張海軍 王洪超

【摘要】近年來，隨著新能源的開發(fā)，風力發(fā)電技術日益進步，永磁直驅寬頻風機逐步被應用于風電項目中。由于風能資源并不是持續(xù)的，這種間歇性特征使得電力系統(tǒng)在輸配電過程中的運營難度非常大，風力發(fā)電并網(wǎng)運行中存在著較大的問題，通過對并網(wǎng)運行特性的研究，可以提升風力發(fā)電項目的經濟與社會效益，保持風力發(fā)電的穩(wěn)定性?；诖?，本文重點探析了永磁直驅寬頻風機電氣的并網(wǎng)運行特性，有利于實現(xiàn)風能資源的綜合利用率，實現(xiàn)風能向電能的轉化。

【關鍵詞】永磁直驅寬頻風機;電氣并網(wǎng);運行特性

近年來，在經濟社會不斷發(fā)展的過程中，電能資源的需求量日漸增多，傳統(tǒng)的電力生產效率低下，且存在巨大的能源消耗，在當前的可持續(xù)發(fā)展理念下，風力發(fā)電成為了有效的電力生產方式，風能資源屬于清潔能源，風力發(fā)電項目的實施中，雖然其優(yōu)勢明顯，但是，由于風能的較大波動性，使得永磁直驅寬頻風機運營管理難度大，風力發(fā)電并網(wǎng)需嚴格通過對運行特性的研究，來保持電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與安全性。

1、直驅永磁風力發(fā)電機基本構成

直驅永磁風力發(fā)電機是風電項目的關鍵設備，在具體的應用過程中，實現(xiàn)了多極永磁發(fā)電機與風機的直接連接，風機能夠直接來驅動發(fā)電機的運行，這種結構下，去除了中間的傳動齒輪箱，能夠在整個的運行過程中避免傳動齒輪箱所造成的諸多不利影響。直驅式永磁風力發(fā)電機下，轉子是與風機直接連接的，由于風速值處于波動狀態(tài)下，轉子轉速也會隨之發(fā)生一定的變化，那么，在此情況下，交流電頻率也會將會產生一定的變化，無法保障并網(wǎng)運行目標的實現(xiàn)[1]。因此，在實際的設計過程中，需利用背靠背變流器來對交流電加以整流，隨后再逆變成為與電力系統(tǒng)要求相一致的交流電。直驅風電系統(tǒng)中，變流器與變流器控制是關鍵。

2、系統(tǒng)參數(shù)

以金風1.5MW風機為研究對象，該風機運行時采用的是無增速齒箱葉輪直接驅動發(fā)電機的技術，多極對永磁同步發(fā)電機組，風機的運行過程中，全部功率通過全功率的1.5MW變頻器并網(wǎng)，由于并網(wǎng)是通過變頻器來實現(xiàn)的，風機的并網(wǎng)電氣特性與發(fā)電機是相互獨立的。

系統(tǒng)運行過程中，一旦出現(xiàn)了某種故障，為了避免各種故障對電網(wǎng)穩(wěn)定性與設備所造成的不利影響，實現(xiàn)對設備的保護，風機在實際的運行過程中，需根據(jù)各類故障的持續(xù)時間自動判定是否需要從系統(tǒng)中切出來開展相應的運行，其保護值、延遲時間有著特定的標準。系統(tǒng)保護參數(shù)在風機并網(wǎng)的過程中，可以根據(jù)各個電網(wǎng)企業(yè)的具體要求來進行相應的調整與優(yōu)化，但是，在保護參數(shù)的設定過程中，要嚴禁將保護參數(shù)設置得過大。如果風機并網(wǎng)運行時出現(xiàn)了相應故障，且持續(xù)時間超出了標準值，風機需退出運行。

3、金風1.5MW風機并網(wǎng)運行特性

根據(jù)金風1.5MW風機的相關參數(shù)和特性，其屬于變槳寬帶調速同步風力發(fā)電機，整體上為永磁同步電機、無增速齒箱設計。其系統(tǒng)設計與傳統(tǒng)的風機設計有所不同，在具體的使用過程中存在著突出的優(yōu)勢：永磁同步發(fā)電機下的整體結構構成簡單，在運行時的效率較高，且后續(xù)的維護相對便捷，甚至不需要維護;無齒箱設計的風機具有更高的可靠性，在整個的運行過程中可以保持較高的效率;全功率變頻器下，完全可以實現(xiàn)對功率的柔性控制，具有控制的靈活性與高效性，根據(jù)有關數(shù)據(jù)，風機的變速范圍甚至可以達到50%，風能資源的利用率更高[2]。

3.1并網(wǎng)特性——有功功率控制

此風機統(tǒng)為變槳系統(tǒng)，在整個機組的運行過程中，變槳系統(tǒng)能夠大大提升風機的最大輸出功率、有功功率，且在最大輸出功率的控制方面更為靈活。機組有功功率控制下，完全能夠實現(xiàn)在線控制的目的，當此種控制方式與金風能量控制平臺有效結合以后，完全能夠滿足對風電場遠程和實時控制的要求。

比如，以風機最大輸出功率控制作為研究點，在實際的控制過程中，風機完全可以通過對葉片槳距角的控制來實現(xiàn)對吸收風能的控制，這種控制方式下，風機出力的控制更具可靠性，且控制范圍非常大，這一功能下，風電場的整體出力得到了有效的控制，尤其是在大風天氣下，可以通過對風電場輸出的科學控制，將風電場控制與電力系統(tǒng)調度有效結合起來，維持風電機組的可靠、穩(wěn)定運轉，使得電網(wǎng)能夠維持最佳的運行狀態(tài)[3]。風電場在建設的最初階段，風機能夠根據(jù)電力企業(yè)的具體要求來進行啟動功率上升變化率的設置。

3.2并網(wǎng)特性——無功功率控制

金風1.5MW機組運行時，并網(wǎng)是經由全功率變流器來實現(xiàn)的，無功率調節(jié)方式與STATCOM相類似，響應時間在10ms以內。當機組處于正常發(fā)電狀態(tài)下時，機端的無功功率為0，而機組的功率因數(shù)為1。在此機組中具備機端電壓控制模式，機組本身具備良好的無功調節(jié)能力，這一功能可以在系統(tǒng)存在劇烈的電壓波動情況下，及時啟動無功調節(jié)功能，進而來使得機端電壓維持在相對穩(wěn)定的狀態(tài)下，維持電網(wǎng)的正常運轉。

3.3并網(wǎng)特性——啟動過程

換流器同步并網(wǎng)技術與變槳控制功率是其中的關鍵技術，這些技術下，可以使得風機并網(wǎng)過程中受到的沖擊力最小。當電網(wǎng)系統(tǒng)與風機系統(tǒng)都維持在正常情況下且風速在風機的啟動風速以上時，風機將會立即啟動。具體的啟動過程中，風機變槳系統(tǒng)將對葉片角度加以有效控制，在這一控制方式下，可以將停機時的順槳狀態(tài)調節(jié)到一定的角度范圍內，此時，葉輪也就可以吸收一定的風能，進而在此條件下驅動發(fā)動機的運動，當發(fā)電機轉速達到設定值時，速度將保持在穩(wěn)定狀態(tài)下。

結語：

近年來，隨著風電項目的增多，風電場的建設數(shù)量日漸增加，風電并網(wǎng)作為主要的發(fā)電方式，在實際的運行過程中，必須要嚴格掌握并網(wǎng)特性，通過這一特性的掌握來提高風電場、電力系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。

參考文獻：

[1]劉勇，麻廣林，寧波，等.含chopper電路的直驅風機響應電網(wǎng)短路的運行特性分析[J].電力科學與工程，2016（6）：49-56.

[2]徐小三，張明.含蓄電池儲能的永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)研究[J].電氣自動化，2015（03）：45-47.

[3]于洋，徐政，徐謙，等.永磁直驅式風機采用混合直流并網(wǎng)的控制策略[J].中國電機工程學報，2016，36（11）：2863-2870.