永磁直驱宽频风机电气的并网运行特性

张海军 王洪超

【摘要】近年来，随着新能源的开发，风力发电技术日益进步，永磁直驱宽频风机逐步被应用于风电项目中。由于风能资源并不是持续的，这种间歇性特征使得电力系统在输配电过程中的运营难度非常大，风力发电并网运行中存在着较大的问题，通过对并网运行特性的研究，可以提升风力发电项目的经济与社会效益，保持风力发电的稳定性。基于此，本文重点探析了永磁直驱宽频风机电气的并网运行特性，有利于实现风能资源的综合利用率，实现风能向电能的转化。

【关键词】永磁直驱宽频风机;电气并网;运行特性

近年来，在经济社会不断发展的过程中，电能资源的需求量日渐增多，传统的电力生产效率低下，且存在巨大的能源消耗，在当前的可持续发展理念下，风力发电成为了有效的电力生产方式，风能资源属于清洁能源，风力发电项目的实施中，虽然其优势明显，但是，由于风能的较大波动性，使得永磁直驱宽频风机运营管理难度大，风力发电并网需严格通过对运行特性的研究，来保持电力系统运行的稳定性与安全性。

1、直驱永磁风力发电机基本构成

直驱永磁风力发电机是风电项目的关键设备，在具体的应用过程中，实现了多极永磁发电机与风机的直接连接，风机能够直接来驱动发电机的运行，这种结构下，去除了中间的传动齿轮箱，能够在整个的运行过程中避免传动齿轮箱所造成的诸多不利影响。直驱式永磁风力发电机下，转子是与风机直接连接的，由于风速值处于波动状态下，转子转速也会随之发生一定的变化，那么，在此情况下，交流电频率也会将会产生一定的变化，无法保障并网运行目标的实现[1]。因此，在实际的设计过程中，需利用背靠背变流器来对交流电加以整流，随后再逆变成为与电力系统要求相一致的交流电。直驱风电系统中，变流器与变流器控制是关键。

2、系统参数

以金风1.5MW风机为研究对象，该风机运行时采用的是无增速齿箱叶轮直接驱动发电机的技术，多极对永磁同步发电机组，风机的运行过程中，全部功率通过全功率的1.5MW变频器并网，由于并网是通过变频器来实现的，风机的并网电气特性与发电机是相互独立的。

系统运行过程中，一旦出现了某种故障，为了避免各种故障对电网稳定性与设备所造成的不利影响，实现对设备的保护，风机在实际的运行过程中，需根据各类故障的持续时间自动判定是否需要从系统中切出来开展相应的运行，其保护值、延迟时间有着特定的标准。系统保护参数在风机并网的过程中，可以根据各个电网企业的具体要求来进行相应的调整与优化，但是，在保护参数的设定过程中，要严禁将保护参数设置得过大。如果风机并网运行时出现了相应故障，且持续时间超出了标准值，风机需退出运行。

3、金风1.5MW风机并网运行特性

根据金风1.5MW风机的相关参数和特性，其属于变桨宽带调速同步风力发电机，整体上为永磁同步电机、无增速齿箱设计。其系统设计与传统的风机设计有所不同，在具体的使用过程中存在着突出的优势：永磁同步发电机下的整体结构构成简单，在运行时的效率较高，且后续的维护相对便捷，甚至不需要维护;无齿箱设计的风机具有更高的可靠性，在整个的运行过程中可以保持较高的效率;全功率变频器下，完全可以实现对功率的柔性控制，具有控制的灵活性与高效性，根据有关数据，风机的变速范围甚至可以达到50%，风能资源的利用率更高[2]。

3.1并网特性——有功功率控制

此风机统为变桨系统，在整个机组的运行过程中，变桨系统能够大大提升风机的最大输出功率、有功功率，且在最大输出功率的控制方面更为灵活。机组有功功率控制下，完全能够实现在线控制的目的，当此种控制方式与金风能量控制平台有效结合以后，完全能够满足对风电场远程和实时控制的要求。

比如，以风机最大输出功率控制作为研究点，在实际的控制过程中，风机完全可以通过对叶片桨距角的控制来实现对吸收风能的控制，这种控制方式下，风机出力的控制更具可靠性，且控制范围非常大，这一功能下，风电场的整体出力得到了有效的控制，尤其是在大风天气下，可以通过对风电场输出的科学控制，将风电场控制与电力系统调度有效结合起来，维持风电机组的可靠、稳定运转，使得电网能够维持最佳的运行状态[3]。风电场在建设的最初阶段，风机能够根据电力企业的具体要求来进行启动功率上升变化率的设置。

3.2并网特性——无功功率控制

金风1.5MW机组运行时，并网是经由全功率变流器来实现的，无功率调节方式与STATCOM相类似，响应时间在10ms以内。当机组处于正常发电状态下时，机端的无功功率为0，而机组的功率因数为1。在此机组中具备机端电压控制模式，机组本身具备良好的无功调节能力，这一功能可以在系统存在剧烈的电压波动情况下，及时启动无功调节功能，进而来使得机端电压维持在相对稳定的状态下，维持电网的正常运转。

3.3并网特性——启动过程

换流器同步并网技术与变桨控制功率是其中的关键技术，这些技术下，可以使得风机并网过程中受到的冲击力最小。当电网系统与风机系统都维持在正常情况下且风速在风机的启動风速以上时，风机将会立即启动。具体的启动过程中，风机变桨系统将对叶片角度加以有效控制，在这一控制方式下，可以将停机时的顺桨状态调节到一定的角度范围内，此时，叶轮也就可以吸收一定的风能，进而在此条件下驱动发动机的运动，当发电机转速达到设定值时，速度将保持在稳定状态下。

结语：

近年来，随着风电项目的增多，风电场的建设数量日渐增加，风电并网作为主要的发电方式，在实际的运行过程中，必须要严格掌握并网特性，通过这一特性的掌握来提高风电场、电力系统运行的可靠性与稳定性。

参考文献：

[1]刘勇，麻广林，宁波，等.含chopper电路的直驱风机响应电网短路的运行特性分析[J].电力科学与工程，2016（6）：49-56.

[2]徐小三，张明.含蓄电池储能的永磁直驱风力发电系统并网研究[J].电气自动化，2015（03）：45-47.

[3]于洋，徐政，徐谦，等.永磁直驱式风机采用混合直流并网的控制策略[J].中国电机工程学报，2016，36（11）：2863-2870.