风电机组控制及并网
风力发电并网技术及电能质量控制措施
风力发电并网技术及电能质量控制措施摘要：现阶段，我国各项经济呈现出迅猛发展的形式，人们对日常生活的要求越来越高。
电能已经成为人们必不可少的能源，我国对新能源的关注度越来越高，尤其是“可持续发展战略”提出以来，人们对如何提高风能、水能等新能源的利用率展开了研究。
关键词：风力发电;并网技术;电能质量;控制措施1风力发电并网技术我们所述的风力发电并网技术指的是发电机输出的电压在幅值，频率乃至向位上和电网系统的电压是一致的。
风力发电并网是完成风力发电到电能供应的必要过程，是实现电能输出的必要环节。
并网技术的关键是确保风力发电机组输出，电力能源的电压和被接入电网的电压在扶智相位频率等方面保持一致，能够保证风力发电并网实施后，整体电能供应的稳定性而目前的风力发电并网技术主要有两种，一种是同步风力发电并网技术，另一种是异步风力发电并网技术。
同步风力发电并网技术主要是将风力发电机和同步发电机相结合，在进行同步发电机的运行中能够有效的输出有功功率，并且能保证为发电提供必要的无功功率，促进周波稳定性提升，可以有效的提高电能稳定性。
同步风电发力机具有工作效率高，体积小，结构紧凑，成本的可靠性高，维护量小等优点。
该发电机的转速平稳负载特性强，周波稳定，发电机组发电电能质量高，这导致同步风力发电机在风力发电中的应用十分广泛。
同步风力发电并网技术在整个风力发电技术的应用中占很大的比重。
在同步风力发电并网技术的应用中，风速波动明显会造成转子转距出现较大的波动，容易影响发电机组并网调速的准确性。
为了解决这个问题，可以采用在电网和发电机组之间安装变频器的方法避免电力系统无功震荡和步失，有效的提高并网质量。
异步风力发电并网技术跟同步风力发电并网技术相比，其主要是借助转差率实现对发电机的运行复合的调整目标，在具体的调速精度方面要求并不高。
这种技术能够减少相关同步，设备安装的繁琐，也可以省去整部操作环节，实现转速的适当调整。
但是这种技术也有缺点，他在具体的并网操作中可能会产生冲击电流，如果产生的冲击电流过大，就会导致电网电压水平降低，不利于电网的安全运行。
风电机组并网稳定控制技术研究
风电机组并网稳定控制技术研究当今的世界面临着严峻的能源挑战。
为了保障能源供应安全，减少能源消耗，实现深度减排，各国都在积极寻求新的可再生能源的利用途径。
而在丰富的可再生能源中，风能因其具有广泛分布、无排放、易于获取等特点而备受青睐。
由此风电机组的发展越来越受到各国政府和产业界的重视，并网稳定控制技术作为关键技术已经成为全球研究的热点。
一、风电机组并网的概念并网通俗的说就是将发电站并入到电网系统中，与电网系统中的其他发电站一起为电网供电或从电网中受电。
而风电机组并网就是将风电机组纳入电网系统中，与电网中的其他发电站共同为电网供电，以取代传统的燃煤、燃油发电，达到降低污染、保障能源安全等目的的过程。
二、风电机组并网的的稳定控制技术尽管风电机组并网具有优越性，但也面临着一些困难和挑战。
尤其是由于风资源的不确定性、浮动性和波动性，当风力资源变化时，风电机组的功率和电压等参数也会发生变化，这对稳定运行电网系统带来很大挑战。
因此，风电机组并网的稳定控制技术的研究就显得尤为重要。
稳定控制技术根据需要控制电源和受载设备之间电压、频率、无功等电气量。
稳定控制技术的核心是控制器。
控制器的设计必须考虑风资源的恶劣环境，电气参数的变化，环境温度的变化等因素。
常见的控制器主要有以下几种：1.功率控制器风机的输出能力与风速有很大关系。
它需要通过控制风机叶片的角度，来控制电机的转速和功率，从而实现稳定的输出功率。
在功率控制器中，控制策略常采用最大功率点跟踪技术，将风轮的角度调节到能够输出所需最大功率时的工作状态。
2.无功控制器风电机组在并网运行时，无功功率控制非常关键。
由于风资源的不确定性以及电力系统在发电和输电中会产生大量的无功功率，如果不进行合理的无功控制，则会对电力系统的稳定性造成威胁。
无功控制器的主要目的是维护系统电压的稳定性，其控制电路通常包括直流斩波电路、幅值调制器等。
3.频率控制器在传统的发电模式下，电网系统会根据电力负荷的迫切需求调节控制发电机的转速，确保系统电压、频率的稳定。
风力发电机组并网技术
风力发电机组并网技术20世纪90年代，L.Xu, Bhowink, Machromoum, R.Pena等学者对双馈电机在变速恒频风力发电系统中的应用进行了理论、仿真分析和试验研究，为双馈电机在风力发电系统中的应用打下了理论基础。
同时，电力电子技术和计算机技术的高速发展，使得采用电力电子元件(IGBT等)和脉宽调制(PWM)控制的变流技术在双馈电机控制系统中得到了应用，这大大促进了双馈电机控制技术在风电系统中的应用。
八十年代以后，功率半导体器件发展的主要方向是高频化、大功率、低损耗和良好的可控性，并在交流调速领域内得到广泛应用，使其控制性能可以和直流电机媲美。
九十年代微机控制技术的发展，加速了双馈电机在工业领域的应用步伐。
近十年来是双馈电机最重要的发展阶段，变速恒频双馈风力发电机组已由基本控制技术向优化控制策略方向发展。
其励磁控制系统所用变流装置主要有交交变流器和交直交变流器两种结构形式:(1)交交变流器的特点是容量大，但是输出电压谐波多，输入侧功率因数低，使用功率元件数量较多。
(2)采用全控电力电子器件的交直交变流器可以有效克服交交变流器的缺点，而且易于控制策略的实现和功率双向流动，非常适用于变速恒频双馈风力发电系统的励磁控制。
为了改善发电系统的性能，国内外学者对变速恒频双馈发电机组的励磁控制策略进行了较深入的研究，主要为基于各种定向方式的矢量控制策略和直接转矩控制策略。
我国科研机构从上世纪九十年代开始了对变速恒频双馈风力发电系统控制技术的研究，但大多数研究还仅限于实验室，只有部分研究成果在中，在小型风力发电机的励磁控制系统中得到应用。
因此，加快双馈机组的励磁控制技术的研究进度对提高我国风电机组自主化进程具有重要意义。
除了上面提到的双馈风力发电系统励磁控制技术研究以外，变速恒频双馈风力发电系统还有许多研究热点包括:(I)风力发电系统的软并网软解列研究软并网和软解列是目前风力发电系统的一个重要部分。
风电机组的控制及并网11.详解
其中给定直流电压Ud*与实际检测到的直流连接环 电压Ud相比较，所得误差信号经比例积分控制器调 节产生有功参考电流iq*，而无功功率外环产生无功 电流id*。电压环外环控制直流电压稳定，可以使逆 变器稳定地向电网传输功率，而无功功率环控制逆 变器输出无功功率，从而满足电网对于无功功率的 要求。电流内环依然采用基于旋转坐标轴的解耦控 制，采用比例积分调节器作为电流环的控制器。
1、由于采用交-直-交变频系统，使发电机 组工作频率与电网频率相互独立，因此不必 担心并网时可能出现的失步问题。发电机可 以运行在不同转速下，最大限度地捕捉风能。 2、采用变频装置进行输出控制，并网时没 有电流冲击，对系统几乎没有影响。
目前在变速恒频发电领域中，直驱永磁同步 发电机组较受欢迎。永磁同步电机结构简单， 没有励磁绕组，节省了电机的用铜量，无电 刷，无滑环，消除了转子损耗，运行可靠。 直驱永磁同步发电机与风力机直接耦合，省 去了变速箱，提高可靠性，减少系统噪声， 降低了维护成本。是未来风电机组发展的一 个重要方向。
近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业 化应用不断提高，同时，风力发电的成本也 在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多 有利条件。现就当前流行的几种风电系统的 控制方式和风电机组并网的相关问题做下简 单介绍
二 变速恒频风力发电系统
风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速恒 频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大多采 用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机 转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后 来的变速恒频系统所取代。变速恒频风电系统的发 电机的转速能随风速的变换而变换，能够按照最佳 效率运行，变速恒频发电系统是当今风电系统发展 的一个趋势。
风力发电机组并网运行
风力发电机组应具备低电压穿越 能力，以保障电力系统的稳定性
。
风力发电机组应配备相应的控制 系统，以实现频率和电压的稳定
控制。
风力发电机组的控制要求
风力发电机组应配备先进的控 制系统，能够根据风速、功率 等因素进行自动调节。
风力发电机组的控制系统应具 备防止飞车和超速保护功能。
风力发电机组的控制系统应能 对机组进行远程监控和操作。
稳定供电
并网运行能够通过风力发 电机组的调节，满足电力 系统的需求，保持电网的 稳定运行。
降低运营成本
并网运行能够降低对传统 能源的依赖，减少对环境 的影响，从而降低运营成 本。
并网运行的分类
直驱式并网运行
直驱式风力发电机组通过 全功率变频器将风能转化 为电能，实现与电网的同 步并网运行。
齿轮箱式并网运行
风力发电机组并网运 行
2023-11-10
目录
• 风力发电机组并网运行概述 • 风力发电机组并网运行的技术要求 • 风力发电机组并网运行的实现过程 • 风力发电机组并网运行的优化建议 • 风力发电机组并网运行的案例分析 • 风力发电机组并网运行的未来发展趋势
01
风力发电机组并网运行 概述
并网运行的定义
齿轮箱式风力发电机组通 过齿轮箱将风能传递到发 电机，实现与电网的并网 运行。
双馈式并网运行
双馈式风力发电机组通过 变流器将风能转化为电能 ，实现与电网的并网运行 。
02
风力发电机组并网运行 的技术要求
电力系统的稳定性要求
风力发电机组应能在各种运行条 件下稳定运行，包括低风速、高
风速、极端气候条件等。
风力发电机组的保护策略
总结词
制定全面的保护策略有助于预防和解决风力发电机组并网运行中可能遇到的问题
风力发电并网与控制技术研究
２ 并 网逆 变器控 制 策略
２１ 控 制 目标 ．
风力发电并 网系统是一个将直流电转化 为正弦交流电的过程 ，它实 际Ｅ 是一个有源逆变系统 。并 网逆变器的控制 目 ：控制逆 变电路输 出 标 的交流 电流为稳定的高质量 的正弦波 ，且与电网电压同频 、同相。因此 选择并 网逆变器的输出电流为被控量 ．并网逆 变工作方式下的等效 电路 和电压电流矢量 图如图２ 所示 。图中ｕ 为逆变电路交流侧 电压 ，Ｕ 为电 ａ 网电压 。因为并网逆变器的输 出滤波 电感的存在会使逆变电路 的交 流侧 电压与电网电压之间存 在相位差 ，即 ：为了满足输 出电流与电网电压 同 相位的关系 ， 逆变输出电压要滞后于电网电压。 在并 网发电系统中，并 网逆变器ｌ Ｔ作在有源逆变状态且其功率 因数 应为ｌ ，以保证不对 电网造成 污染 。当电网电压ｕ 一定时 ，若控制Ｕ 沿 … ａ ａ方 向调节 ，则从 矢量 罔中可 以看出电感电压矢量ｕ 滞后电网电压矢量 ｈ ． ｕ ９ 。 ， 网输出的电流Ｉ Ｏ 并 超前 电感 电压矢量ｕ ９ 。 ，即与电网电压 同 Ｏ 相位 ， 从而实现无污染的并网输 出。
ｌ ５ ２
应 用 方 法 论
２ 笳霸 － 科年 １ 王 ０ 第期 ６ １ １
风力发 电并 网与控制 技术研究
张 曼
（ 广州有色金属研究 院电器 中心 ，广东 广州 ５ ０ ０ ） １０ ０
摘 要 针对 风力发 电并网 系统运行 不稳定 、可靠性低 和保护措 施不全等 缺点 ，本 文提 了一 套新型 的并网控制 方案 。采 用同步Ｐ控 制实 Ｉ 现最大功率 点跟踪 （ Ｐ Ｔ），并提 了一种新 ｌ 的互角波 比较方式下 的 电流 跟踪方法 ，优 化可 开关 频率和 电网电压 畸变 ，从而达 到较好 的 ＭＰ 型 并网控制 及直流侧 的稳定控 制。在孤 岛保护方 面 ，采用 主动 电流千 扰法 ，从 而实现孤 岛效应的无盲 区检测 。
并网型风电机组软并网控制研究
Chenmical Intermediate当代化工研究2016·0619技术应用与研究并网型风电机组软并网控制研究ＯＯ赵文武（国华（呼伦贝尔）新能源有限公司ＯＯ内蒙古ＯＯ021400）摘要：风力发电技术一直是一个比较热门的课题。
因异步发电机的风电机组对并网要求低,控制简单,并网运行稳定受到了研究人员更多的青睐。
但是当异步电机直接并入电网时,冲击电流高达其额定电流的6至8倍,甚至10倍以上,这必然会给电机造成严重冲击,甚至可能影响到其他联网机组的正常运行。
普遍采用软并网控制系统来解决这一问题。
本文将使用目前被广泛采用的结构简单性能可靠的定桨距风力发电机组，从软并网系统结构及主电路结构分析入手，对并网型风电机组中的发电机的软切过程进行仿真分析，展开对并网型风电机组软并网控制系统的研究，并总结给出并网型风电机组软并网系统适用的条件和控制方法。
关键词：冲击电流；软并网控制系统；主电路；可控硅触发；仿真中图分类号：T 文献标识码：AResearch on SOFT CUT-IN Control of Grid-connected Wind Turbine GeneratorZhao Wenwu（Guohua (Hulun Buir) New Energy co., LTD, Mongolia, 021400）Abstract ：Wind power generation technology has always been a popular topic. Because the wind turbine generator of asynchronous generatorhas the characteristics of few requirement for grid connection, simple control and stable grid connection operation, it becomes more popular amon g researchers.But when the asynchronous motor is merged directly into power grid,and the surge current up to six to eight times of the rated cu rrent, even more than 10 times, this will inevitably causes serious impact to lectrical machine, even affects the normal operation of other grid-connected unit.SOFT CUT-IN control system is widely used to solve this problem.This article will use the current widely used wind generating set with fixed pitch,simple structure and reliable performance,take analysis of SOFT CUT-IN system structure and main circuit structure, take simulation analysis of the soft cutting process of generator in grid-connected in wind turbine generator,take research on grid-connected wind turbine generator SOFT CUT-IN control system, and make summary of conditions and control methods suitable for grid-connected wind turbine generator SOFT CUT-IN control system.Key words ：surge current ；SOFT CUT-IN control system ；main circuit ；SCR trigger ；simulation对于异步风力发电机组，它的软并网控制系统的总体结构包括触发电路、反并联可控硅电路和异步发电机，而失速型风电机组的软并网控制系统的主电路是包括3对两两反并联或双向可控硅及其保护电路六只可控硅SCRI．SCR6将电机和电网链接。
第五讲 风力发电机组的并网技术
um 2 R2im 2 p m 2 s t 2 ut 2 R2it 2 p t 2 s m 2
定、转子磁链方程：
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m 2 L2im 2 t 2 L2it 2
永磁同步发电机系统的并网
双馈发电机系统的并网
三
风电并网对电网的影响
恒速恒频发电机的并网
一、同步发电机的并网运行
由于同步发电机本身固有的特性，将其移 植到风电机组中使用时，效果不甚理想， 这是由于风速随机变化，作用在转子上的 转矩很不稳定，使得并网时其调速性能很 难达到期望的精度，若不进行有效的控制， 常会发生严重的无功振荡和失步，对系统 造成严重影响。
U1= 1Ψ1表明: 工频下磁链定向时的发电机定子磁链为定值，端电压U1正比于
定子磁链Ψ 1。发电机空载时，定子电流为零，即im1=it1=0，可由发电机电压﹑ 磁链方程得到 1 Lm im 2 it 2 0
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代入发电机转子电压 dq
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双馈发电机系统的并网
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变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段。 (1)起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。
在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风 力作用下作机械转动，并不涉及发电机变速的控 制。 (2) 在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速 的变化，从而获取最大的能量。 (3)功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组 的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持 在限定值以下。
风电机组的控制及并网等问题的 研究
风电机组控制及并网
一 前言
1、风力发电研究的背景和意义 风力发电是电力可持续发展的最佳战略。技术 创新使风电技术日益成熟，具有市场竞争能力 ，风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大 前景。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和 电力短缺的局面，是解决边远农村供电的重要 途径，减少资源消耗和环境污染,减少温室气 体等有害气体的排放,缓解全球变暖,保护环境 ，有着巨大的社会效益和经济效益,中央把风 力发电自主创新提高到战略高度，风力发电技 术的研究和产业化对于我国的发展具有深远的 意义。
刹车控制 偏航驱动
变流控制命令
图2.7 变速恒频风力发电机组的主控制框图
风电机组控制及并网
图2.2 永磁直驱风力发电系统
风电机组控制及并网
永磁直驱式风电系统的风轮与永磁同步发电机直接 相连，无需升速齿轮箱，同时转子为永磁式结构， 无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高 了效率。另外转子上没有滑环，运行更加安全可靠。
缺点是永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁 性，并且电机的功率因数不可控。
器。 它的缺点主要有： 1：复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机
参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。 2：为了满足电机的磁场需要，定子侧变流器容量要
比额定功率高30~40%。
风电机组控制及并网
图2.5 无刷双馈风力发电系统
风电机组控制及并网
这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了 可实现变速恒频控制，降低变频器的容量 外，还可实现有功、无功功率的灵活控制， 对电网而言可起到无功补偿的作用，同时 发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电 机的成本，又提高了系统运行的可靠性。
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(5)直流环节：一般直流环节的电压控制为恒 定。
(6)网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变 流器，采用某种控制方法使直流电转变为三 相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交 流电），并能有效的补偿电网功率因数。
(7)变压器通过变压器以及一些开关设备和保 护设备，把电能变为高压交流电（如11kV 或33kV等）。
风电机组控制及并网
近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业 化应用不断提高，同时，风力发电的成本也 在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多 有利条件。现就当前流行的几种风电系统的 控制方式和风电机组并网的相关问题做下简 单介绍
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二 变速恒频风力发电系统
风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速 恒频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大 多采用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的 发电机转速保持不变，其运行范围比较窄，因此 逐步被后来的变速恒频系统所取代。变速恒频风 电系统的发电机的转速能随风速的变换而变换， 能够按照最佳效率运行，变速恒频发电系统是当 今风电系统发展的一个趋势。
风电机组控制及并网
变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速 可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒 频电能。采用变速恒频发电方式,就可按照捕获 最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调 节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从 而提高了机组发电效率,优化了风力机的运行条 件。
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永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重 要方向。
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图2.3 绕线转子型异步双馈风力发电系统
风电机组控制及并网
它的优点是： 1：减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为 整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要 控制转子滑差功率。 2：减小逆变器和电磁噪声滤波损失。 3：在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性 和可靠性。
双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修， 这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。
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图2.4 异步电机风力发电系统
风电机组控制及并网
使用异步电机具有以下优点： 1：异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。 2：整流器可产生用于电机的可调励磁。 3：快速瞬态响应。 4：当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿
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变流器
桨距度
发电机 发电机转速
桨距驱动
AC DC
电流 PWM 直流电压
DC AC PWM
有功功率和无 直流母线电压
功功率控制
控制
电流
电网
有功功率和无 功功率
P 负载曲线 功率因数控制
风速 风向
桨叶角控制
转速控制
-启动
-满载时
-半载
-关机
桨距控制
桨距控制模式 风机主控制系统
变流控制系统
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2.1 变速恒频风力发电系统的分类
在变速恒频风电系统中，主要有以下几种 风电系统：(a)永磁直驱风力发电系统; (b) 绕线转子型异步双馈风力发电系统;(c) 异步 电机风力发电系统;(d)无刷双馈风力发电系 统; 但目前应用较为广泛且较有发展前景的主要 是双馈式和永磁直驱式。
图2.1 变速恒频风力发电系统框图
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(1)风力机把风能转化为动能。 (2)变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低
转速转化为发电机运行所需要的高转速。 (3)风力发电发电机把风力机输出的机械能转
变为电能。 (4)发电机侧变流器由自关断器件（如GIR、
IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采用 一定的控制方法将发电机发出的变频的交 流转换为直流。
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2.2 变速恒频机组的控制
变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发 电机的转速可在很大范围内变化而不影响 输出电能的频率。可以通过适当的控制， 使风力机的转速可变，使风力机的尖速比 处于或接近于最佳值，从而最大限度的利 用风能。
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图2.6 风力机的输出功率与发电机转速的关系图