【文章內(nèi)容簡介】 并網(wǎng)運行，風(fēng)電增長率比其它電源增長率高的趨勢仍然繼續(xù)。截止 20xx 年 12 月 31 日世界裝機容量已達 58982MW，年裝機容量為 4 11,310MW，增長率為 24%；風(fēng)力發(fā)電量占全球電量的 1%，部分國家及地區(qū)已達 20%甚至更多。 20xx 年世界風(fēng)電累計裝機容量最多的十個國家，前十名合計 ，約占世界總裝機容量的 %。 20xx 年國際風(fēng)力發(fā)電市場份額的分布多樣化進程呈持續(xù)發(fā)展趨勢：有 11個國家的裝機容量已高于 1,000MW，其中 7 個歐洲國家（德國、西班 牙、意大利、丹麥、英國、荷蘭、葡萄牙）， 3 個亞洲國家（印度、中國、日本），還有美國。亞洲正成為發(fā)展全球風(fēng)力發(fā)電的新生力量，其增長率為 48%[5]。 20xx 年歐洲風(fēng)能協(xié)會（ EWEA）與綠色和平組織（ Greenpeace International）發(fā)表了一份標題為 “風(fēng)力 12（ Wind Force 12） ”的報告，勾畫了風(fēng)電在 2020年達到世界電量 12%的藍圖。報告聲明這份文件不是預(yù)測，而是從世界風(fēng)能資源、世界電力需求的增長和電網(wǎng)容量、風(fēng)力發(fā)電市場發(fā)展趨勢和潛在的增長率、與核電和大水電等其他電源技術(shù)發(fā) 展歷程的比較以及減排 CO2 等溫室氣體的要求，論證了風(fēng)電達到世界電量 12%的可能性。報告還指出中國 2020年風(fēng)電裝機有可能達到 億千瓦。 國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電的現(xiàn)狀，根據(jù)國家氣象科學(xué)院的估算，我國陸地地面 10 米高度層風(fēng)能的理論可開發(fā)量為 32 億 kW，實際可開發(fā)量為 億 kW。海上風(fēng)能 可開 發(fā)量是陸地風(fēng)能儲量的 3 倍。 5 年中國除臺灣省外新增風(fēng)電機組 592臺，裝機容量 萬 kW。與 20xx 年當年新增裝機 萬 kW 相比， 20xx年當年新增裝機增長率為 254%。 截至 20xx 年底，中國除臺灣省外累計風(fēng)電機組 1864 臺，裝機容量 萬 kW，風(fēng)電場 62 個。分布在 15 個省（市、自治區(qū)、特別行政區(qū)），它們按裝機容量排序如表 3 所示。與 20xx 年累計裝機 萬 kW 相比， 20xx 年累計裝機增長率為 %。 20xx 年風(fēng)電上網(wǎng)電量約 億 。中國 “十一五 ”國家科技支撐計劃重大項目 “大功率風(fēng)電機組研制與示范 ”支持 ~、 以上雙饋式變速恒頻風(fēng)電機組的研制； ~、 以上直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機組的研制； 以上風(fēng)電機組葉片、齒輪箱、雙饋式發(fā)電機、直驅(qū)式永磁發(fā)電機的研制及產(chǎn) 業(yè)化； 以上雙饋式風(fēng)電機組控制系統(tǒng)及變流器、直驅(qū)式風(fēng)電機組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產(chǎn)業(yè)化；近海風(fēng)電場建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究；近海風(fēng)電機組安裝及維護專用設(shè)備的研制；大型風(fēng)電機組相關(guān)標準制定及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展分析等 16 個課題的研究 [10]。 “十一五 ”末，我國風(fēng)電技術(shù)的自主研發(fā)能力將接近世界前沿水平。 5 風(fēng)力發(fā)電的 并網(wǎng)方式 上世紀八十年代的大型風(fēng)機通常采用帶有升速齒輪箱的定速型鼠籠式異步發(fā)電機。由于技術(shù)簡單、經(jīng)濟性高，獲得了許多國家廣泛的應(yīng)用，目前我國已建成運行的大型風(fēng)機絕大多數(shù)屬于這一技術(shù)類型。但是定速型 鼠籠發(fā)電機的缺點也很明顯。首先，由于這種風(fēng)力機轉(zhuǎn)速是恒定的，在不同的風(fēng)速下難以獲得合適的尖速比，導(dǎo)致截獲風(fēng)能的效率降低；其次，齒輪箱在風(fēng)況和環(huán)境變化中承受變荷沖擊、懸殊溫差，維修保養(yǎng)的成本很高，成為風(fēng)力發(fā)電機組中的軟肋環(huán)節(jié)；另一個缺點是異步感應(yīng)電機需要從電網(wǎng)吸收滯后的無功勵磁功率，功率因數(shù)低，需要附加額外的無功補償裝置。 針對定速型鼠籠發(fā)電機的缺點，變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案開始采用。實現(xiàn)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的方法很多 [16]，目前先進的風(fēng)力發(fā)電典型技術(shù)方案，主要是雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機和無齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電機 二種。 (1)雙饋異步電機變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 目前美國 GE 能源、德國 Fuhrlamp。aumlnder 等公司的很多風(fēng)力發(fā)電機產(chǎn)品，采用變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)方案，由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)速運行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)差功率僅為定子額定功率的小部分，中所示的雙向變頻器的容量僅為發(fā)電機容量的四分之一至三分之一，機組的總價格較低。但是存在齒輪箱，其維護保養(yǎng)費用遠高于無齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。 (2)永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 為了省去高故障率的齒輪箱 ，提高風(fēng)力發(fā)電機組的可靠性和效率，以德國Enercon公司為首的風(fēng)電機制造商，推出無齒輪箱永磁同步風(fēng)力發(fā)電機。永磁同步發(fā)電機用永磁體替代普通發(fā)電機的勵磁，省去電刷滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時也節(jié)約了勵磁功率，提高了發(fā)電機效率。盡管由于直接耦合，永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)速很低，使發(fā)電機體積大、成本高，但免去了齒輪箱，使其具有了傳統(tǒng)風(fēng)電機組所不具備的許多優(yōu)勢，整個系統(tǒng)的成本也降低了。而且可根據(jù)風(fēng)速改變風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，保持上網(wǎng)頻率不變，提高了風(fēng)能利用率，還可以實現(xiàn)平穩(wěn)并網(wǎng)。永磁風(fēng)電機組采用多級同步永磁發(fā)電機與葉輪直接連接進行驅(qū)動的方 式。隨著風(fēng)機轉(zhuǎn)速的變化，永磁風(fēng)力發(fā)電機所發(fā)出的電頻率也是不斷變化的。所以這類風(fēng)機的定子必須通過一臺全功率的電能變換器連接到電網(wǎng) [15,16]。電能變換器將這些頻率不斷變化的電能改變?yōu)楹泐l恒壓的交流電，輸入電網(wǎng)。永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖 11所示。 6 永磁發(fā)電機 A C / D C D C / A C電網(wǎng) 圖 11 永磁直驅(qū)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電 直驅(qū)式電能變換器控制技術(shù) 雙 PWM變換器由于其良好的輸入輸出性能，在直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。而 PWM變換器的動態(tài)響應(yīng)決定了系統(tǒng)的性能好壞。目前 PWM變換器的研究熱點較多集中在拓撲結(jié)構(gòu) 簡單、動態(tài)相應(yīng)迅速的電壓型 PWM整流器上 ， 為了實 現(xiàn)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)的控制，必須控制網(wǎng)側(cè)電流相位， 傳統(tǒng)的電網(wǎng)電壓定向控制通常采用雙閉環(huán)級聯(lián)控制結(jié)構(gòu)：電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。并且電網(wǎng)電壓定向控制的性能有賴于電流內(nèi)環(huán)所采用的控制策略，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)多年的研究提出了不同的電流控制策略，主要分為兩類：一類是由 “間接電流控制 ”策略；另一類就是目前占主導(dǎo)地位的 “直接電流控制 ”策略。采用間接電流控制策略，直流電壓調(diào)節(jié)器的輸出直接用來調(diào)整整流器輸入端的電壓幅值和相位，網(wǎng)側(cè)電流的動態(tài)響應(yīng)慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化 比較靈敏。而采用直接電流控制策略，直流電壓調(diào) 節(jié)器的輸出直接用來控制網(wǎng)側(cè)輸入電流的幅值，電流響應(yīng)快，魯棒性好 。 網(wǎng)側(cè)變換器的主要任務(wù)就是為電機側(cè)變換器提供恒定的直流母線電壓，因此很多學(xué)者對提高網(wǎng)側(cè)變換器的抗擾動性能進行了研究 [5]。與采用電流控制策略不同，近年來出現(xiàn)了基于電網(wǎng)電壓定向的直接功率控制，用功率環(huán)代替了電流內(nèi)環(huán)，以直接調(diào)整變換器輸入輸出的功率平衡來實現(xiàn)直流母線的電壓控制，改進了系統(tǒng)的動靜態(tài)性能。 7 第 二 章 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)分析 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的介紹 由于風(fēng)力發(fā)電存在著風(fēng)速變化 或風(fēng)速較低的風(fēng)力發(fā)電機輸出的電能電壓變化較大、幅值較低且頻率變化，所以不能采取直接將發(fā)電機與電網(wǎng)相連接的方法并網(wǎng)。因此必須在風(fēng)力發(fā)電機的輸出端增加一個電力電子裝置的功率接口，將電壓和頻率均隨機變化的電能變換成電壓、頻率、諧波、相角和功率因數(shù)都符合電網(wǎng)要求的交流電能，再與公用電網(wǎng)連接實現(xiàn)并網(wǎng)。 風(fēng)力發(fā)電 并網(wǎng) 的 方法 自從上世紀以來，學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出了有很多種風(fēng)能并網(wǎng)方案并且應(yīng)用在實際的風(fēng)電場并網(wǎng)建設(shè)中?？偟脕碚f，目前風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)方式大致可以分為異步發(fā)電機、同步發(fā)電機和雙饋發(fā)電機三種方式。 并網(wǎng)方法 因為 風(fēng)力機為低速運轉(zhuǎn)的動力機械，在風(fēng)力機與異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子之間經(jīng)增速齒輪傳動來提高轉(zhuǎn)速以達到適合異步發(fā)電機運轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速。一般與電網(wǎng)并聯(lián)運行的異步發(fā)電機多選用 4極或 6極電機，因此異步電機轉(zhuǎn)速必須超過 1500r／ min或 1000r／ min才能運行在發(fā)電狀態(tài)向電網(wǎng)送電。根據(jù)電機理論，異步發(fā)電機并入電網(wǎng)運行時，是靠滑差率來調(diào)整負荷的，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系。因此對機組的調(diào)速要求，不像同步發(fā)電機那 樣 嚴格精確，不需要同步設(shè)備和整步操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時就可并網(wǎng)。但異步發(fā)電機在并網(wǎng)瞬間會出現(xiàn)較大的沖 擊電流 (約為異步發(fā)電機額定電流的 4～ 7倍 )，并使電網(wǎng)電壓瞬時下降。隨著風(fēng)力發(fā)電機組單機容量的不斷增大，這種沖擊電流對發(fā)電機自身部件的安全及對電網(wǎng)的影響也愈加嚴重。過大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機與電網(wǎng)連接的主回路中的自動開關(guān)斷開；而電網(wǎng)電壓的較大幅 度下降，則可能會使低壓保護動作，從而導(dǎo)致異步發(fā)電機根本不能并網(wǎng) 。 當前在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中采用的異步發(fā)電機并網(wǎng)方法有以下幾種： (1)直接并網(wǎng) 這種并網(wǎng)方法要求在并網(wǎng)時發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序相同，當風(fēng)力驅(qū)動的異步發(fā)電機轉(zhuǎn) 速接近同步轉(zhuǎn)速時即可自動并入電網(wǎng)；自動并網(wǎng)的信號由 測 速裝置給出 ,而后通過自動空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過程。但如上所述，直接并網(wǎng)時 8 會出現(xiàn)較大的沖擊電流及電網(wǎng)電壓的下降，因此這種并網(wǎng)方法只適合用于異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下而電網(wǎng)基于 DSP的風(fēng)能并網(wǎng)逆變器的研究容量較大的情況下。我國最早引進的 55KW風(fēng)力發(fā)電機組和自行研制的 50Kw風(fēng)力發(fā)電機組都是采用這種方法并網(wǎng)的。 (2)降壓并網(wǎng) 這種并網(wǎng)方法是在異步電機與電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，以達到降低并網(wǎng)合閘瞬間沖擊電流幅值及電網(wǎng)電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發(fā)電機并入電網(wǎng)以后， 進入穩(wěn)定運行狀態(tài)時，必須將其迅速切除。這種并網(wǎng)方法適用于百千瓦級以上、容量較大的機組，顯而易見這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟性較差。我國引進的 200KW異步發(fā)電機組，就是采用這種并網(wǎng)方式，并網(wǎng)發(fā)電機每相繞組與電網(wǎng)之間皆串接有大功率電阻。 (3)通過晶閘管軟并網(wǎng) 這種并網(wǎng)方法是在異步發(fā)電機定子與電網(wǎng)之間通過每相串入一只雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控制，雙向晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動開關(guān)的動合觸頭并聯(lián)。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。其并網(wǎng)的過程如下：當風(fēng)力發(fā)電機組接收到由控制系 統(tǒng)內(nèi)微處理器發(fā)出的啟動命令后，先檢查發(fā)電機的相序與電網(wǎng)的相序是否一致，若相序正確，則發(fā)出松閘命令，風(fēng)力發(fā)電機組開始啟動。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時 (約為99％～ 100％同步轉(zhuǎn)速 )，雙向晶閘管的控制腳同時由 180度到 0度逐漸同步打開；與此同時，雙向晶閘管的導(dǎo)通角則同時由 0度到 180度逐漸增大，此時并網(wǎng)自動開關(guān)未動作，動合觸頭未閉合，異步發(fā)電機即通過晶閘管平穩(wěn)的并入電網(wǎng)；隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電機的滑差率漸趨于零。當滑差率為零時，并網(wǎng)自動開關(guān)動作，動合觸頭閉合，雙向晶閘管被短接，異步發(fā)電機的輸出電流將不再經(jīng)雙 向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關(guān)觸頭流入電網(wǎng)。在發(fā)電機并網(wǎng)后，應(yīng)立即在發(fā)電機端并入補償電容，將發(fā)電機的功率因數(shù)提高到 ．該種軟并網(wǎng)方法的特點是通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，將發(fā)電機并網(wǎng)瞬間的沖擊電流值限制在規(guī)定的范圍內(nèi) (一般為 )，從而得到一個平滑的并網(wǎng)瞬態(tài)過程。在所示的軟并網(wǎng)線路中，在雙向晶閘管兩端并接有旁路并網(wǎng)自動開關(guān)，并在零轉(zhuǎn)差率時實現(xiàn)自動切換，在并網(wǎng)瞬態(tài)過程完畢后，即將雙向晶閘管短接。與此種軟并網(wǎng)連接方式相對應(yīng)的另一種軟并網(wǎng)連接方式是在異步發(fā)電機與電網(wǎng)之間通過雙向晶閘管直接連 接，在晶閘管兩端沒有并接旁路并網(wǎng)自動開關(guān)，雙向晶閘管既在并網(wǎng)過程中起到控制沖擊電流的作用，同時又作為無觸頭 9 自動開關(guān)，在并網(wǎng)后繼續(xù)存在于主回路中，這種軟并網(wǎng)方連接方式可以省去一個并網(wǎng)自動開關(guān)，因而控制回路較為簡單，而且避免了有觸頭自動開關(guān)觸頭彈跳、沾著及磨損等現(xiàn)象，可以保證較高的開關(guān)頻率。但這種連接方式需選用電流允許值大的高反壓雙向晶閘管，這是因為雙向晶閘管中通過的電流需滿足大連理工大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文能通過異步發(fā)電機的額定電流值，而具有旁路并網(wǎng)自動開關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式中的高反壓雙向晶閘管只要能通過較發(fā)電機 空載電流略高的電流就可以滿足要求。這種軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過程與上述具有并網(wǎng)自動開關(guān)的軟并網(wǎng)連接方式的并網(wǎng)過程類似，在雙向晶閘管開始導(dǎo)通階段，異步電機作為電動機運行，但隨著異步發(fā)電機轉(zhuǎn)速的升高，滑差率漸漸接近與零，當滑差率為零時，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)過程結(jié)束。 晶閘管軟并網(wǎng)技術(shù)對晶閘管器件及與之相關(guān)的晶閘管觸發(fā)電路提出了嚴格的要求，即晶閘管器件的特性要求一致、穩(wěn)定以及觸發(fā)電路可靠，只有發(fā)電機主回路中的每相的雙向晶閘管特性一致，控制極觸發(fā)電壓，觸發(fā)電流一致，全開通壓降相同，才能保證可控硅導(dǎo)通角在 0度～ 1踟度范圍內(nèi)同步逐漸增大，才能保證發(fā)電機三相電流平衡。目前在晶閘管軟并網(wǎng)方法中，根據(jù)晶閘管的通斷狀況，觸發(fā)電路有移相觸發(fā)和過零觸發(fā)兩種方式。移相觸發(fā)會造成電機每相電流為正負半波對稱的非正弦波 (缺角正弦波 )含有較多的奇次諧波分量，這些諧波會對電網(wǎng)造成污染公害，必須加以限制和消除。過零觸發(fā)是在設(shè)定的周期內(nèi)，逐步改變晶閘管的導(dǎo)通周波數(shù)。最后達到全部導(dǎo)通，使發(fā)電機平穩(wěn)并入電網(wǎng)，因而不產(chǎn)生諧波干擾。通過晶閘管軟并網(wǎng)法將風(fēng)力驅(qū)動的異步發(fā)電機并入電網(wǎng)是目前國內(nèi)外中型及大型號風(fēng)力發(fā)電機組中普遍采用的。中國引進和自行開發(fā)研制的 250、 300、 600KW的并網(wǎng)型異步風(fēng)力發(fā)電機組，都是采用這種并網(wǎng)技術(shù)。 整個并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由同步發(fā)電機、并網(wǎng)裝置組成．三相同步發(fā)電機輸出的交流電流采用不可控整流器整流為直流以后，經(jīng)過直流濾波環(huán)節(jié)，送入到DA／ AC逆變器的輸入端，逆變?yōu)殡妷骸?