风电并网方式专题讲座

44
2.2.3变速衡频发电机的并网方式
a.空载并网方式
b.带独立负载并网方式 c.孤岛并网方式

a.空载并网

并网前发电机空载，取电网电压（频率、相位、幅 值）作为控制信息提供给控制系统，据此调节发电 机的励磁，按并网条件控制发电机定子空载电压， 变速恒频风力发电机空载并网控制的实质是根据电 网的信息来调节发电机的励磁，使发电机输出电压 符合并网的要求。

异步发电机的并网结构
c.异步风力发电机的并网方式
直接并网方式 准同步并网方式 捕捉式准同步快速并网 降压并网方式 软并网方式
异步发电机组并网方式的特点比较
1.异步风力发电机直接并网
发电机直接与电网并联（即硬联网） 并网要求：风力机的风轮接近同步转速（即达 到99%~100%)时，即可并网。 优点：并网容易，控制简单。
恒速恒频系统一般来说比较简单,所采用的发电机主 要是同步发电机和笼形异步发电机,前者运行于由电 机极数和频率所决定的同步转速,后者则以稍高于同 步转速的速度运行.

2.1.3 恒速恒频同步发电机的并网条 件及其特点
同步发电机在运行中
,既能输出有功功率 ,又 能提供无功功率 ,且周波稳定 ,电能质量高 ,已 被电力系统广泛采用。然而 ,将其移植到风力 发电机组上使用时却不是很理想。这是因为 风速时大时小 ,致使作用在转子上的转矩极不 稳定 ,并网时其调速性能很难达到同步发电机 所要求的精度。并网后若不进行有效的控制 , 常会发生无功振荡与失步问题 ,在重载下尤为 严重。

11
2.1.4恒速恒频异步风力发电机及 其并网运行特点
12
2.1.4恒速恒频异步风力发电机及其 并网运来自百度文库特点
主要内容：
a.恒速异步风力发电机系统简介
b.恒速恒频异步发电机的运行特点 c.异步风力发电机的并网方式
a.恒速笼型异步风力发电机 系统
14
b.恒速恒频异步发电机的运行特点
异步发电机投入运行时，由于靠转差率来调整负荷， 因此对机组的调速精度要求不高，只要转速接近同 步转速就可并网。显然，风力发电机组配用异步发 电机不仅控制装置简单，而且并网后不会产生振荡 和失步，运行非常稳定。 然而，异步发电机并网也存在一些特殊问题，如直 接并网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降， 对系统安全运行构成威胁。 本身不发无功功率，需要无功补偿。 所以运行时必须采取相应的有效措施才能保障风力 发电机组的安全运行。
41
2.2.2-变速恒频直驱同步发电机组
42
2.2.2-变速恒频直驱永磁风力发电 系统
43
变速恒频的直驱永磁风力发电 系统并网运行特点
可以使风力发电机组在很大风速范围内按最
佳效率运行，可实现最大功率输出控制。 直驱永磁风力发电系统不需要电励磁装置， 具有重量轻、效率高、可靠性好的优点。 使风轮机与永磁同步发电机转子直接耦合， 省去齿轮箱，提高了效率，减少了发电机的 维护工作，并且降低了噪音
5.软并网（SOFT CUT-IN）技术
软并网图示
第二种软并网方式
发电机与系统之间软并网过渡，零转差自动 并网开关切换连接，连接方式如下： 当风轮带动的异步发电机启动或转速接近同步 转速时，与电网连接的每一根双向晶闸管 （晶闸管的两端与自动并网常开触点相并联） 控制角在控制角在1800一0o之间逐渐同步打 开，晶闸管的导通角也在0o一1800之间逐渐 同步打开。
3.捕捉式准同步快速并网
工作原理：是将常规的整步并网方式改为在频 率变化中捕捉同步点的工作方法进行并网。 优点：并网工作准确，快速可靠，即实现几乎 无冲击的准同步并网，对机组的调速精度要 求不高，很好的解决了并网过程与造价高的 矛盾，适合于风力发电机组的准同步并网操 作。
4.降压并网方式
这种方式是在发电机与系统之间串接电抗器， 以减少合闸瞬间冲击电流的幅值与电压下降 的幅度。如在各相串接大功率的电阻。由于 大功率的电抗和电阻消耗功率，并网后进入 稳定运行时，应将其电抗器和电阻切除。 这种并网方式要增加大功率的电阻或电抗器组 件，投资随机组容量的增大而增大，经济性 较差。它是用于小容量风力发电机组。
降压并网图示
异步电 机
电抗器
电网
无 功 补 偿
采用双向晶闸管的软切入法，使异步发电机并 网，其连接方式有两种 1，异步风力发电机通过(或双向)晶闸管软切入 装置与电网直接相连，异步风力发电机在接 近同步速时，晶闸管的控制角在1800一0o之 间逐渐同步打开，晶闸管的导通角也在0o一 1800之间逐渐同步打开，当异步风力发电机 滑差为零时，晶闸管全部导通，这时短接已 全部导通的晶闸管，异步风力发电机输出电 流直接流向电网，风电机组进入稳态运行阶 段。
转子电流
定子信息
电网
控制信号
控制系统
带独立负载的并网方式优缺点
优点;带负载并网方式的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控制， 降低了对风力机调速能力的要求。 缺点：控制系统较复杂。
c.孤岛并网方式
此并网方案的实现共分为三个阶段： 1.励磁阶段 2.孤岛运行阶段 3.并网阶段
风电并网方式及其对电 力系统的影响
1
风力发电系统结构示意图
第二讲、各类风力发电 机并网运行的模式及其特 点
引言 恒速恒频风电机组并网 运行的模式及其特点
变速恒频风电机组并网
运行的模式及其特点
3
什么是恒速恒频与变速恒频？
在风力发电中,当风力发电机与电网并联运行
时,要求风电频率和电网频率保持一致,即风电 频率保持恒定,因此风力发电系统分为恒速恒 频发电机系统(CSCF 系统)和变速恒频发电机 系统(VSCF 系统).
风力机
双PWM 变流器
变速恒频 发电机
转子电流
电网
控制信号
控制系统
空载并网的优点
通过对发电机转子交流励磁电流的调节与控
制，就可在变速运行中的任何转速下满足并 网条件，实现成功并网，这是这类新型发电 方式的优势所在。 很好的实现了定子电压的控制，实现简单， 定子的冲击电流很小，转子电流能稳定的过 渡，
line coupling transformer brake
gearbox
converter controller pitch drive
Yaw drive
wind turbine controller
37
2.2.2-双馈异步风力发电机系统
基于双馈感应发电机的变速风电 机组
39
国产1MW双馈异步风力 发电机
孤岛并网励磁阶段线路原理图
孤岛运行阶段
首先将K1断开，然后启动网侧的变流器，使之 开始升压运行，将直流侧生压到所需要的值。 此时能量在网侧变流器、发电机侧变流器以及 双馈电机之间流动，组成一个孤岛运行方式。
此时自动并网开关尚未动作，发电机通过双 向的晶闸管平稳的接入电网。发电机平稳运 行后，双向晶闸管出发脉冲自动关闭。发电 机输出电流不再经过双向晶闸管而是通过已 闭合的自动开关触点流向电网。
两种软并网的差异
第一种方式所选用的是高反压双向晶闸管的电 流允许值比第二种方式的要大得多。这是因 为第一种方式要考虑到能达到发电机的额定 电流值，第二种方式只要通过略高于发电机 空载时的电流就可以满足要求。但需要采用 自动并网开关，控制回路也略显复杂。
4
2.1恒速恒频风电机组并网运行的 模式及其特点
2.1.1简介恒速衡频风电机组
2.1.2恒速恒频风力发电机的主要缺点 2.1.3
恒速恒频同步发电机的并网条件及其特
点 2.1.4恒速恒频异步风力发电机及其并网运行 特点
2.1.1恒速衡频发电机

恒速恒频发电机系统是指在风力发电过程中保持发 电机的转速不变从而得到和电网频率一致的恒频电 能的一个发电系统。
a.并网条件： 1.需满足风力发电机的端电压等于电网的电压；
2.风力发电机的频率等于电网的频率；
3.风力发电机的相序与电网的相序相同才可并 网。
9
b.恒速恒频同步发电机的运行 特点
并网过程通常可以使用计算机自动检测。对风 力发电机的调速装置要求较高，成本较贵。 并网时能使瞬态电流减至最小，从而让风力发 电机组和电网受到的电流冲击也最小。 当风力发电机组功率保持不变时，通过调节励 磁电流，不仅能向电网发出有功功率，而且能 向电网发出无功功率，有助于提高电网的供电 能力。 对电网时刻控制要求精确，若控制不当，则有 可能产生较大的冲击电流，以致并网失败。
1.励磁阶段
从电网侧引入一路预充电回路接至交-直-交变 流器的直流侧。预充电回路由开关K1、预充 电变压器和直流充电器构成，当风力机转速 达到一定的转速要求的时候， K1闭合，直流 充电器通过预充电变压器给交-直-交变流器的 直流侧充电。充电结束后发电机侧的变流器 工作，供给双馈发电机转子侧励磁电流。定 子电流逐渐上升，一直到输出电压达到额定 值，励磁阶段结束。
40
双馈异步风力发电机的并网的运 可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运 行特点 行，可实现最大功率输出控制。



发电机定子三相绕组直接与电网相联，转子绕组经交/ 交循环变流器联入电网。风力发电机接近同步转速时， 由循环变流器对电压、频率和相位进行控制，并网时 基本上无电流冲击。 风力发电机的转速可随风速及负荷的变化及时作出相 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。 通过对励磁电流的频率、幅值和相位的调整。可保证 风力发电机在变速运行的情况下发出恒定频率的电力， 调节励磁时不仅调节无功功率，也可以调节有功功率。
2.准同步并网
在转速接近同步转速的时候，先用电容励磁， 建立额定电压，然后对已建立励磁的发电机 电压和频率进行调节和校正使其与系统同步。 当发电机的电压和频率相位与系统一致的时 候，将发电机投入电网运行。采用这种方式 并网需要高精度的调速器和整步、同期设备。
准同期并网的优缺点
优点： 冲击电流较小。对系统的电压影响较小， 设和与电网容量比风力发电机组大不了几倍 的地方使用。 缺点：并网时间长，必须控制在最大允许的转 矩范围内运行，以免造成网上飞车。

35
2.2.2变速恒频发电系统
和恒速机组（大部分使用异步发电机）不同,
现代变速衡频风电机组却能十分精确地控制 功率因数,甚至向电网输送无功,改善系统的功 率因数. 恒速衡频发电机主要包括： 双馈异步发电机 直驱型同步风力发电机
2.2.2变速恒频风力发电机系统
generator side breaker Converter (full rating) rectifier inverter grid side breaker
直接并网的缺点
并网瞬间产生比较大的冲击电流，供电 系统将受到4~5倍的发电机额定电流 的冲击，存在三相短路现象，系统电 压瞬间严重下降（如国产的FD-32200型风力发电机在做并网实验的时 候系统电压由410V下降到230V左 右），引起低电压保护动作，并网失 败。 这种并网方式只有在大的电网中并网 时才有可能
2.1.2恒速恒频风力发电机的主要缺点
恒速恒频风力发电机的主要缺点有以下几点:
1)风力机转速不能随风速而变,从而降低了对 风能的利用率; 2)当风速突变时,巨大的风能变化将通过风力 机传递给主轴、齿轮箱和发电机等部件,在这 些部件上产生很大的机械应力; 3)并网时可能产生较大的电流冲击.
2.1.3 恒速恒频同步发电机的并 网条件及其特点
b.带独立负载的并网方式
并网前发电机带负载运行，根据电网信息和 定子电压、电流对风力发电机进行控制。 其特点是： 并网前发电机带有独立负载，定子有电流， 因此在并网控制所需要的信息不仅取自于电 网侧，同时还取自于发电机定子侧。使控制 更精确，更有利于捕捉最大风能。
风力机
电阻箱
双PWM 变流器
变速恒频 发电机
2.2变速恒频风电机组并网运行 的模式及其特点
变速恒频发电机系统是指在风力发电过程中
发电机的转速可以随风速变化,而通过其他的 控制方式来得到和电网频率一致的恒频电能.
2.2.1变速恒频的同步发电机系 统并网运行特点
可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳 效率运行，可实现最大功率输出控制； 因为采用频率交换装置进行输出控制，并网时 不会对系统造成电流冲击； 同步发电机的工作频率与电网频率是彼此独立 的，叶轮及发电机的转速可以变化，不会发生 同步发电机的失步问题； 由于频率变换装置采用静态自励式逆变器，会 产生高次谐波电流流向电网。