发布时间 : 星期二 文章毕业论文-风力发电机转子电路驱动设计9更新完毕开始阅读
常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书
第四章 风力发电机的空载并网控制
4.1研究风力发电并网技术的必要性
从世界各国风电场运行的经验来看，大规模风电场接入电网的主要问题是电能质量问题、电网稳定性以及并网过程对电网的冲击。风力发电作为一种特殊的电力，具有许多不同于常规能源的发电的特点，风电场的并网运行对电网的电能质量、安全稳定、经济运行等诸多方面带来的负面影响。随着风电场规模的的不断扩大，风电特性对电网的影响也越来越明显，成为制约风电场规模与容量的重要因素。
由于风速的随机性。风速扰动可引起系统电压、频率的变化，严重时对系统的稳定性产生非常不利的影响。风电场输出功率的波动对于电网电压及系统频率的影响会随着风力发电比例的提高而加剧。在风电比例较高的电网，风电场输出功率及系统负荷的变化，使得电网稳定运行成为一个主要的问题。而随着风力发电机组单机容量的增大，在并网时对电网的冲击也越大。这种冲击不仅引起电力系统电压的大幅度下降，而且可能引发发电机与机械部件的损坏。如并网时间过长，还可能造成系统解列以及影响其他发电机组的正常运行。因此，如何安全、顺利、快速的并网已成为风力发电实际中不可忽略的环节。
风能并网要考虑对电能质量的影响。风速变化、潮流等会引起风电功率的波动与机组频繁启停。功率的变化将会使电网频率在一定范围波动，影响电网频率与敏感负荷的正常工作。风电功率的波动优惠引起电压不稳定，如电压波动、电压闪变、电压跌落等。而且并网后风电会给电网带来谐波电流，减少谐波对电网带来的污染也是有待解决的。 其次是电网稳定性的影响。风电功率注入电网，会引起电网功率不平衡，风电场附近局部电网的电压和联络线功率会超出安全范围，严重时甚至会导致电压崩溃，变速恒频风电系统在向电网注入功率的同时需要从电电网吸收大量的无功功率，所以，为补偿风电场的无功，风力发电机配有功率因素校正装置。无功补偿过程往往造成电网电压水平恶化，严重时引起电压崩溃。随着风电场规模扩大，在系统中所占比列也在增大，风力发电对电网的冲击也随之增大，影响电网的稳定性。
再就是并网过程对电网冲击。风力发电机组并网过程会产生一倍额定电流的冲击电流。对容量较小的电网而言，风电场并网过程会产生一倍而定电流的冲击电流。对容量较小的电网而言，风电场并网瞬间会引起电网电压大幅度下降，从而影响整个电网的稳定与安全。
综上所诉，风电并网，对电网的稳定性和电能的影响是不可忽略的，这些问题不仅仅影响用户的正常用电，处理不当甚至引起电网的崩溃，同时也制约着风力发电产业的发展。
- 17 -
常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书
4.1.1 并网型风力发电的特点
一般而言大型风电场并网具有以下特点:
输入风能的变化具有随机性；风力发电以自然风为原动力，自然风不可控，且风能很难大量粗村，因此，风电机组具有有功功率规律性差，难以预测。
大多风电场距电力主系统和 负荷中西较远，所以一般风电场与薄弱地方的电力系统相连；风能资源丰富地区一般距负荷中西较远，大规模的风力发电无法就地消纳，需要通过输电网远距离输送到负荷中心。
风电场单机容量小、数量多。风能的能量密度低，要获得相同的发电 容量。风力机尺寸比相应的顺论及大几十倍，限制了风电机组的单机容量，目前世界上投运的最大风电机组仅为5MW。
含异步发电机的风力发电机组运行时向电网送有功功率、吸无功功率；固定转速风电机组—异步发电机吸收无功功率，无功功率不可控；而变速风机组—双馈异步电机和直驱风电机组—永磁同步机无功功率可控，目前国内风电机组一般按功率因数控制（功率因数通常为1.0）.。
4.1.2采用异步机作为风力发电机的几种并网方式比较
1、空载并网方式
空载并网方式控制结构如图4.1 所示，其主要思路是并网前双馈发电机空载，定子电流为零，提取电网的电压信息（包括频率，相位，幅值）作为依据实现双馈发电机控制系统的励磁调节，使建立的双馈发电机定子空载电压与电网电压的频率、相位和幅值一致。
图4.1 DFIG空载并网控制系统结构图
空载并网控制相对简单，并网过程中几乎没有冲击电流。并网后，由于发电机和电网保持柔性连接，定
- 18 -
第五章 无刷双馈电机运行仿真
子电流仍然基本为0，并不向电网送电。当控制切换到最大功率点跟踪后，能实现双馈风力系统的并网发电
2、独立负载并网
独立负载并网方式如图4.2所示，负载并网时，风力机定子侧接阻性负载，在负载两端建立于电网频率、相位幅值一致的电压，然后进行并网。
图4.2 独立负载并网方式
负载并网同样能够实现无冲击并网，并网后，DFIG可以切除负载运行，定子侧功率全部输入电网。若并网时所带电阻为需要继续供电的本地负载，则也可以带负载运行，定子侧输出能量线满足本地负载所需，多余的输送至电网，构成分布式发电系统。
负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速的控制。降低了对风力发电机调速能量的要求，但控制较为复杂。
4.1.3双馈发电机系统的并网运行
双馈发电机定子三相绕组直接与电网相连，转子绕组经PWM变流器联入电网。这种系统并网运行的特点如下。
（1）风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由PWM控制进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本无电流冲击。对于无初始启动转矩的风力发电机组在静止状态下的启动，可由双馈电机运行于电动机工况来实现。
（2）风力发电机的转速可随风负载的变化及时作出相应的调整，使风力发电机组以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。
（3）双馈发电机的励磁可调量有3个：励磁电流的频率、幅值和相位。调节励磁电流的频率，保证发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力；通过改变励磁电流的幅值和相位，可达到调节输出有功功率和无功功率的目的。当转子电流相位改变时，由转子电流产生的转子磁场在电机气隙空间的位置有一个位移，从而改变了双馈电机定子
- 19 -
常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书
电动势与电网电压向量的相对位置，也即改变了电机的功率角，所以，调节励磁不仅可以调节无功功率，也可以调节有功功率。
4.2双馈风力发电机并网控制
并网控制策略是在风力发电机组启动阶段，对发电机进行并网前的调节以满足并网条件。通过交流励磁变流器调解转子励磁电流，使得发电机定子发出的电压和电网电压的幅值、相位以及频率均相同。
4.2.1变速恒频双馈发电机控制策略
双馈风力发电机并网控制方式与直流励磁同步发电机及通常的异步发电机有所不同。同步发电机并网主要是刚性连接，发电机输出的频率完全取决于发电机的转速，与励磁无关，因此并网后运行时，发电机的转速也应该始终保持恒定。但是风速是时大时小，随机变化的，并网时的调速性能很难达到发电机的要求。普通的异步发电机并网运行时，由于通过转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度要求不高，不需要完全同步，只要转速接近同步转速就可以并网，主要的并网方式有：直接并网方式、准同步并网方式及降压并网方式的呢过。相当于上述两类发电机，变速恒频双馈型风力发电机能够实现与电网的柔性连接，大大减少了并网时对电网的冲击。并网时，根据检测到得电网电压以及发电机的转速，通过调节转子励磁电流大小似的定子发出的电压满足并网条件。双馈发电系统并网运行过程分为三个阶段:并网前的控制运行、并网时的过渡过程以及并网后的最大风能跟踪过程。风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由变流器控制转子励磁电流进行并网匹配，以便于迅速地并入电网。并网成功后，控制系统由并网控制切换到最大风能跟踪的发电控制模式，如图 4.3所示
图 4.3变速恒频双馈发电机控制策略切换框图 研究DFIG空载并网控制的原理，需建立DFIG的空载数学模型。
- 20 -