【導(dǎo)讀】能源、環(huán)境是當(dāng)今人類生存和發(fā)展所要解決的緊迫問題。石油、天然氣為主，它不僅資源有限，而且造成了嚴(yán)重的大氣污染。再生能源的開發(fā)利用，特別是對風(fēng)能的開發(fā)利用，已受到世界各國的高度重視。10TW，每年發(fā)出電力13PW·h。化、產(chǎn)業(yè)化，到90年代中期已形成了一個規(guī)模巨大的風(fēng)力機(jī)工業(yè)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量已突破100GW。有沿海和東北至西北包括內(nèi)蒙古、新疆、甘肅兩大風(fēng)帶，風(fēng)的質(zhì)量很好，為開發(fā)風(fēng)力發(fā)電提供了基礎(chǔ)環(huán)境和條件。液壓系統(tǒng)等，為我國大型風(fēng)力風(fēng)力發(fā)電機(jī)組國產(chǎn)化奠定了基礎(chǔ)。極大的污染，目前發(fā)達(dá)國家已經(jīng)采用煤的潔凈燃燒技術(shù)。30%，上網(wǎng)電價可能達(dá)到元/kW·h。能源生產(chǎn)利用對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的損害，是中國環(huán)境問題的核心。2CO溫室氣體排放是其主要問題。我國燃燒煤釋放的2SO占全國總排放量的85%，2CO占85%，xNO占60%，大，已超過國土面積的40%。的比例最大，但可開采量有限，并帶來環(huán)境、交通等諸多問題。作，只需定期進(jìn)行必要的維護(hù)，不存在火力發(fā)電的大修問題。

　　

【正文】 機(jī)過轉(zhuǎn)速，或大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電機(jī)切換時風(fēng)輪過轉(zhuǎn)速等信號時，也起動安全鏈。緊急停機(jī)后，只能手動復(fù)位后才 能重新起動。 第四章 定漿距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng) 軟切入裝置（ SOFT CUTIN UNIT)是目前聯(lián)網(wǎng)運行的定漿矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)的重要部分。它的主要作用是限制發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)和大小發(fā)電機(jī)切換時的順變電流，以免對電網(wǎng)造成過大的沖擊。一般當(dāng)電網(wǎng)的容量比發(fā)電機(jī)的容量大得多的時候（ 25 倍），發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)時的沖擊電流才可以不予考慮。但目前聯(lián)網(wǎng)運行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組已發(fā)展到兆瓦水平，與一般變電所的容量相比已經(jīng)相當(dāng)大。因此，軟切入裝置已成為控制系統(tǒng)必不可少的部分。 并網(wǎng)方式概述 隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大 ，在并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊越大。這種沖擊嚴(yán)重時不僅引起電力系統(tǒng)電壓的大幅度下降，并且可能對發(fā)電機(jī)和機(jī)械部件造成損壞。如果并網(wǎng)沖擊時間過長，還可能使系統(tǒng)瓦解或威脅其他掛網(wǎng)機(jī)組的正常運行。因此，采用合理的并網(wǎng)技術(shù)是一個不可忽視的問題。 一、 同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng) 同步發(fā)電機(jī)在運行中，由于它既能輸出有功功率，又能提供無功功率，周波穩(wěn)定，電能質(zhì)量高，已被電力系統(tǒng)廣泛使用。然而，把它移植到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上使用卻不甚理想，這是由于風(fēng)速時大時小，隨機(jī)變化，作用在轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩極不穩(wěn)定，并網(wǎng)時其調(diào)速性能很難達(dá)到同步發(fā)電機(jī)所要求的精 度。并網(wǎng)后若不進(jìn)行有效地控制，常會發(fā)生無功振蕩與失步等問題，在重載下尤為嚴(yán)重。這就是在相當(dāng)長的時間內(nèi)，國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很少采用同步發(fā)電機(jī)的原因。但近些年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，通過在同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間采用變頻裝置，從技術(shù)上解決了這些問題，采用同步發(fā)電機(jī)的方案又引起了人們的重視。在本設(shè)計中不再細(xì)述此并網(wǎng)方式。 二、 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng) 異步發(fā)電機(jī)投入運行時，由于靠轉(zhuǎn)差率來調(diào)整負(fù)荷，因此對機(jī)組的調(diào)速精度要求不高，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，不需要同步設(shè)備和睜不操作，只要轉(zhuǎn)速接近同步 轉(zhuǎn)速時，就可并網(wǎng)。顯然，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配用異步發(fā)電機(jī)不僅控制裝置簡單，而且并網(wǎng)后也不會產(chǎn)生振蕩和失步，運行非常穩(wěn)定。然而，異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)也存在一些特殊問題，如直接并網(wǎng)時產(chǎn)生的過大沖擊功率，需要無功補(bǔ)償；當(dāng)輸出功率超過其最大轉(zhuǎn)矩所對應(yīng)的功率會引起網(wǎng)上飛車；過高的系統(tǒng)電壓會使其磁路飽和，無功激磁電流大量增加，定子電流過載，功率因數(shù)大大下降；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率過于上升，會因同步轉(zhuǎn)速上升而引起異步 發(fā)電機(jī)從發(fā)電狀態(tài)變成電動狀態(tài)；不穩(wěn)定系統(tǒng)的頻率的過大下降，又會使異步發(fā)電機(jī)電流劇增而過載等等。所以運行時必須嚴(yán)格監(jiān)視并采取相 應(yīng)的有效措施才能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全運行。 目前國內(nèi)外主要采用異步發(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： （一）直接并網(wǎng)方式 這種方式只要求發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速（即達(dá)到 99%～ 100%同步轉(zhuǎn)速）時，即可并網(wǎng)，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運行控制變的簡單，并網(wǎng)容易，但在并網(wǎng)瞬間存在三相短路現(xiàn)象，使供電系統(tǒng)將受到 4～ 5 倍發(fā)電機(jī)額定電流沖擊，系統(tǒng)電壓瞬時嚴(yán)重下降，以至引起低電壓保護(hù)動作，使并網(wǎng)失敗。所以這種并網(wǎng)方式只有在與大電網(wǎng)并網(wǎng)時才有可能。 （二）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，先用電容勵磁，建立額定電壓，然后對已勵磁建立的發(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，將發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)運行。采用這種方式，若按傳統(tǒng)的步驟經(jīng)整步到同步電網(wǎng)，則仍需要高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，不僅要增加機(jī)組的造價，而且從整步達(dá)到準(zhǔn)同步并網(wǎng)所花費的時間很長，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，但必須控制最大允許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)運行，以免造成網(wǎng)上飛車。由于它對系統(tǒng)電壓影響極小，所以適合于電網(wǎng)容量與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大不了幾倍的地方使用。 （三）降壓并網(wǎng)方式 這種并網(wǎng)方式就是在發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間串接電抗器，以減少合閘瞬間沖擊電流的幅值與電網(wǎng)電壓下降的幅值。如 200kW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)時各相串接有大功率電阻。由于電抗器、電阻等串聯(lián)組件要消耗功率，并網(wǎng)后進(jìn)入穩(wěn)定運行時，應(yīng)將其電抗器、電阻退出運行。 顯然，這種并網(wǎng)方式要增大功率的電阻或電抗器組件，其投資隨著機(jī)組容量的增大而增大，經(jīng)濟(jì)性較差。它適應(yīng)于小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)。 （四）軟并網(wǎng)技術(shù) 采用雙向晶閘管的軟切入法，使異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。它有兩種連接方式： （ 1）發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間通過雙向晶閘 管直接相連。這種連接方式的工作過程為：當(dāng)風(fēng)輪帶動的異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，與電網(wǎng)直接相連的每一相的雙向晶閘管的控制角在 180176。與 0176。之間逐漸同步打開；作為每項為無觸電開關(guān)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角也同時由 0176。與 180176。之間逐漸同步增大。在雙向晶閘管導(dǎo)通階段開始，異步發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運行，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)差率逐漸趨于零。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零時，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，并網(wǎng)過程到此結(jié)束。由于并網(wǎng)電流受晶閘管導(dǎo)通角的限制，并網(wǎng)較平穩(wěn)，不會出現(xiàn)沖擊電流。但軟切入裝置必須采用能承受高反應(yīng)大電流的雙向晶閘管，價格較貴，其功率 又不能做得太大，因此適用于中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。 （ 2）發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)之間軟并網(wǎng)過渡，零轉(zhuǎn)差自動并網(wǎng)開關(guān)切換連接。這種連接方式工作如下：當(dāng)風(fēng)輪帶動的一部發(fā)電機(jī)啟動或轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，與電網(wǎng)連接的每一相雙向晶閘管（晶閘管的兩端與自動并網(wǎng)常開觸點相并聯(lián)）的控制角在 180176。與 0176。之間逐漸同步打開；作為每相為無觸點開關(guān)的雙向晶閘管的導(dǎo)通角也同時由 0176。與 180176。之間逐漸同步增大。此時自動并網(wǎng)開關(guān)尚未動作，發(fā)電機(jī)通過雙向晶閘管平穩(wěn)地進(jìn)入電網(wǎng)。在雙向晶閘管導(dǎo)通階段開始（即異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)階段），異步發(fā)電機(jī)作為電動 機(jī)運行，隨著轉(zhuǎn)速的升高，其轉(zhuǎn)差 率逐漸趨于零。當(dāng)轉(zhuǎn)差率為零的時候，雙向晶閘管已全部導(dǎo)通，這時自動并網(wǎng)開關(guān)動作，常開觸點閉合，于是端接了已全部開通的雙向晶閘管。發(fā)電機(jī)輸出功率后，雙向晶閘管的觸發(fā)脈沖自動關(guān)閉，發(fā)電機(jī)輸出電流不再經(jīng)雙向晶閘管而是通過已閉合的自動開關(guān)觸點流向電網(wǎng)。 這兩種方法是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的普遍采用的并網(wǎng)方法，其共同特點是：可以得到一個平穩(wěn)的并網(wǎng)過渡過程而不會出現(xiàn)沖擊電流。不過第一種方式所選用高反壓雙向晶閘管的電流允許值比第二種方式的要大的多。這是因為前者的工作電流要考慮能通過發(fā)電機(jī)的額 定值；而后者只要通過略高于發(fā)電機(jī)空載時的電流就可滿足要求。但需采用自動開關(guān)并網(wǎng)，控制回路也略為復(fù)雜。本設(shè)計主要介紹采用第二種方式的軟切入裝置。 發(fā)電機(jī)軟切入裝置 概述 軟切入裝置適用于采用但電機(jī)雙繞組的定漿矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。該裝置允許風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在靜止時作電動機(jī)起動，所限定的電流可以根據(jù)工作要求在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，并設(shè)置了不同的電流反饋信號放大電路通道 ，當(dāng)發(fā)電機(jī)作電動機(jī)起動時，自動選擇限定電流較大的通道，一般設(shè)置為小發(fā)電機(jī)額定電流的三倍；而當(dāng)大發(fā)電機(jī)向小發(fā)電切換時，一般設(shè)置為小發(fā)電機(jī)額定 電流的三倍。而當(dāng)大發(fā)電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩下的電流，這時選擇限定電流較小的通道。裝置內(nèi)部具有發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)檢測，三相不平衡檢測等功能。當(dāng)發(fā)電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)后，旁路接觸器自動吸合，晶閘管退出工作狀態(tài)。 一、 系統(tǒng)介紹 為了便于理解，我們 先對風(fēng)力發(fā)電機(jī)聯(lián)網(wǎng)與脫網(wǎng)過程作一番簡介。 當(dāng)風(fēng)速傳感器測量的風(fēng)速在 4m/s 以上延續(xù) l0min，計算杌發(fā)起動信號，小電機(jī)作為電動機(jī)起動，直到同步轉(zhuǎn)速，電機(jī)井網(wǎng)發(fā)電‘如果 30s 內(nèi)不能達(dá)到同步轉(zhuǎn)速，則電機(jī)脫網(wǎng)、停機(jī)，等待下一次起動信號． 當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)升高，輸出功率超過小電機(jī) 的額定功率，小電機(jī)切出，大電機(jī)切入，轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，直到同步轉(zhuǎn)速，大電機(jī)井網(wǎng)發(fā)電。當(dāng)風(fēng)速重新下降，直到大電機(jī)功率低于小電機(jī)額定功率的 50“時，大電機(jī)切出，小電機(jī)切入。 當(dāng) 10s 內(nèi)平均風(fēng)速超過 28m/s,風(fēng)力機(jī)脫網(wǎng)停機(jī)。 控 制器的軟切入單元只在上述電機(jī)的起動和切換過程中起限制電流的作用。 現(xiàn)在我們來看軟切入裝置的系統(tǒng)方框圖（圖 1）。 框圖左面是軟切入系統(tǒng)的主電路。 電網(wǎng)的三相線路通過三組雙向可控硅（兩個反向井聯(lián)的可控硅） 與大小電機(jī)相聯(lián)，以控制電機(jī)的瞬變電流，達(dá)到電機(jī)恒流軟起動的目的。 4CRM 與 5CRM 分別控制 大小電機(jī)的切入與切出（圖中 6CRM由計算機(jī)開關(guān) 機(jī)指令直接控制）。 大小電機(jī)的起動，切換信號由計算機(jī)控制。 信號經(jīng)互鎖放大環(huán)節(jié)控制相應(yīng) 的繼電接觸器的閉合，井根據(jù)不同的切換過程調(diào)整電流信號的放大倍數(shù) 通過電流調(diào)節(jié)器開關(guān)決定可控硅限流器切入與切出（通過 3CRM 的開閉實現(xiàn)）。 可控硅移相觸發(fā)電路的同步信號經(jīng)三相變壓器輸出 (IIOVac)。然后轉(zhuǎn)換戚鋸齒波形的同步信號，變壓器還通過整漉橋提供兩路直流電源 。 一路作為可控硅的 門極觸發(fā)電源 c+zov)；另一路提供給穩(wěn)壓電源，為控制電路提供 12V直流電源。 控制信號通過三只分別與 母線相連的電流互感器經(jīng)全橋整流、濾波后轉(zhuǎn)換成直流電平信號控制移相觸發(fā)角。 三相電流信號經(jīng)全橋整流后的另一路分別經(jīng)帶通濾波器和低通濾波器，檢測三相負(fù)載不平衡信號，并輸入計算機(jī)。 圖中相位檢測環(huán)節(jié)是用來測量電機(jī)運行狀態(tài)的。當(dāng)電機(jī)達(dá)到發(fā)電狀態(tài)時，通過電流調(diào)節(jié)器開關(guān)，使可控硅導(dǎo)通角全部打開，然后切出。 圖 1 二、 裝置的主要特點 （ 1） 雙電機(jī)的切換 由于風(fēng)力機(jī)的輸出功率跟風(fēng)速的三次方成正比，隨著風(fēng)速變化，電機(jī)輸出功率將在大范圍內(nèi)變化，為使電機(jī)能 高效的運行，風(fēng)力機(jī)常配置雙電機(jī)，以適應(yīng)不同的風(fēng)速段，因此，解決切換過程的瞬變電流，是軟切入裝置的主要內(nèi)容之一。 （ 2） 小電機(jī)向大電機(jī)切換 由于通常小電機(jī)設(shè)計成 6 極，大電機(jī)設(shè)計成 4 極，當(dāng)小電機(jī)切出，大電機(jī)切入時，電機(jī)尚未達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。因此，小電機(jī)向大電機(jī)切換是在電動狀態(tài)下進(jìn)行 的。電流調(diào)節(jié)器所限制的電流取決于電流反饋信號的放大倍數(shù)，其中通道之一是根據(jù)大電機(jī)在電動狀態(tài)下切入時的順變電流而設(shè)計的，控制過程參見系統(tǒng)框圖（圖 1）。為了適應(yīng)不同容量的電力系統(tǒng)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，放大倍數(shù)在較大范圍內(nèi)可“調(diào)節(jié)，所限定的電流根據(jù)當(dāng) 地電力系統(tǒng)（變電所）所允許投入的最大負(fù)載而調(diào)定 I 當(dāng)系統(tǒng)較小時，所限定的電流可以小于電機(jī)的額定電流． （ 3） 大電機(jī)向小電機(jī)切換 反饋信號放大電路的另一條通道是為大電機(jī)向小電機(jī)切換而設(shè)計的。當(dāng)大電機(jī)切出，小電機(jī)切入時，電機(jī)處在超同步轉(zhuǎn)速的發(fā)電狀態(tài)。這時，電流調(diào)節(jié)器所限定的電流應(yīng)小于小電機(jī)在最大轉(zhuǎn)矩下的電流，否則，將出現(xiàn)網(wǎng)上飛車而使超速保護(hù)動作．在大電機(jī)向小電機(jī)切換時，電流調(diào)節(jié)器開關(guān)是由切換信號直接控制的（參見系統(tǒng)框圖）。 大電機(jī)向小電機(jī)切換時必須考慮的另一個條件是，風(fēng)力機(jī)是一個巨大的慣性體，當(dāng)它轉(zhuǎn)速降低時要 釋放出巨大的能量，由于這些能量在過渡過程中將全部加在小電機(jī)軸上而轉(zhuǎn)換成電能。這就必然使過渡過程延長。因此，在大電機(jī)向小電機(jī)切換時，通常不是在小電機(jī)額定功率附近進(jìn)行的，而是在電機(jī)輸出功率大大低于小電機(jī)額定功率的條件下進(jìn)行的．這個功率一般低干小電機(jī)功率的 50%。 三、 電機(jī)運行狀態(tài)檢測 作為電機(jī)起動的風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速后，就進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)。這時可控硅限流裝置出須立即停止工作，否則發(fā)電機(jī)的能量不能完全輸出給電網(wǎng)，就會發(fā)生事故．因此，電機(jī)運行狀態(tài)檢測是軟切入裝置中不可缺少的環(huán)節(jié)，電機(jī)狀態(tài)測檢過程的框圖如圖 2 所示 。 電機(jī)狀態(tài)的檢測是利用電機(jī)在電動和發(fā)電狀態(tài)時．電流對電壓不同的相位差的原理，通過異或門測量輸出的平均電壓的高低來實現(xiàn)的。輸出信號直接控制電流調(diào)節(jié)器開關(guān)，在電動狀態(tài)時，信號允許電流調(diào)節(jié)器工作，觸發(fā)電平不受影響 I進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)時，輸出信號使調(diào)節(jié)器開關(guān)立即關(guān)閉，觸發(fā)控制電平迅速上升為最大值，可控硅導(dǎo)通角在完全打開之后被切出。 四、 三相負(fù)載不平衡檢測 由于電機(jī)采用了三角形方式聯(lián)接，必須對三相負(fù)載不平衡信號進(jìn)行測量．同時，三相 負(fù)載不平衡保護(hù)電路可對可控硅在故障情況下出現(xiàn)的缺相信號進(jìn)行檢測。 三相負(fù)載不平衡信號的檢 測過程參見系統(tǒng)框圖，系統(tǒng)由信號放大，低通和帶通濾 波及判別環(huán)節(jié)組成。 三相電流經(jīng)全橋整流后的波形如圖 3 所示。圈 a 經(jīng)整流后的三相電流波形交流分量相對直流分量程小，所以先將直流分量通過低通旁路分離出去。進(jìn)入帶通濾波器的是經(jīng)放大的交流分量，在正常情況下，三相電流經(jīng)全橋整流后的頻率為 300Hz，而當(dāng)發(fā)生負(fù)載不平衡時，將出現(xiàn)頻率為 100Hz 昀諧波。 帶通濾波器的作用是檢測 (放大 )l00Hz 頻率信號，濾去直流分螢和 300Hz 以上頻率信號。兩路信號輸入比較判別環(huán)節(jié)?？紤]到電流信號可能變化幅度很大，帶通濾波器的輸出信號必須同相應(yīng) 的直流分量進(jìn)行比較，使信號在大范圍內(nèi)變化得到補(bǔ)償 。以便準(zhǔn)確地測量出三相負(fù)載不平衡信號。 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)后需關(guān)注的主要問題 一、 電能質(zhì)量 根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，對電能質(zhì)量的要求有５個方面：電網(wǎng)高次諧波 、 電壓閃變 與電壓波動、三相電壓及電流不平衡、電壓偏差、頻率偏差 。風(fēng)電機(jī)組對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要有高次諧波和電壓閃變與電壓波動。 二、 電壓閃變 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大多采用軟并網(wǎng)方式，但是在啟動時仍然會產(chǎn)生較大的沖擊電流。當(dāng)風(fēng)速超過切出風(fēng)速時，風(fēng)機(jī)會從額定出力狀態(tài) 自動退出運行。如果整個風(fēng)電場所有風(fēng)機(jī)幾乎同時動作， 這種沖擊對配電網(wǎng)的影響十分明顯，容易造