張家瑞　黃揚(yáng)　鄒爭明　劉姣

摘 要 隨著發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，并網(wǎng)時對電網(wǎng)的沖擊也越來越大。軟并網(wǎng)技術(shù)可使并網(wǎng)電流控制在一定范圍內(nèi)，大幅降低并網(wǎng)沖擊電流，得到一個平穩(wěn)的過渡過程。本次研究通過采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，經(jīng)過運(yùn)算，得出機(jī)組運(yùn)行加速度，根據(jù)加速度的微分特性，達(dá)到預(yù)測控制的目的，從而實(shí)現(xiàn)晶閘管觸發(fā)角的精確控制。

關(guān)鍵詞 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī) 軟并網(wǎng) 加速度 晶閘管

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0引言

由于風(fēng)能具有蘊(yùn)藏量巨大、分布廣泛、清潔無污染和可再生，成本低、占地面積小、建設(shè)周期短等優(yōu)點(diǎn)，使得風(fēng)力發(fā)電從諸多新能源發(fā)電技術(shù)中脫穎而出。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是高度時變的、非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，其電氣控制系統(tǒng)的有效性和可靠性是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的關(guān)鍵。并網(wǎng)技術(shù)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中很重要的一部分，它關(guān)系到電網(wǎng)接入的電能質(zhì)量及風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。因此研究風(fēng)電并網(wǎng)技術(shù)有著極其重要的經(jīng)濟(jì)意義和重大民生意義。

本文以結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、成本低且廣泛使用的定槳距失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中異步發(fā)電機(jī)為研究對象，對其并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。

1異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時，靠滑差來調(diào)整負(fù)荷，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)速接近同步速時就可并網(wǎng)，控制簡單，且并網(wǎng)后不會產(chǎn)生振蕩和失步，運(yùn)行穩(wěn)定，要求不高。但異步發(fā)電機(jī)直接并入電網(wǎng)時，其沖擊電流會達(dá)到其額定電流的6～7倍，甚至10倍以上，該沖擊電流會對電網(wǎng)、風(fēng)機(jī)以及發(fā)電機(jī)本身造成嚴(yán)重的沖擊，甚至?xí)绊懫渌?lián)網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行。因此，應(yīng)對發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時的電流加以限制。

目前，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的主要方法有直接并網(wǎng)法、準(zhǔn)同期并網(wǎng)法、降壓并網(wǎng)法和軟并網(wǎng)法。

直接并網(wǎng)法是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時直接并網(wǎng)，這樣并網(wǎng)對電網(wǎng)沖擊大，有較大的瞬間沖擊電流，電網(wǎng)電壓下降嚴(yán)重。適用于電網(wǎng)容量大、風(fēng)電機(jī)組容量較小的場合。

準(zhǔn)同期并網(wǎng)法是在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，先用電容產(chǎn)生勵磁，使其建立額定電壓，然后調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的相位與電網(wǎng)同步后并入電網(wǎng)運(yùn)行。其優(yōu)點(diǎn)是并網(wǎng)沖擊電流較小，電網(wǎng)電壓下降幅度?。蝗秉c(diǎn)是并網(wǎng)所需的整步同期設(shè)備增加了機(jī)組的造價，且從整步到準(zhǔn)同步并網(wǎng)所需的時間長。適用于電網(wǎng)容量比風(fēng)電機(jī)組大不了幾倍的場合。

降壓并網(wǎng)是在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間串電抗器，以減少合閘瞬間沖擊電流的幅值與電網(wǎng)電壓的下降幅度，待達(dá)到穩(wěn)態(tài)時將電抗器切除。這種并網(wǎng)方式要增加大功率的電阻或電抗器組件，其投資隨機(jī)組容量的增大而增大，經(jīng)濟(jì)性差。適用于小容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)。

軟并網(wǎng)法則采用雙向晶閘管的軟切入法，得到一個平穩(wěn)的過渡過程而不會出現(xiàn)沖擊電流，可使并網(wǎng)電流控制在一定范圍內(nèi)，大幅降低并網(wǎng)時的沖擊電流，增加風(fēng)機(jī)的使用壽命和可靠性。目前，大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)都采用這種并網(wǎng)方法。

2失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)系統(tǒng)的工作原理

異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的主電路由三對反并聯(lián)或雙向晶閘管及其保護(hù)電路組成，在軟并網(wǎng)過渡過程中，每一時刻，有兩個晶閘管同時導(dǎo)通，構(gòu)成一個回路。

異步電機(jī)利用雙向晶閘管進(jìn)行軟并網(wǎng)的過程如下：當(dāng)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)起動或轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時，與電網(wǎng)相連的每一相雙向晶閘管的控制角在180€壩？€爸渲鸞ネ醬蚩幻肯轡藪サ憧氐乃蚓д⒐艿牡紀(jì)ń且餐庇？€壩？80€爸渲鸞ネ皆齟蟆4聳弊遠(yuǎn)⑼厴形炊鰨⒌緇ü蚓д⒐芷轎鵲亟氳繽？

當(dāng)異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于同步轉(zhuǎn)速時，異步發(fā)電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)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，這時自動并網(wǎng)開關(guān)動作，常開觸點(diǎn)閉合，短接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(diǎn)流向電網(wǎng)。通過控制晶閘管的導(dǎo)通角，來限制異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)以及大小電機(jī)切換時的瞬間沖擊電流，得到一個比較平滑的并網(wǎng)過程。

3仿真與實(shí)驗(yàn)分析

本次對本文所提出的軟并網(wǎng)系統(tǒng)在額定功率為1.1MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)上做了軟并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)對象為GCN1000型定槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入風(fēng)速為4.8 m/s，切出風(fēng)速20m/s，額定風(fēng)速15 m/s；風(fēng)機(jī)葉片數(shù)為2，風(fēng)場空氣密度 1.059Kg/m3。

發(fā)電機(jī)等效電路如圖1所示。其具體參數(shù)為：機(jī)端額定電壓VN 為0.69kV，額定容量SN 為1100MVA，額定功率PN 為1000MW，定子電阻R1為6.757 m ，定子電抗X1為80.926 m ，轉(zhuǎn)子電阻R2為51.531 m ，轉(zhuǎn)子電抗X2為147.95 m ，勵磁并聯(lián)支路電阻Rm為208.80 ，勵磁并聯(lián)支路電抗Xm為5.041 ，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為45.8kgm2，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子慣性時間常數(shù)為1.2s，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子額定轉(zhuǎn)速為1560rpm。

軟并網(wǎng)過程是一個強(qiáng)非線性過渡過程，只有采用基于狀態(tài)量反饋來實(shí)施閉環(huán)控制。傳統(tǒng)軟閉環(huán)軟并網(wǎng)即限流式軟并網(wǎng)，主要以電機(jī)的定子電流作為晶閘管觸發(fā)角變化的根本依據(jù)，通過采樣電機(jī)定子電流，并與電流限定值進(jìn)行比較，得出相應(yīng)的電流偏差值，經(jīng)過數(shù)字PI調(diào)節(jié)算法，計(jì)算出所需要的晶閘管觸發(fā)角的調(diào)整量。它存在潛在的缺點(diǎn)是：由于導(dǎo)通角最少需要10ms的時間才能改變一次，如果導(dǎo)通角已給出，則在接下來的10ms中電流是不可控的，所以當(dāng)參數(shù)調(diào)校不好的時候，可能出現(xiàn)電流忽大忽小的狀態(tài)，引起震蕩不穩(wěn)定。

本次研究改為采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，通過快速檢測及運(yùn)算，得出機(jī)組運(yùn)行加速度，根據(jù)加速度的微分特性，達(dá)到預(yù)測控制的目的，從而實(shí)現(xiàn)晶閘管觸發(fā)角的精確控制。將導(dǎo)通角從72度階躍變化到180度并持續(xù)20ms，斷開并網(wǎng)接觸器，間隔1秒后合上并網(wǎng)接觸器，投入導(dǎo)通角并保持3秒后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，然后檢測、運(yùn)算得出機(jī)組運(yùn)行加速度來控制晶閘管觸發(fā)角的這種方法可以很好地達(dá)到控制目的，改善了電流忽大忽小，震蕩不穩(wěn)定的狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到l320 r/min時由PLC（上位機(jī)）發(fā)出并網(wǎng)指令。整個并網(wǎng)過程中定子電流波形如圖2所示，從實(shí)驗(yàn)波形可以看出，采用基于加速度控制的晶閘管軟并網(wǎng)系統(tǒng)基本可以抑制過大的沖擊電流，而且在整個并網(wǎng)過程中，沒有出現(xiàn)電流電流忽大忽小，震蕩不穩(wěn)定的狀態(tài)。

4結(jié)語

本文對定槳失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，本次研究通過采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速脈沖，經(jīng)過運(yùn)算，得出機(jī)組運(yùn)行加速度，根據(jù)加速度的微分特性，達(dá)到預(yù)測控制的目的，從而實(shí)現(xiàn)晶閘管觸發(fā)角的精確控制。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種方法可以實(shí)現(xiàn)失速型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的平穩(wěn)并網(wǎng)，其啟動電流也完全可以滿足異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)要求。

（指導(dǎo)老師：吳紅霞）

基金項(xiàng)目：此成果為省級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：201511798001）。

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