风电场集风力发电机并网运行

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并网过渡过程结束后， 再将其短接。 对于较大型的风力发电机组， 目前比较先进
的并网方法是采用双向晶闸管控制的软投入法， 如图 ４ 所示。当风力发电机组将发电机带到同步 转速附近时， 发电机输出端的短路器闭合， 使发电 机组经双向晶闸管与电网连接， 双向晶闸管触发 角由 １８０～０°逐渐打开， 双向晶闸管的导通角由 ０～ １８０°通过电流反馈对双向晶闸管导通角控制， 将 并 网 时 的 冲 击 电 流 限 制 在 额 定 电 流 的 １．５ 倍 以 内， 从而得到一个比较平滑的并网过程。瞬态过程 结束后， 微处理机发出信号， 利用一组开关将双向 晶闸管短接， 从而结束了风力发电机的并网过程， 进入正常发电运行。
风电场风力发电机的排列形式多种多样， 但 都是以任何一台风力机风轮转动接受风能， 而对 其前后左右的其他风力发电机风轮接受最大风能 不产生影响或影响较少， 并且占地越少越好为原 则。下面列举风力机排列的 ３ 种情况。
① 盛行风不是一个方向的风电场， 风力发电 机的排列如图 １ 所示。
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图 ２ 盛行风向基本不变的风电场风机排列
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ＲＥＮＥＷＡＢＬＥ ＥＮＥＲＧＹ Ｎｏ．６ ２００６ （１３０ Ｉｓｓｕｅ ｉｎ Ａｌｌ）
风 力 发 电 技王士荣， 董丽萍 （ 沈阳工业大学 风能技术研究所， 辽宁 沈阳 １１００２３）
中图分类号： ＴＭ６１４ 文献标志码： Ｂ 文章编号： １６７１－ ５２９２（ ２００６） ０６－ ００９８－ ０４
这种同步机并网方式， 可使并网时的瞬态电 流减至最小， 因而风力发电机组和电网受到的冲 击也最小。但是要求风力发电机组调速器调节转 速， 使发电机频率与电网频率的偏差达到容许值 时方可并网， 因此对调速器的要求较高。如果并网 时刻控制不当， 则有可能产生较大的冲击电流， 甚 至并网失败。另外， 实现上述同步并网所需要的控 制系统， 一般不是很便宜的， 将占小型风力发电机 组整个成本相当大的部分。由于这个原因， 同步发 电机一般用于较大型的风力发电机组。
图 ５ 感应发电机的转矩－ 转速特性曲线 当风力发电机组传给发电机的机械功率及转 矩随风速而增加时， 发电机的输出功率及其转矩
也相应增大， 原先的转矩平衡点 Ａ１ 沿其运行特性
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曲线移至转速较前稍高的一个新的平衡点 Ａ２， 断 续平稳运行。但当发电机的输出功率超过其最大 转矩所对应的功率时， 其反转矩减小， 从而导致转 速迅速升高， 在电网上引起飞车， 这是十分危险 的。为此必须具有合理可靠的失速叶片或限速机 构， 保证风速超过额定风速或阵风时， 从风力发电 机组输入的机械功率被限制在一个最大值范围 内， 保证发电机的输出电功率不超过其最大转矩 所对应的功率值。
（ ２） 感应发电机的并网运行控制 ① 电机并网 感应发电机可以直接并入电网， 也可以通过 晶 闸 管 调 压 装 置 与 电 网 连 接 。感 应 发 电 机 的 并 网 条件如下。第一， 转子转向应与定子旋转磁场转 向一致， 即感应发电机的相序和电网相序相同； 第二， 应尽可能在发电机转速接近同步转速时并 网。并网的第一个条件是必须的， 否则电机并网 后将处于电磁制动状态， 因此在接线时应调整好 相序； 第二个条件不是非常严格， 不过， 愈是接近 同步转速并网， 冲击电流衰减的时间愈短。 当风速达到起动条件时风力发电机组起动， 感应发电机被带到同步转速附近时 （ 一般为同步 转速的 ９８％～１００％） 合闸并网。因为发电机并网时 本身无电压， 所以并网时必将伴随一个过渡过程， 流过额定电流 ５～６ 倍的冲击电流， 一般零点几秒 后即可转入稳态。虽然感应发电机并网时的转速 对过渡过程的时间有一定影响， 但一般来说问题 不大， 所以对风力发电机并网合闸时的转速要求 不是非常严格， 并网比较简单。风力发电机组与大 电网并联时， 合闸瞬间的冲击电流对发电机及大 电网的安全运行不会有太大的影响。对于小容量 的电网系统， 并联瞬间会引起电网电压大幅度下 跌， 从而影响电网上其他电器设备的正常运行， 甚 至会影响到小电网系统的稳定与安全。为了抑制 并网时的冲击电流， 可以在感应发电机与三相电 网之间串接电抗器， 使系统电压不致下跌过大， 待
（ ａ） 对行排列
（ ｂ） 交错排列 图 １ 盛行风不是一个方向的风电场风力发电机的排列
② 盛行风向基本不变的风电场， 风力发电机 的排列如图 ２ 所示。
③ 迎风山坡上风力发电机的高度差的要求 见 图 ３， 其 风 力 机 左 右 、前 后 距 离 要 求 ， 参 考 图 １ 和图 ２。
图 ３ 风力发电机在迎风坡的排列
⑧ 风电场应距居民点有一定的距离， 以降低 噪声及电磁波对居民生活的干扰；
⑨ 风电场占地面积要少， 要尽量减少对可耕 地的占用。
（ ３） 风电场内风力发电机的排列 在风电场中， 风力发电机的排列布局是一个 非常重要的问题。几十台乃至几百台风力发电机
收稿日期： ２００６－ １０－ １１。 作者简介： 姚兴佳（ １９４９－ ） ， 男， 教授， 博士研究生导师， 长期从事风能利用技术的研究 工 作 ， 国 家“８６３”项 目 主 持 人 ， 是 享 受 国 务 院 特 殊
图 ４ 感应发电机的软并网
② 并网运行时的功率输出 感应发电机并网运行时， 它向电网送出的电 流大小及功率因数， 取决于转差率 ｓ 及电机的参 数， 前者与感应发电机负载的大小有关， 对于设计 好的电机来说， 后者是给定的数值， 因此这些量都 不能加以控制或调节。并网后电机运行在其转 矩—转速曲线的稳定区（ 见图 ５） 。
２ 风力发电机并网运行 一般来说， 恒速恒频发电机并网控制系统比较
简单。根据发电机种类不同， 采用不同的并网方法。 同步发电机和笼型感应发电机并网运行控制的方 法各不相同， 前者运行于由电机极数和频率所决定 的同步转速， 后者则以稍高于同步转速运行。
（ １） 同步发电机的并网运行控制 由于同步发电机有固定的旋转方向， 只要使发 电机的输出端与电网各项互相对应即可满足并网 条件的要求。 起动和并网过程如下： 风向传感器测出风向， 并使偏航控制器动作， 使风力发电机组对准风向； 当风速超过切入风速时， 桨距控制器调节叶片桨 距角， 使风力发电机组起动。当发电机被风力发电 机组带到接近同步转速时， 励磁调节器动作， 向发 电机供给励磁， 并调节励磁电流使发电机的端电 压接近于电网电压。在发电机被加速， 几乎达到同 步速度时， 发电机的电动势或端电压的幅值将大 致与电网电压相同。它们频率之间的很小差别将 使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在 ０°和 ３６０°的范围内缓慢地变化。检测出断路器两
Ｗ／ｍ２ 以上； ② 风电场地区的盛行风向 （ 经常出现的风
向） 稳定； ③ 要测量和收集预选风电场址 （ 至少 ２ 年）
的风况特性（ 包括风速、风向、风频及风速沿高度 的变化等） ， 以便对场内安装的风力发电机的发电 量作出精确的估算；
④ 有预选风电场址所在地区的气象环境情 况（ 如温度、相对湿度、大气压力、空气密度） 及特 殊 气 象 情 况 （ 如 台 风 、大 风 、冰 冻 、盐 雾 、沙 尘 、雷 电、紊流等） 的详细观测数据及资料；
津贴的专家。Ｅ－ ｍａｉｌ： ｘｉｎｇｊｉａ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ
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安装位置的排列， 将直接影响到风电场实际发电 量的多少。
风力发电机在风电场中的布局排列取决于风 电场地域内的风速、风向、地形， 风力机结构（ 如风 轮直径 ｄ） 、风轮的尾流效应、风轮对侧面（ 旋转平 面方向） 气流的影响等因素， 其中尾流效应是一个 必须慎重考虑的因素。所谓尾流效应是指气流经 过风轮旋转面后所形成的尾流， 对位于其后的风 轮机的功率特性和动力特性所产生的影响。
③ 无功功率及其补偿 感应发电机需要落后的无功功率主要是为了 励磁的需要， 另外也为了供应定子和转子漏磁所 消耗的无功功率。单就前一项来说， 一般中、大型 感应电机的励磁电流约为额定电流的 ２０％～２５％， 因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的 ２０％～２５％， 再 加 上 第 二 项 ， 感 应 发 电 机 总 共 所 需 的无功功率应大于发电机容量的 ２０％～２５％。 接在电网上的负载， 一般来说， 其功率因数都 是落后的， 亦即需要落后的无功功率， 而接在电网 上的感应发电机也需从电网吸取落后的无功功 率， 这无疑加重了电网上其他同步发电机提供无 功功率的负担， 造成不利的影响。所以对配置感应 电机的风力发电机， 通常要采用电容器进行适当 的无功补偿。 （ ３） 变速恒频风力发电机组的并网运行 变速恒频风力发电机组的一个重要优点， 是 风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运 行。从风力发电机组的运行原理分析， 要求风力 发电机组的转速与风速成正比， 并保持一个恒定 的最佳叶尖速比， 从而使风力发电机组风轮的风 能利用系数 ＣＰ 保持最大值不变， 风力发电机组 就输出最大的功率。因此， 要求变速恒频风力发 电机组除了能够稳定可靠地并网运行之外， 最重
１ 风电场 风电场（ 即风力发电场） 是大规模利用风能
的 有 效 方 式 。风 电 场 是 在 风 能 资 源 良 好 的 较 大 范 围内， 将几台、或几十台、或几百台单机容量数十 千瓦、数百千瓦， 乃至兆瓦的风力发电机， 按一定 的阵列布局方式， 成群安装组成的向电网供电的 群体。
（ １） 风电场的发展 ２０ 世纪 ７０ 年代 末 ， 风 电 场 的 概 念 首 先 在 美 国提出。到 １９８７ 年， 世界上 ９０％以上的风电场建 在美国， 主要分布在加利福尼亚州及夏威夷群 岛 ， 装 有 ７ ０００ 多 台 不 同 型 号 风 力 发 电 机 ， 总 装 机容量在 ６００ ＭＷ 以上。另外， 丹麦、荷兰、德国、 英国等也都建有总装机容量达兆瓦以上的风力 发电场。 进 入 ２０ 世 纪 ９０ 年 代 ， 特 别 是 ９０ 年 代 后 半期， 不仅在发达国家， 而且在发展中国家， 风力发电场的建设都呈现蓬勃发展的局面。 到 ２００３ 年 底 ， 全 世 界 风 电 场 总 装 机 容 量 达 ３９ １５１ ＭＷ， 其 中 德 国 最 多 ， 为 １４ ６０９ ＭＷ， 其 次 美 国 为 ６ ３７０ ＭＷ， 西 班 牙 为 ６ ２０２ ＭＷ， 丹 麦 为 ３ １１０ ＭＷ； 发 展 中 国 家 印 度 的 风 电 场 总 装 机 容 量 已 超 过 ２ １１０ ＭＷ， 居 第 ５ 位 。 中 国 为 ５６７ ＭＷ， 位 于 第 ９ 。 （ ２） 选择风电场的场址需考虑的因素和条件 ① 风电场要建立在风能资源丰富地区， 年平 均风速应在 ６～７ ｍ／ｓ 以上； 风能密度应达到 ２５０