並網運行的風力發電係統運行分析
能源環境
作者：於雪峰
【摘要】隨著電力和能源改革逐步深入，在國家倡導節能減排的大背景下，風力發電成為新能源開發利用的重要領域。在有風力資源的地區，建設小型風力發電或風光互補獨立電站（集中供電係統或戶用係統）成為為小型負荷供電一種新選擇。研究並分析並網運行的風力發電係統的構成及運行顯得很重要。
【關鍵詞】並網運行；風力發電係統；運行分析
現如今風力發電技術已從過去的小型風力發電機獨立運行發展為大型發電機組並網運行，即風力發電場並網運行。風力發電場並網運行是將風能轉換成電能的裝置，係統包括發電機、增速箱、刹車、偏航、控製等幾大係統。直接與電網相連接的是異步發電機，風力發電場並網運行結構簡單，其發電的首要條件是要吸收無功來建立磁場，如果沒有無功來源，也就是說沒有電網，風力發電場並網運行是沒有能力發電的。
一、異步發電機的並網方法
由風力機驅動異步發電機與電網並聯運行的原理分析如下：因為風力機為低速運轉的動力機械，在風力機與異步發電機轉子之間經增速齒輪傳動來提高轉速以達到適合異步發電機運轉的轉速，一般與電網並聯運行的異步發電機，多選用4極或6極電機，因此異步發電機轉速必須超過1500r/min或1000r/min，才能運行在發電狀態，向電網送電。顯見，電機極對數的選擇與增速齒輪箱關係密切，若電機的極對數選小，則增速齒輪傳動的速比增大，齒輪箱加大，但電機的尺寸則小些；反之，若電機的極對數選大些，則傳動速比減小，齒輪箱相對小些，但電機的尺寸則大些。
根據電機理論，異步發電機並入電網運行時，是靠滑差率來調整負荷的，其輸出的功率和轉速近乎成線性關係，因此對機組的調速要求，不像同步發電機那麼嚴格精確，不需要同步設備和整步操作，隻要轉速接近同步轉速時就可並網，國內及國外與電網並聯運行的風力發電機組中，多采用異步發電機，但異步發電機在並網瞬間會出現較大的衝擊電流，並使電網電壓瞬時下降。隨著風力發電機組單機容量的不斷增大，這種衝擊電流對發電機自身部件的安全及對電網的影響也越加嚴重。過大的衝擊電流，有可能使發電機與電網連接的主回路中的自動開關斷開；而電網電壓的較大幅度下降，則可能會使低壓保護動作，從而導致異步發電機根本不能並網。當前在風力發電係統中采用的異步發電機並網方法有以下幾種。
1.直接並網
這種並網方法要求在並網時發電機的相序與電網的相序相同，當風力驅動的異步發電機轉速接近同步轉速時即可自動並入電網；自動並網的信號由測速裝置給出，而後通過自動空氣開合閘完成並網過程。顯見這種並網方式比同步發電機的準同步並網簡單。但如上所述，直接並網時會出現較大的衝擊電流及電網電壓的下降，因此這種並網方法隻適用於異步發電機容量在百千瓦級以下，而電網容量較大的情況下。中國最早引進的55kw風力發電機組及自行研製的50kw風力發電機組都是采用這種方法並網的。
2.降壓並網
這種並網方法是在異步電機與電網之間串接電阻或電抗器或者接入自耦變壓器，已達到降低並網合閘間衝擊電流幅值及電網電壓下降的幅度。因為電阻、電抗器等元件要消耗功率，在發電機並入電網以後，進入穩定運行狀態時，必須將其迅速切除，這種並網方法適用於百千瓦級以上、容量較大的機組，顯見這種並網方法的經濟性較差，中國引進的200kw異步風力發電機組，就是采用這種並網方式，並網時發電機每相繞組與電網之間皆串接有大功率電阻。
3.通過晶閘管軟並網
這種並網方法是在異步發電機定子與電網之間通過每相串入一隻雙向晶閘管連接起來，三相均有晶閘管控製，雙向晶閘管的兩端與並網自動開關K2動合觸頭並聯。接入雙向晶閘管的目的是將發電機並網瞬間的衝擊電流控製在允許的限度內。其並網過程如下：當風力發電機組接收到由控製係統內微處理機發出的啟動命令後，先檢查發電機的相序與電網的相序是否一致，若相序正確，則發出鬆閘命令，風力發電機組開始啟動。當發電機轉速接近同步轉速時，雙向閘管的控製角同時由180°到0°逐漸同步打開；與此同時，雙向晶閘管的導通角則同時由0°到180°逐漸增大，此時並網自動開關K2未動作，動合觸頭未閉合，異步發電機即通過晶閘管平穩地並入電網；隨著發電機轉速繼續升高，電機的滑差率漸趨於零，當滑差率為零時，並網自動開關動作，動合觸頭閉合，雙向晶閘管被短接，異步發電機的輸出電流將不再經雙向晶閘管，而是通過已閉合的自動開關觸頭流入電網。在發電機並網後，應立即在發電機端並入補償電容，將發電機的功率因數提高到0.95以上。