摘 要：針對大型異步風(fēng)力發(fā)電機組，從并網(wǎng)原理以及控制技術(shù)方面對風(fēng)力發(fā)電機組軟并網(wǎng)控制進行了分析。完成了對軟并網(wǎng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。系統(tǒng)由反并聯(lián)晶閘管、控制電路以及保護電路三部分組成，采用DSP中央處理器與ARM上位機。最后，運用了Matlab仿真平臺對異步風(fēng)力發(fā)電機組軟并網(wǎng)進行模擬仿真。仿真實驗結(jié)果表明，文中提出的晶閘管軟并網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對并網(wǎng)沖擊電流的有效抑制，使異步風(fēng)力發(fā)電機組平穩(wěn)并網(wǎng)，具有一定程度的實際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：異步發(fā)電機；軟并網(wǎng)；晶閘管；模擬仿真

目前，全國大部分大中型風(fēng)力發(fā)電機組很多都采取異步發(fā)電機。相比于同步發(fā)電機，異步發(fā)電機不僅有著簡單的控制裝備，對于在并網(wǎng)時也沒有任何嚴(yán)格的頻率以及相角的要求，易于穩(wěn)定并網(wǎng)，不易產(chǎn)生振蕩和失步。但是異步發(fā)電機采取直接并網(wǎng)時，沖擊電流會高達(dá)電機額定電流的5至7倍，會嚴(yán)重?fù)p壞電網(wǎng)、發(fā)電機以及葉輪等設(shè)備，甚至可能對其他聯(lián)網(wǎng)機組的正常運行造成影響，引起電力系統(tǒng)的癱瘓。所以，采用合適的并網(wǎng)方式降低并網(wǎng)沖擊電流顯得非常重要。迄今為止，世界上主要有直接并網(wǎng)法、降壓并網(wǎng)法、準(zhǔn)同期并網(wǎng)法以及可控硅軟并網(wǎng)等幾種異步風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)方式。其中，直接并網(wǎng)方法操作簡單，但對電網(wǎng)傷害較大，會引起電力系統(tǒng)電壓瞬時降低，一般只在異步發(fā)電機容量在百千瓦級以下時使用。降壓并網(wǎng)方法需增置大功率電阻或電抗組件，投資隨容量的增大而增大，經(jīng)濟性較差。準(zhǔn)同期并網(wǎng)方法需增置高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，經(jīng)濟性較差，且并網(wǎng)消耗時間過長。而可控硅軟并網(wǎng)方法很大程度的降低了機組并網(wǎng)時的損耗，因為該方法會得到一個不會出現(xiàn)沖擊電流的平穩(wěn)并網(wǎng)過程，提高風(fēng)電機組的使用時長和可靠性，是目前應(yīng)用較為廣泛的風(fēng)電并網(wǎng)方式之一。

1 異步風(fēng)力發(fā)電機軟并網(wǎng)原理

在風(fēng)力發(fā)電機直接并網(wǎng)時靠近同步速時，異步發(fā)電機可能會經(jīng)歷一點瞬態(tài)過渡過程，過程中會產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊電流，與其值大小有關(guān)系的參數(shù)包括：發(fā)電機參數(shù)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機磁通飽和水平以及并網(wǎng)瞬間電壓相位角等。直接并網(wǎng)時所也會產(chǎn)生一個過渡過程電流，電流值為：

電機并入電網(wǎng)的時候，定子繞組中所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)交流分量i0sin（？棕t+？琢）開始產(chǎn)生，產(chǎn)生的電磁力使動轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機在靠近同步轉(zhuǎn)速并網(wǎng)的時候，i0約等于電機空載時的電流。并入電網(wǎng)的瞬間，定子繞組磁鏈會保持原來的零狀態(tài)，依據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍恚驗檗D(zhuǎn)子的短路繞組中所產(chǎn)生了衰減的直流分量，導(dǎo)致產(chǎn)生了磁場將切割定子繞組，并且產(chǎn)生了衰減的暫態(tài)交流分量 。暫態(tài)交流分量ia與電抗成反比，與電壓成正比。此時，并入電網(wǎng)的一瞬間，定子繞組產(chǎn)生的衰減直流分量 ，用來控制電網(wǎng)中電壓所產(chǎn)生的磁通，id與電機并網(wǎng)的瞬間定子氣隙磁勢波形和氣隙均勻度有關(guān)，與電網(wǎng)電壓和暫態(tài)電抗成正、反比，另外異步發(fā)電機的并網(wǎng)瞬態(tài)沖擊電流的峰值還與并網(wǎng)瞬間的電網(wǎng)電壓相位角相關(guān)，在相位角至為？茲=？漬±？仔/2時，沖擊電流達(dá)到最大，？茲=？漬沖擊電流值最小。

2 軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

在文章中，三對反并聯(lián)晶閘管及其保護電路構(gòu)成了異步風(fēng)電機組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的主電路。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速接近時，雙向晶閘管逐漸導(dǎo)通，因為發(fā)電機的接觸器閉合的瞬間觸發(fā)脈沖控制了雙向晶閘管。在次同步轉(zhuǎn)速階段，即晶閘管在開始導(dǎo)通的起始時刻，在電網(wǎng)與葉輪的共同拖動下電機處于電動運行狀態(tài)，此刻電機轉(zhuǎn)速立刻增加，其滑差值趨于零的速度漸漸變快。當(dāng)以達(dá)到零值，晶閘管將會完全導(dǎo)通，并入電網(wǎng)后沖擊電流將會縮小在不大的范圍之內(nèi)，從而得到一個相對平滑的并網(wǎng)過程。一旦發(fā)電機開始輸出功率，雙向晶閘管將會主動關(guān)閉觸發(fā)脈沖，發(fā)電機所輸出的電流不再經(jīng)雙向晶閘管，而通過已閉合的自動開關(guān)觸點流向電網(wǎng)。至此，并網(wǎng)控制結(jié)束，風(fēng)機進入發(fā)電運行控制階段。

控制系統(tǒng)采用屬于CPU系統(tǒng)的DSP，系統(tǒng)內(nèi)所有的啟動、停止以及并網(wǎng)方式都要受到ARM的控制，并網(wǎng)時的命令主要由主控制器下達(dá)。上位機ARM選用的是因特爾公司的Pxa270，CPU選用TI公司的TMS320F2812芯片。由三組反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成軟并網(wǎng)部分，而電機定子端的交流電壓是由晶閘管的開啟邏輯來控制。

軟并網(wǎng)過程中程序流程可以簡要作如下闡述：系統(tǒng)自檢初始化，而后采集電網(wǎng)的電壓與頻率決定是否并網(wǎng)。若是，閉合并網(wǎng)接觸器以及電機側(cè)接觸器，設(shè)定初始角與移動步長，啟動定時器并確認(rèn)晶閘管是否導(dǎo)通。若是，則報告ARM并網(wǎng)成功。

3 異步電機并網(wǎng)仿真

文章運用Matlab 2010a對該軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)進行仿真。其中，發(fā)電機額定電壓690V，額定電流683A，定子頻率50Hz，額定功率750kW，額定轉(zhuǎn)速1518r/min，級數(shù)為四級。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15m/s時，異步風(fēng)力發(fā)電機的平均速度可達(dá)約1475r/min。此時進行并網(wǎng)，則瞬時電流峰值可達(dá)4800A；采用晶閘管軟并網(wǎng)系統(tǒng)所控制，并網(wǎng)時的最大電流低于800A，經(jīng)過0.5s后，電流恢復(fù)穩(wěn)定。這樣便將并網(wǎng)沖擊電流有效地限制在額定值的1.5倍左右，上下幅度不超過17%，滿足預(yù)期的并網(wǎng)要求。

Matlab平臺上的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果還表明：自并網(wǎng)開始到電機達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的過程中，晶閘管導(dǎo)通速度過快或者晶閘管導(dǎo)通角的增大都可能會產(chǎn)生較大的沖擊電流。因而，在此過程中應(yīng)控制好導(dǎo)通角步長及持續(xù)時間。此外，為了有效的對軟并網(wǎng)持續(xù)時長進行控制，在電機自身轉(zhuǎn)速與并網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速值較為接近時，應(yīng)該令晶閘管處于完全導(dǎo)通的狀態(tài)，以便電機自身轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速同步，保持并網(wǎng)電流穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

文章針對大型異步風(fēng)力發(fā)電機組，從并網(wǎng)原理以及控制技術(shù)方面對風(fēng)力發(fā)電機組軟并網(wǎng)控制進行了分析。提出了一種采用電流閉環(huán)控制的風(fēng)力異步發(fā)電機的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該方法可使電機并網(wǎng)瞬時電流穩(wěn)定在額定電流的1.5倍左右，且系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，滿足并網(wǎng)要求。

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作者簡介：周冉冉（1984-），男，河北唐山，碩士研究生畢業(yè)，國網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，從事電網(wǎng)運檢技術(shù)、新能源技術(shù)研究。