双馈风力发电机组的并网特性分析

双馈风力发电机组的并网特性分析

李伟

华润新能源（北票）风能有限公司    122000

摘要：介绍了风机接入电网中存在的问题及风机接入电网特点，提出了一种对双馈型风机接入电网影响进行了最优控制的方法，其目标是使风机接入电网后的影响达到最优。

关键词：风力发电，并网特性，双馈发电机组，优化策略

引言：风力发电是目前国内最主要的一种新的清洁能源，但目前风力发电技术仍有很大的发展空间。由于风力发电的非平稳性和由其引起的费用问题是制约我国风力发电发展的关键问题。

1 双馈风力发电机组

双馈风机由发电机、风力机、增速齿轮箱、控制单元、双向变频装置等五个部件组成，而且具有可调的激励系数和可调的激励线圈。当负载发生突然变化时，双馈式风电可利用其自身的激励信号，调整其运行速度，从而达到卸载或吸纳负载的目的，从而改善系统的运行状态，是其优越性所在。双馈式风电机组在电网中的应用：由于风电具有一定的时效性，其速度与风电机组的有功、无功密切相关。将这种不稳定的间歇能量接入电网，势必要处理由于风力变化引起的频率波动、电压瞬态波动和谐波污染等问题。电网故障也是制约双馈式风电机组接入的一个关键因素，在可检修的情况下，如何确保风电机组不发生脱网，确保其与电网的连通，是保障其接入稳定的关键环节。

2 双馈风力发电机并网特性

如何运作。双馈感应式发电机，是将定子和转子三相绕组，然后与一个三相对称的三相供电，这两个供电系统是相互分离的。定子绕组与工频电源相连，转子绕组与频率、幅值、相位相连，并且也能够按照具体的情况和有关的规范，合理地调整交流电源，也就是使用交-直-交或交-交变频器为转子绕组充电的结构。在转子外部施加电压的时候，要符合转子所产生的电磁势的频率，并且要保证其值不变，在特定的条件下，要对所施加的电压的幅值、相位进行变化时，要根据电机的运行速率和定子的能量值进行相应的调整。

职业特性。风力发电是通过风力机的功能，来驱动风力发电机旋转来发电，风力机的种类有两种：一种是水平轴浆式风力机，另一种是竖直轴浆式风力机。目前，我国普遍使用的是横轴浆叶型风机。相对于定速风电，双馈式异步风电具有更加突出的实用意义，其在实践中具有如下优点：（1）既能在超同步区也能在亚同步区工作，又能在工作中合理调整动力因素，保证整体工作的安全高效。(2)能够对诸如频率、幅度和相位等的变化速率的恒频率的函数进行适当地调节，从而保证该函数的参数的精确度。在转子转速改变的情况下，通过适当的调节转子磁势的频率，可以将定子的频率保持在一个常值，实现了变速、恒频的作用。(3)在电网接入时，可以使发电机组的动力特征与风力发电机组的动力特征进行配合。

3 双馈风力发电机并网对电网的影响

电力系统的电压、频率、波形是电力系统的三大指标。针对双馈风电场的接入，由于风速、风向、风量的不确定性，以及自身特有的工作特点，将会引发电压波动、电压闪变、谐波污染等问题，从而造成电力系统的输出电力波动和电力品质下降。

在电网运行过程中，风电机组启动、停机和运行过程中，往往会出现电压波动、闪变和谐波等现象。表1列出了接入电力系统的双馈式风电机组对电力系统的冲击。

表1双馈风力发电机并网对电网的影响

除上述表中所提及的双馈风电机组并网对电网的影响之外，双馈风电机组并网对电网的影响还包括：（1）风电机组并网导致电网电流流动、潮流流向和分布出现了变化：电流流动从单向变成了双向，这导致电网短路电流出现了变化，进而对继电保护的操作进行了影响。潮流流动方向与分配发生变化，不仅会对原有的电力系统的计划与设计产生冲击，而且会对电网的网络架构造成冲击；(2)随着风力发电的增加，风力发电所产生的电压波动也会越来越大，严重时，风力发电所产生的电流和电流都会超过安全线，造成电网的压降；(3)随着风力发电投入的电力越来越多，从电力网络中所吸取的电力将越来越多，电力的冲击作用将越来越大，从而使系统的稳定性下降，甚至使其丧失了动力稳定性，最严峻的情况是使整个系统崩溃；(4)风速、风向和风流量的不确定性导致风电场输出功率的不确定性，给电网的有功和无功的均衡和分配带来了很大的难度。

4 双馈风力发电机并网优化策略

执行恒定的无功调控，在风电机组入网节点的电压下降/上升时，为其供电，输出/接收无功，协助风电机组的电压回复；其中，该恒定无功功率控制策略的具体操作是：先对由风电机组实际发出的无功量Qx进行判定，再基于由中控室给出的无功指定命令值Q，计算出风电机组需要补偿的无功量ΔQ，也就是ΔQ=Q-Qx；以目前的电压值为依据，找出需要提供支持的无功电流值IQ，对其进行控制，并对其进出风扇进行操作，以达到恒无功的控制。

执行一个恒电压控制策略，保证风扇的输出电压在其容许工作的区域中保持不变，其详细的操作过程如下：以风电机组允许工作的最大电压Umax和Uminref为基础，来决定风力发电机组的相应的基准电压Umaxref和Uminref，通过风扇电气监控模块和变频器的电压监控模块来监控风扇的输出电压Uw，如果风电机组的输出电流Uw比风机的输出电流更大或更小时，那么就可以计算出误差电压Udev,Udev=Uw-Umaxref,Udev=Uminref-Uw。在Udev=0或者|Udev<2.5%Un的情况下，通过对该系统的最大功率IQ进行了调整，使系统的功率达到最大值；当异步双馈式发电机定子最大能力发/收的无功电流仍然不能解决电压偏差时，就可以对网侧变频器GSC进行控制，使之提供一部分的无功电流，从而保证风扇出口电压稳定在允许运转的范围内。

为了适应电力系统对风电设备低压运行的需求，采取了“零”型的高压运行方式；(1)利用电网侧变频器GSC和机侧变频器MSC来实现变频器的低容量化，从而使变频器在“零”线穿入时产生很大的暂态短路电流，给机组带来很大的冲击性，同时变频器释放能量受限，变频器将自动停止运行。(2)由于使用了高电阻抗的变送器，即使PCC1上的网压下降至“零”，但由于变送器的电抗量很大，因此，其输出端的网压与网压之间仍然有一个压差dUT。(3)利用风轮所供给的IQ无功，使风轮输出的输出电压得到进一步提升，使风轮在电网出现故障时，即使在电力系统PCC1的电压降到“零”，风轮也不会脱离电力系统，使双馈式风轮系统得以“零”地跨越电力系统。

采用高压、低压两种状态下的“短期”操作，使得双馈式风电系统具有高压穿越的功能；在此之上，进一步添加以下技术手段：（1）在电网电压过低时，对风电机组的定子和网侧变频器GSC的无功进行动态调整，与高阻抗电压的变压器相配合，可使风电机组的出口电压最大提高20%Un，使双馈风电机组在比较低的条件下进行短时运转；(2)在电力系统中，在电力系统中发生不正常升高时，对风电系统中的定子及电力系统中的GSC进行了对风电系统中的无功进行了动态调整，并与高压变压器相配合，使风电系统输出的电力系统中的输出电流最大降低Un20%，从而使双馈风电系统能够在高压条件下短暂地工作；所说的Un值是指风电机组的额定电压.

5 结语

针对目前双馈式风电机组在并网运行时面临的风电失稳问题，研究风电机组的运行特点，提出基于风电系统运行的稳健性和经济性的综合方案，是解决该问题的关键。。

参考文献

[1]张挺仑.双馈风力发电机组的并网特性分析[J].集成电路应用,2023,40(01):92-93.

[2]万书亭,程侃如,绳晓玲,王萱.基于风速时空分布的双馈风力发电机组叶轮质量不平衡故障特性分析[J].太阳能学报,2021,42(09):236-243..

[3]严金昊,谢佳锟,姚李孝,杨国清.双馈风力发电机组经串补并网的次同步振荡分析[J].电网与清洁能源,2021,37(05):123-127+133.

作者简介：李伟  男  1992年3月  辽宁省锦州市   满族  本科    研究方向：风力发电    华润新能源（北票）风能有限公司    122000