【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)的研究，但大多數(shù)研究還僅限于實(shí)驗(yàn)室，只有部分研究成果在中，在小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)中得到應(yīng)用。因此，加快雙饋機(jī)組的勵(lì)磁控制技術(shù)的研究進(jìn)度對(duì)提高我國(guó)風(fēng)電機(jī)組自主化進(jìn)程具有重要意義。除了上面提到的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)勵(lì)磁控制技術(shù)研究以外，變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)還有許多研究熱點(diǎn)包括:(I)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的軟并網(wǎng)軟解列研究軟并網(wǎng)和軟解列是目前風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一個(gè)重要部分。一般的，當(dāng)電網(wǎng)容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多的時(shí)候，可以不考慮發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的沖擊電流，鑒于目前并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組已經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平，所以必須要限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和解列時(shí)候的沖擊電流，做到對(duì)電網(wǎng)無(wú)沖擊或者沖擊最小。(2)無(wú)速度傳感器技術(shù)在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用的研究近年，雙饋電機(jī)的無(wú)位置以及無(wú)速度傳感器控制成了風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，在雙饋異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中需要知道電機(jī)轉(zhuǎn)速以及位置信息，但是速度以及位置傳感器的采用提高了成本并且?guī)?lái)了一些不便。理論上可以通過(guò)電機(jī)的電壓和電流實(shí)時(shí)計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器控制。如果采用無(wú)傳感器控就可以使發(fā)電機(jī)和逆變器之間連線消除，降低了系統(tǒng)成本，增強(qiáng)了控制系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。(3)電網(wǎng)故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不間斷運(yùn)行等方面并網(wǎng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的定子繞組連接電網(wǎng)上，在運(yùn)行過(guò)程中，各種原因引起的電網(wǎng)電壓波動(dòng)、跌落甚至短路故障會(huì)影響發(fā)電機(jī)的不間斷運(yùn)行。電網(wǎng)發(fā)生突然跌落時(shí)，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生較高的瞬時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，可能造成發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械損壞或熱損壞，所以三相電網(wǎng)電壓突然跌落時(shí)的系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行控制策略的研究是目前研究焦點(diǎn)問(wèn)題之一。此外，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定以及無(wú)功極限方面也是目前研究的熱點(diǎn)。在大型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常需要把風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接入電力系統(tǒng)并列運(yùn)行。發(fā)電機(jī)并網(wǎng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的“起點(diǎn)”，也是整個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)能夠良好運(yùn)行的前提。其主要要求是限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)時(shí)的瞬變電流，避免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的沖擊，并網(wǎng)過(guò)程是否平穩(wěn)直接關(guān)系到含風(fēng)電電網(wǎng)的穩(wěn)定性和發(fā)電機(jī)的安全性。當(dāng)電網(wǎng)的容量比發(fā)電機(jī)的容量大的多(大于25倍)的時(shí)候，發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)的沖擊電流可以不考慮。但風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，目前己經(jīng)發(fā)展到兆瓦級(jí)水平，機(jī)組并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊已經(jīng)不能忽視。比較嚴(yán)重的后果不但會(huì)引起電網(wǎng)電壓的大幅下降，而且還會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組各部件造成損害。而且，長(zhǎng)時(shí)間的并網(wǎng)沖擊，甚至還會(huì)造成電力系統(tǒng)的解列以及威脅其它發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行。因此必須通過(guò)合適的發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式來(lái)抑制并網(wǎng)沖擊電流。目前，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的方式主要有兩種，一種被稱為準(zhǔn)同期方式，另一種被稱為自同期方式。準(zhǔn)同期方式是將已經(jīng)勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)在達(dá)到同期條件后并入電網(wǎng)。自同期方式則是將沒有被勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)并入電網(wǎng)，隨即給發(fā)電機(jī)加上勵(lì)磁，接著轉(zhuǎn)子被拉入同步。自同期方式由于當(dāng)發(fā)電機(jī)合閘時(shí)，沖擊電流較大，母線電壓跌落較多而很少采用。因此，現(xiàn)在發(fā)電機(jī)的主要并網(wǎng)方式為準(zhǔn)同期方式，它能控制發(fā)電機(jī)快速滿足準(zhǔn)同期條件，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、安全并網(wǎng)。異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)異步發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時(shí)，由于靠轉(zhuǎn)差率來(lái)調(diào)整負(fù)荷，其輸出的功率與轉(zhuǎn)速近乎成線性關(guān)系，因此對(duì)機(jī)組的調(diào)速要求不像同步發(fā)電機(jī)那么嚴(yán)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(shí)就可并網(wǎng)。但異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)也存在一些問(wèn)題。例如直接并網(wǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流(約為異步發(fā)電機(jī)額定電流的4～7倍)，并使電網(wǎng)電壓瞬時(shí)下降。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電機(jī)容量的不斷增大，這種沖擊電流對(duì)發(fā)電機(jī)自身部件的安全以及對(duì)電網(wǎng)的影響也愈加嚴(yán)重。過(guò)大的沖擊電流，有可能使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接的主回路中自動(dòng)開關(guān)斷開。而電網(wǎng)電壓的較大幅度下降；則可能會(huì)使低壓保護(hù)動(dòng)作，從而導(dǎo)致異步發(fā)電機(jī)根本不能并網(wǎng)。另外，異步發(fā)電機(jī)還存在著本身不能輸出無(wú)功功率、需要無(wú)功補(bǔ)償、過(guò)高的系統(tǒng)電壓會(huì)造成發(fā)電機(jī)磁路飽和等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外采用異步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)方式主要有以下幾種。(1)直接并網(wǎng)方式這種并網(wǎng)方法要求并網(wǎng)時(shí)發(fā)電機(jī)的相序與電網(wǎng)的相序相同，當(dāng)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速(90%一100%)時(shí)即可完成自動(dòng)并網(wǎng)，見圖(26)所示，自動(dòng)并網(wǎng)的信號(hào)由測(cè)速裝置給出，然后通過(guò)自動(dòng)空氣開關(guān)合閘完成并網(wǎng)過(guò)程。這種并網(wǎng)方式比同步發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)同步并網(wǎng)簡(jiǎn)單，但并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，并網(wǎng)沖擊電流達(dá)到4～5倍額定電流，會(huì)引起電力系統(tǒng)電壓的瞬時(shí)下降。這種并網(wǎng)方式只適合用于發(fā)電機(jī)組容量較小或與大電網(wǎng)相并的場(chǎng)合。(2)準(zhǔn)同期并網(wǎng)方式與同步發(fā)電機(jī)準(zhǔn)同步并網(wǎng)方式相同，在轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，先用電容勵(lì)磁，建立額定電壓，然后對(duì)已勵(lì)磁建立的發(fā)電機(jī)電壓和頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)和校正，使其與系統(tǒng)同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的電壓、頻率、相位與系統(tǒng)一致時(shí)，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運(yùn)行，見圖(27)所示。采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步并網(wǎng)，則仍須要高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價(jià)，而且從整步達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費(fèi)的時(shí)間很長(zhǎng)，這是我們所不希望的。該并網(wǎng)方式合閘瞬間盡管沖擊電流很小，但必須控制在最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運(yùn)行，以免造成網(wǎng)上飛車。(3)降壓并網(wǎng)方式降壓并網(wǎng)是在異步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間串接電阻或電抗器或者接入自禍變壓器，以便達(dá)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?yàn)殡娮琛㈦娍蛊鞯仍墓β?，在發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后必須將其迅速切除。顯然這種并網(wǎng)方法的經(jīng)濟(jì)性較差。(4)晶閘管軟并網(wǎng)方式這種并網(wǎng)方式是在異步發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)之間通過(guò)每相串入一只雙向晶閘管連接起來(lái)，來(lái)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。雙向晶閘管的兩端與并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)K2的動(dòng)合觸頭并聯(lián)，如圖29所示。接入雙向晶閘管的目的是將發(fā)電機(jī)并網(wǎng)瞬間的沖擊電流控制在允許的限度內(nèi)。圖(29)示出軟并網(wǎng)裝置的原理。通過(guò)采集US和IS的幅值和相位，對(duì)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行控制。具體的并網(wǎng)過(guò)程是:當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組接收到由控制系統(tǒng)微處理機(jī)發(fā)出的啟動(dòng)命令后，先檢查發(fā)電機(jī)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(jī)組開始啟動(dòng)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)(約為99 %100%同步轉(zhuǎn)速)，雙向晶閘管的控制角同時(shí)由180度到0度逐漸同步打開，與此同時(shí)，雙向晶閘管的導(dǎo)通角則同時(shí)由0度到180度逐漸增大，此時(shí)并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)K2未動(dòng)作，動(dòng)合觸點(diǎn)未閉合，異步發(fā)電機(jī)即通過(guò)晶閘管平穩(wěn)地并入電網(wǎng)，隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，電機(jī)的轉(zhuǎn)差率趨于零，當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時(shí)，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)自動(dòng)開關(guān)K2動(dòng)作，短接雙向晶閘管，異步發(fā)電機(jī)的輸出電流將不再經(jīng)雙向晶閘管，而是通過(guò)已閉合的自動(dòng)開關(guān)K2流入電網(wǎng)。在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)后，應(yīng)立即在發(fā)電機(jī)端并入補(bǔ)償電容，將發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)(cos }p)。由于風(fēng)速變化的隨機(jī)性，在達(dá)到額定功率前，發(fā)電機(jī)的輸出功率大小是隨機(jī)變化的，因此對(duì)補(bǔ)償電容的投入與切除也需要進(jìn)行控制，一般是在控制系統(tǒng)中設(shè)有幾組容量不同的補(bǔ)償電容，根據(jù)輸出無(wú)功功率的變化，控制補(bǔ)償電容的分段投入或切除。這種并網(wǎng)方法的特點(diǎn)是通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角，來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)加在負(fù)載上的電壓波形，進(jìn)而改變負(fù)載電壓的有效值。目前，采用晶閘管軟切入裝置((SOFT CUTIN)已成為大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中不可缺少的組成部分，用于限制發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以及大小電機(jī)切換時(shí)的瞬態(tài)沖擊電流，以免對(duì)電網(wǎng)造成過(guò)大的沖擊。晶閘