第五讲 风力发电机组的并网技术

um 2 R2im 2 p m 2 s t 2 ut 2 R2it 2 p t 2 s m 2
定、转子磁链方程：
m1 Lm im 2 t1 Lm it 2
m 2 L2im 2 t 2 L2it 2
永磁同步发电机系统的并网
双馈发电机系统的并网
三
风电并网对电网的影响
恒速恒频发电机的并网
一、同步发电机的并网运行
由于同步发电机本身固有的特性，将其移 植到风电机组中使用时，效果不甚理想， 这是由于风速随机变化，作用在转子上的 转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很 难达到期望的精度，若不进行有效的控制， 常会发生严重的无功振荡和失步，对系统 造成严重影响。
U1= 1Ψ1表明: 工频下磁链定向时的发电机定子磁链为定值，端电压U1正比于
定子磁链Ψ 1。发电机空载时，定子电流为零，即im1=it1=0，可由发电机电压﹑ 磁链方程得到 1 Lm im 2 it 2 0
m 2 L2im 2 t 2 0
代入发电机转子电压 dq
abc

isd

usd
isq
usq

ud
ud dec
uq dec
PI *
uq
-
usq
usq
*
usd *
PI PI -
L L
f
Lq
usd
功率计算 -
PI
isq*
iq PI -
id *

*
PI -
PI
isd *
-
Q
P
udc*
Q*
MPPT
双馈发电机系统的并网
整合电压方程与磁链方程得到：
um1 Lm pim 2 1 Lmit 2 ut1 1 Lmim 2 Lm pit 2
转矩、运动方程：
um 2 ( R2 L2 p)im 2 s L2it 2 ut 2 s L2im 2 ( R2 L2 p)it 2
nm=850r/min
i2 (7.5 A / 格)
亚同步
u1 (275V / 格)
空载并网控制实验
nm=1000r/min
i2 (7.5 A / 格)
同步速
nm=1100r/min
并网前，DFIG定子电压和转子励磁电流
u1 (275V / 格)
超同步
u1 (275V / 格)
us (275V / 格)
电网电压与DFIG 定子电压
i2 (7.5 A / 格)
i1 (3.75 A / 格)
nm ＝850r/min
i2 (7.5 A / 格)
并网过程，DFIG定子电压和转子励磁电流
并网瞬间定、转 子电流无冲击
i1 (3.75 A / 格)
nm ＝1100r/min
风电并网对电网的影响
随着越来越多的风电机组并网运行，风力发电对电网 的影响也越来越受到人们的广泛关注。风力发电原 动力是不可控的，它的出力大小决定于风速的状况。 从电网的角度看，并网运行的风电机组相当于一个 具有随机性的扰动源，会对电网电能质量和稳定性 等方面造成影响。 （1）电压波动和闪变 （2）谐波污染问题 （3）对电网稳定性的影响
um 2 ( R2 L2 p)im 2 s L2it 2 ut 2 ( R2 L2 p)it 2 s L2im 2
由此可建立交流励磁变速恒频风力发电机空载并网控制策略。
并网控制框图
空 载 并 网 控 制 结 构 原 理 图
i2 (7.5 A / 格)
u1 (275V / 格)
AC-VSCF风力发电机空载并网控制
空载并网实质是提取电网的电压信息，采用矢量变换技术对发电机进 行控制，调节其空载电压使其满足并网条件。
空载时DFIG定子电流为零，即 im1 it1 0 ，代入DFIG一般数学模型，得到空载数学模型： 定、转子电压方程：
um1 p m1 1 t1 ut1 p t1 1 m1
The End
并网要求：风力发电机组 调节器调节转速，使发电 机频率偏差达到容许值时 方可并网，因此对调节器 的要求较高。
异步发电机的并网运行
异步发电机运行时，靠转差率来调整负荷，对 机组调速要求不高，可直接并网，也可通过晶 闸管调压装置与电网相连接，然而，异步发电 机并网页存在一些特殊的问题，如直接并网会 产生过大冲击电流，造成电压大幅度下降，会 对系统安全构成威胁；本身不发无功功率，需 要无功补偿；当输出功率超出其最大转矩所对 应的功率会引起网上飞车等等。因此运行时必 须严格监视并采取相应得有效措施才能保障风 力发电机组的安全运行。
双向晶闸管控制的软切入法
对于较大型的风力发电机组，目前比较先进的并网方法 是采用双向晶闸管控制的软切入法。当发电机达到同 步速附近时，发电机输出端的短路器闭合，发电机组 通过双向晶闸管与电网相连，双向晶闸管触发角有 180°-0º 逐渐打开，双向晶闸管的导通角由0º -180º 通过电流反馈对双向晶闸管导通角控制，将并网时的 冲击电流限定在额定电流1.5倍以内，从而得到一个 比较平滑的并网过程。瞬态过程结束后，微处理机发 出信号，利用一组开关将双向晶闸管短接，完成并网 过程。
改善风电并网性能的一些措施
(1) 静止无功补偿器(SVC) 利用静止无功补偿器(SVC) 减小风力发电功率波动对 电网电压影响。风电场是一个发出有功功率、吸收 无功功率的特殊元件, 风电场的电压往往很低,利用 SVC改善系统电能质量和提高系统的稳定性是一个 有效的措施。 (2)有源电力滤波器(APF) 近年来,采用电力晶体管(GTR) 和可关断晶闸管(GTO) 及脉宽调制(PWM) 技术等构成的有源滤波器, 可对 负荷电流作实时补偿，有效地抑制了电压波动和闪 变。
并网的概念
并网有两层意思：
第一：指并网过程，即发电机从静止投切到电 网上开始发电这一过程，这是我们通常意义上 理解的并网。
第二：并网运行，即风力发电机连接到电网上 并将电能送到电网。这个概念对应于风力发电 机的独立运行。
主要内容
一
恒速恒频发电机的并网
同步发电机的并网 异步发电机的并网
二
变速恒频发电机的并网
异步发电机的风电机组并网方式
（1）直接并网方式，采用这种方式时只要发电机 转速接近同步转速时即可并网。 （2）准同期并网方式，在转速接近同步速时，先 用电容励磁，建立额定电压，然后对已建立的 发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系 统同步，当发电机的电压，频率，相位于系统 一致时，将发电机投入电网运行。 （3）降压并网方式，为了抑制并网时的冲击电流， 可在异步电机与电网之间串接电感器，使系统 电压不致下跌过大，并网后稳定运行时，再将 其短接。
由于风速的随机性，输入到发电机的能量也在不断地变化，然 而，同步发电机的转速和电网频率之间是刚性耦合的，不 可直接并网。现在一般采取的方法是在同步发电机和电网 之间采用交-直-交变频系统，。该系统有以下优点： （1）由于采用交-直-交变频系统，使发电机组工作频率与电 网频率相互独立，因此不必担心并网时可能出现的失步问 题。发电机可以运行在不同转速下，最大限度地捕捉风能； （2）采用变频装置进行输出控制，并网时没有电流冲击，对 系统几乎没有影响。
直驱式永磁发电系统
目前在变速恒频发电领域中，直驱永磁同步发电机组 较受欢迎。永磁同步电机结构简单，没有励磁绕组， 节省了电机的用铜量，无电刷，无滑环，消除了转 子损耗，运行可靠。直驱永磁同步发电机与风力机 直接耦合，省去了变速箱，提高可靠性，减少系统 噪声，降低了维护成本，是风电机组发展的一个重 要方向。
交流励磁双馈发电机变速恒频发电方案是通过在双馈电机转子 侧施加三相交流电进行励磁，调节励磁电流幅值，频率和 相位，以实现定子侧恒频恒压输出。 在双馈风电系统中，发电机与网侧是柔性连接关系，可通过调 节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击 和过大的电压波动。
齿轮箱 电网
电力电子 变换器
变速恒频风力发电机组的并网方式主要有 空载并网，带独立负载并网，孤岛并网。
永磁同步发电机的矢量控制
永磁同步电机
Ug
idc
iL
Ro Lo C
电网
Us
g
位置检测
iu iv iw
abc dq
整流器
Su Sv Sw
逆变器
Sa Sb Sc
abc
id
udc
ia ib ic
dq
usa usb usc
abc dq
iq
g
d dt
g
Ld
PWM发生器 uu uv uw
dq abc
Te 0
J g dm Dg Kg Tl m m pn dt pn pn
仍然采用定子磁链定向，将m轴定在定子磁链矢量的方向，忽略定子电阻。
u 此时有： R1 0、um1 0、 t1 u1、 m1 1、 t1 0 成立。
p 1 0 u1 1 1
第五讲
风力发电机组的并网技术
湖南大学电气与信息工程学院 黄 科 元 博士
2011年4月
背景
随着风电场的容量越来越大，对电网的影响也 越来越明显，研究风力发电并网对系统的影响 已成为重要课题。一般风力资源丰富的地区往 往人口稀少，处于供电网络的末端，承受冲击 的能力较弱，并网风电机组在持续运行和切换 操作过程中都会产生电压波动和闪变，给当地 电网的电能质量及稳定性造成不良影响。因此， 风电机组的并网问题正逐渐成为新的研究热点， 引起人们的广泛关注。
同步发电机的并网过程
同步发电机的并网控制如下：当风速超过切入风速时，启动 风电机组，当发电机被带到接近同步速时，启动励磁调节器， 给发电机励磁，使发电机的端电压接近电网电压。在几乎达 到同步速时，检测出断路器两侧电位差，当其为零或非常小 时，合闸并网，此时只要接近同步转速，就可使并网瞬态电 流减至最小，因而发电机组和电网受到的冲击也最小。
变速恒频发电机组的并网
随着风力发电技术的发展，变速恒频发电机组已 成为大型并网风力发电机组的主流机型。相对 于恒速恒频发电机组，变速恒频发电机组最为 重要的一个优势就是能在很宽的风速范围内保 持最佳叶尖速比，从而使风能利用系数CP保持 最大值不变，以捕获最大风能，提高发电机组 的效率。
同步发电机交-直-交系统并网