā)電機定子電壓，使其滿足并網(wǎng)條件，因而可在變速條件下實現(xiàn)并網(wǎng)。整個并網(wǎng)調(diào)節(jié)過程完全由轉(zhuǎn)子變頻器實現(xiàn)，不需要外加任何硬件裝置，調(diào)節(jié)精度高，并網(wǎng)沖擊小。

3.3 同步發(fā)電機的并網(wǎng)技術(shù)

由于異步發(fā)電機會產(chǎn)生滯后的功率因數(shù)且需要進行補償，而同步發(fā)電機可以控制勵磁來調(diào)節(jié)其功率因數(shù)為1；異步發(fā)電機要靠增加轉(zhuǎn)差率才能提高轉(zhuǎn)矩，而同步發(fā)電機只要加大功角就能增大轉(zhuǎn)矩，調(diào)速范圍更寬，承受轉(zhuǎn)矩擾動能力更強，響應(yīng)更快。因此，同步發(fā)電機正逐步取代異步發(fā)電機。同步發(fā)電機的并網(wǎng)方式有準(zhǔn)同步、自同步和變頻器并網(wǎng)3種方式，其中前2種、最后1種分別屬于CSCF、VSCF風(fēng)電并網(wǎng)方式。

結(jié)語

并網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是20世紀80年代興起的一項新能源技術(shù)，因而迅速實現(xiàn)商品化、產(chǎn)業(yè)化。本文介紹了并網(wǎng)型風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，詳細介紹了幾種風(fēng)電并網(wǎng)方式，其中同步發(fā)電并網(wǎng)技術(shù)近年來受到了眾多青睞。

[1]宮靖遠.風(fēng)電場工程技術(shù)手冊[M].機械工業(yè)出版社.2004.

[2]黃守道，孫延昭，黃科元．風(fēng)電機組并網(wǎng)問題研究[J]．電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報，2008，23(2).

[3]姚興佳宋俊等.風(fēng)力發(fā)電機組原理與應(yīng)用[M].北京機械工業(yè)出版社2009.