摘 要：針對大型異步風力發(fā)電機組，從并網原理以及控制技術方面對風力發(fā)電機組軟并網控制進行了分析。完成了對軟并網系統(tǒng)的軟硬件設計。系統(tǒng)由反并聯晶閘管、控制電路以及保護電路三部分組成，采用DSP中央處理器與ARM上位機。最后，運用了Matlab仿真平臺對異步風力發(fā)電機組軟并網進行模擬仿真。仿真實驗結果表明，文中提出的晶閘管軟并網系統(tǒng)能夠實現對并網沖擊電流的有效抑制，使異步風力發(fā)電機組平穩(wěn)并網，具有一定程度的實際指導意義。

關鍵詞：異步發(fā)電機；軟并網；晶閘管；模擬仿真

目前，全國大部分大中型風力發(fā)電機組很多都采取異步發(fā)電機。相比于同步發(fā)電機，異步發(fā)電機不僅有著簡單的控制裝備，對于在并網時也沒有任何嚴格的頻率以及相角的要求，易于穩(wěn)定并網，不易產生振蕩和失步。但是異步發(fā)電機采取直接并網時，沖擊電流會高達電機額定電流的5至7倍，會嚴重損壞電網、發(fā)電機以及葉輪等設備，甚至可能對其他聯網機組的正常運行造成影響，引起電力系統(tǒng)的癱瘓。所以，采用合適的并網方式降低并網沖擊電流顯得非常重要。迄今為止，世界上主要有直接并網法、降壓并網法、準同期并網法以及可控硅軟并網等幾種異步風力發(fā)電機并網方式。其中，直接并網方法操作簡單，但對電網傷害較大，會引起電力系統(tǒng)電壓瞬時降低，一般只在異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下時使用。降壓并網方法需增置大功率電阻或電抗組件，投資隨容量的增大而增大，經濟性較差。準同期并網方法需增置高精度的調速器和整步、同期設備，經濟性較差，且并網消耗時間過長。而可控硅軟并網方法很大程度的降低了機組并網時的損耗，因為該方法會得到一個不會出現沖擊電流的平穩(wěn)并網過程，提高風電機組的使用時長和可靠性，是目前應用較為廣泛的風電并網方式之一。

1 異步風力發(fā)電機軟并網原理

在風力發(fā)電機直接并網時靠近同步速時，異步發(fā)電機可能會經歷一點瞬態(tài)過渡過程，過程中會產生瞬態(tài)沖擊電流，與其值大小有關系的參數包括：發(fā)電機參數、并網轉速、發(fā)電機磁通飽和水平以及并網瞬間電壓相位角等。直接并網時所也會產生一個過渡過程電流，電流值為：

電機并入電網的時候，定子繞組中所產生的穩(wěn)態(tài)交流分量i0sin（？棕t+？琢）開始產生，產生的電磁力使動轉子開始旋轉。當電機在靠近同步轉速并網的時候，i0約等于電機空載時的電流。并入電網的瞬間，定子繞組磁鏈會保持原來的零狀態(tài)，依據磁鏈守恒原理，因為轉子的短路繞組中所產生了衰減的直流分量，導致產生了磁場將切割定子繞組，并且產生了衰減的暫態(tài)交流分量 。暫態(tài)交流分量ia與電抗成反比，與電壓成正比。此時，并入電網的一瞬間，定子繞組產生的衰減直流分量 ，用來控制電網中電壓所產生的磁通，id與電機并網的瞬間定子氣隙磁勢波形和氣隙均勻度有關，與電網電壓和暫態(tài)電抗成正、反比，另外異步發(fā)電機的并網瞬態(tài)沖擊電流的峰值還與并網瞬間的電網電壓相位角相關，在相位角至為？茲=？漬±？仔/2時，沖擊電流達到最大，？茲=？漬沖擊電流值最小。

2 軟并網控制系統(tǒng)軟硬件設計

在文章中，三對反并聯晶閘管及其保護電路構成了異步風電機組軟并網控制系統(tǒng)的主電路。當電機轉速與同步轉速接近時，雙向晶閘管逐漸導通，因為發(fā)電機的接觸器閉合的瞬間觸發(fā)脈沖控制了雙向晶閘管。在次同步轉速階段，即晶閘管在開始導通的起始時刻，在電網與葉輪的共同拖動下電機處于電動運行狀態(tài)，此刻電機轉速立刻增加，其滑差值趨于零的速度漸漸變快。當以達到零值，晶閘管將會完全導通，并入電網后沖擊電流將會縮小在不大的范圍之內，從而得到一個相對平滑的并網過程。一旦發(fā)電機開始輸出功率，雙向晶閘管將會主動關閉觸發(fā)脈沖，發(fā)電機所輸出的電流不再經雙向晶閘管，而通過已閉合的自動開關觸點流向電網。至此，并網控制結束，風機進入發(fā)電運行控制階段。

控制系統(tǒng)采用屬于CPU系統(tǒng)的DSP，系統(tǒng)內所有的啟動、停止以及并網方式都要受到ARM的控制，并網時的命令主要由主控制器下達。上位機ARM選用的是因特爾公司的Pxa270，CPU選用TI公司的TMS320F2812芯片。由三組反向并聯的晶閘管構成軟并網部分，而電機定子端的交流電壓是由晶閘管的開啟邏輯來控制。

軟并網過程中程序流程可以簡要作如下闡述：系統(tǒng)自檢初始化，而后采集電網的電壓與頻率決定是否并網。若是，閉合并網接觸器以及電機側接觸器，設定初始角與移動步長，啟動定時器并確認晶閘管是否導通。若是，則報告ARM并網成功。

3 異步電機并網仿真

文章運用Matlab 2010a對該軟并網控制系統(tǒng)進行仿真。其中，發(fā)電機額定電壓690V，額定電流683A，定子頻率50Hz，額定功率750kW，額定轉速1518r/min，級數為四級。當風速達到15m/s時，異步風力發(fā)電機的平均速度可達約1475r/min。此時進行并網，則瞬時電流峰值可達4800A；采用晶閘管軟并網系統(tǒng)所控制，并網時的最大電流低于800A，經過0.5s后，電流恢復穩(wěn)定。這樣便將并網沖擊電流有效地限制在額定值的1.5倍左右，上下幅度不超過17%，滿足預期的并網要求。

Matlab平臺上的軟并網控制系統(tǒng)仿真結果還表明：自并網開始到電機達到同步轉速的過程中，晶閘管導通速度過快或者晶閘管導通角的增大都可能會產生較大的沖擊電流。因而，在此過程中應控制好導通角步長及持續(xù)時間。此外，為了有效的對軟并網持續(xù)時長進行控制，在電機自身轉速與并網同步轉速值較為接近時，應該令晶閘管處于完全導通的狀態(tài)，以便電機自身轉速與同步轉速同步，保持并網電流穩(wěn)定。

4 結束語

文章針對大型異步風力發(fā)電機組，從并網原理以及控制技術方面對風力發(fā)電機組軟并網控制進行了分析。提出了一種采用電流閉環(huán)控制的風力異步發(fā)電機的軟并網控制系統(tǒng)。仿真結果表明，該方法可使電機并網瞬時電流穩(wěn)定在額定電流的1.5倍左右，且系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，滿足并網要求。

參考文獻

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作者簡介：周冉冉（1984-），男，河北唐山，碩士研究生畢業(yè)，國網冀北電力有限公司檢修分公司，從事電網運檢技術、新能源技術研究。