风力发电机的并网运行与脱网保护探讨
2019-09-10苏来漫·阿布力汗
苏来漫·阿布力汗
【摘 要】风力发电已经在电网中占有了相当的比重，但是由于风的速度和方向是不断变化的，它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。随着风电场的容量的不断增大，对电网的影响也会越来越明显，研究可靠并可行的风电并网控制技术已成为迫切的问题。基于此，本文主要对风力发电机的并网运行与脱网保护进行分析探讨。
【关键词】风力发电机;并网运行;脱网保护
1、前言
近几年由于世界经济的迅猛发展，对能源的需求量增加很多，但随着能源的开采贮藏量逐年降低甚至干枯，整个全球将面临能源缺少的危机，这对今后世界经济发展，形成巨大的瓶颈。因此必须对电力模式进行思考，形成新的发展规划。风是一种清洁的可再生能源，风能的利用相对比较简单，而且机动灵活，因此研究风力发电对节约能源、保护环境有着深远的意义。
2、风力发电的并网运行
2.1风力发电机的分类
风机按气流进入叶轮后的流动方向，分为离心式风机、轴流式风机、斜流式风机等类型;按压力分低压风机、高压风机、高压轴流风机等;按比例大小分低比转速、高比转速和中比转速风机。按用途分引风机、纺织风机、消防排烟风机等。
2.2风力发电机的工作原理
风力发电的基本工作原理是通过风能→机械能→电能，也就是风能通过风轮机转换机械能，再有机械能带动发电机转换成电能。目前我国一般采用的是水平轴式风力发电机组，它主要有下面几部分构成：塔架、风轮、齿轮箱、发电机、偏航装置、液压系统、控制系统等。风轮的组成是由2-3个叶片装在轮毂上，转动的风轮在齿轮箱里增加速度后，就将动力传给发电机使得风能转换成机械能。想更好的充分利用风能，就需要安装偏航装置来识别风向，并由电气控制系统来控制大小齿轮的咬合转动，使机舱总是对着风的方向，风机的结构不同，工作原理也不同。
目前只有2大类风力发电机组可以投入并网运行，一是定桨定速型，二是变桨变速型。这两种类型主要采用的发电机有3种，即双馈异步发电机，永磁同步发电机，笼式异步发电机。
双馈异步电机是指定子绕组和转子绕组分别接到固定频率的三相电源和可调节频率的三相电源中，定子绕组直接和电网相连，电子绕组与可调节变频器相连，变频器一般采用交-直-交形式与电网相连。机组在各种不同的转速下实现恒频发电来满足并网要求。
E=4.44fNKNΦ，
E=sE=4.44sfNKΦ，
S=（n-n）/n;
n为转子转速，n為同步转速，f、f分别为DFIG电机定、转子旋转磁场频率。n为定子磁违场转速，n为转子磁场转速，n为转子磁场相对于转子的转速，电机稳定运行时，必须保证定、转子旋转磁场相对静止，则存在如下关系：n=n+n。
由于f=n/60，f=n/60，
则有：f+n/60=f。
发电机转速发生变化时，可进行调节转子励磁电流频率，从而保持定子输出电能的频率恒定，此即为变速恒频运行原理。
当发电机亚同步运行时（n
当发电机超同步运行时（n>n），转子绕组相序与定子相反，转子给外部电网输送电能。
3、风力发电机的脱网保护
3.1低电压穿越技术的提出
低电压穿越（LVRT），指当电网发生故障时，即风力发电机并网时，点电压跌落的时候，风机能够保持与电网联接而不间断的并网，从而为电网自行调节赢得时间，甚至要求风电场在这一过程中向电网提供一定的无功功率，支持电网恢复，直到电网恢复正常。当变频恒速双馈风力发电机，遇到电网电压突然下降时，由于与其配套的电力电子变流设备属于AC/DC/AC型，很容易造成励磁装置损坏，使转子发生峰值涌流，最终导致风力发电机组与电网解列。在过去当电机容量较小时，保护转子侧的励磁装置，就采取与电网解列的方式，但现在风力发电的容量都很大，与电网解列后会影响整个电网的稳定性，甚至会产生一些设备连锁故障，于是，国外的专家就提出了风力发电低电压穿越技术，此技术被电网方认为是提高电网安全稳定性的最大保障。
3.2低电压穿越技术的具体实现
3.2.1采用引入新型拓扑结构方案
这种结构有点类似于以往的软启动装置，在双馈感应发电机定子侧与电网间串联反并可控硅电路中，当此电路正常工作时，所有可控硅处于导通状态，在电网电压跌落降与恢复状态期间，转子侧的最大电流将会随电压的跌落幅度增大（励磁变流器必须选用大功率而且电流等级高的IGBT电子器件，来避免大电流冲击，保证变流器在电网故障时不与转子绕组断开）。为了不使设备发生损坏，通过反并可控硅电路与电网进行脱网，发生脱网后，励磁变流器可以重新励磁双馈感应发电机使电压开始回升，电压回升到一定数值时，双馈感应发电机就会于电网的电压的频率、幅值、相位达到同步，再通过开通反并可控硅电路使定子与电网连接。
3.2.2采用新的励磁控制策略
从成本节约的角度来看，最好的方法就是不修改系统内部的硬件结构，而是通过改变控制程序实现低压穿越，也就是说当电网在运行时出现故障，风电机仍然继续工作。通过仿真方法对不脱网运行的励磁控制进行研究，如果增加双馈感应发电机的励磁控制器中的可调器的比例和积分系数，可以保证风电机在电网发生故障时不脱网。]若要采取硬性负反馈的方法，即补偿定子电压和磁链变化对有、无功解耦控制的作用，可以在某个限度内控制转子产生的电流，从而保护励磁变流器。但此方案也有不可避免的缺点，它只适合输电系统中的发电机电压轻微下降时，对严重下降缺无法控制，因为它受到励磁变流器输出最大电压的限制，削弱了对转子电流的控制。
4、结语
总之，风力发电是一个集结构学、电力学、计算机学等综合性的学科技术，随着风电技术的不断完善，风电市场的地位将日渐巩固，其发展前程似锦。
参考文献：
[1]张丽英，叶廷路，辛耀中，等.大规模风电接入电网的相关问题及措施[J].中国电机工程学报，2010（4）：33～35.
[2]国家电网公司.防止风电大规模脱网重点措施[R].北京：国家电网公司，2011.
（作者单位：新疆风能有限责任公司）
