1.2 大型風電機組控制與并網技術

1.2.1 風力發電系統結構

1. 定速風力發電系統

雙速感應發電機中的小功率低速感應發電機工作在低風速區，大功率高速感應發電機工作在高風速區。當風速超過額定風速時，通過葉片的失速來降低其風能利用系數，從而維持功率恒定。由于風力機轉速不能隨風速變化，因此其風能利用系數往往偏離最大值，風能利用率不高，風力機常常運行在低效率狀態。20世紀80年代至90年代丹麥生產的風電機組主要采用定速風力發電系統，我國生產的600kW和750kW風電機組也采用這種發電系統。

2. 變速風力發電系統

1）雙饋變速變槳距風電機組

如圖1-2所示為雙饋變速變槳距風電機組工作原理圖，發電機的定子直接和電網連接，繞線轉子則通過滑環與變換器相連接。其中，變換器用于控制轉子繞組電流，調節發電機輸出功率和轉矩。也有采取在轉子回路外接電阻的方法，如丹麥Vestas公司就采用轉子電流控制結構（OptiSlip）實現變速控制。

雙饋異步發電機的定子電流頻率、轉子轉速和轉子電流頻率的關系為

其中，P為發電機的極對數；nm為發電機轉子轉速；f1為定子頻率，即電網頻率；f 2為發電機轉子電流頻率。可見，當風速變化引起發電機轉速發生變化時，只要改變通入發電機轉子勵磁電流的頻率 f 2就可以保持發電機定子側輸出頻率 f1不變。電網側變換器將電網的交流電整流為直流電，轉子側變換器將直流電逆變為交流電，逆變的交流電頻率由發電機的轉子轉速決定，從而實現定子側輸出恒定頻率的電流。

雙饋感應發電機工作在一個有限的變速范圍，該范圍與變換器設計有關。通常，變換器容量為發電機額定功率的20%～30%，變速范圍也比轉子外接電阻的調速方式大。雙饋變速變槳距風電機組會產生很大的電流峰值，因此，為了保證風電機組安全運行，需要采用先進的保護措施實現低電壓穿越。

2）全功率變換器有增速齒輪箱風力發電系統

全功率變換器有增速齒輪箱風力發電系統采用全功率變換器實現全范圍變速，發電機可以是感應發電機、同步發電機和永磁發電機，通過增速齒輪箱與風力機連接，再經變換器與電網連接。

對于電網發生故障時要求風電機組能夠實現低電壓穿越，全功率變換器的風力發電系統很容易實現。同時，該系統具有良好的控制性能，可實現多重目標控制，如電壓穩定控制、無功控制等，應用范圍更廣。

3）全功率變換器無增速齒輪箱風力發電系統

全功率變換器無增速齒輪箱風力發電系統取消了增速齒輪箱，發電機為同步發電機或永磁發電機，設計成多極發電機形式。直接驅動永磁發電機，具有傳動系統簡單、效率高及控制魯棒性好等特點。

3.并網控制過程

（1）定速風力發電系統并網過程：采用晶閘管軟切入，過渡過程結束后，立即切除變換器，該變換器并非整個系統的核心。

（2）變速風力發電系統并網過程：變換器在變風速條件下，將頻率隨風速變化的交流電轉換為與電網電壓頻率相同、與電網實現柔性連接的交流電，并通過調節風力機獲取最大風能。

4.變換器

（1）交—交變換器：變流效率高且可以四象限運行，功率可快速雙向流動。但是因為采取相控方式，輸出電壓含大量諧波，尤其是低頻時諧波含量大、功率因數低。經改進后的矩陣式交—交變換器采用全控器件和先進控制策略，輸出電壓靈活可控，低頻諧波含量大大減小，電流為正弦形式等。

（2）交—直—交電壓型變換器：采用二極管不可控整流，輸入電流發生畸變，諧波增大，輸入功率因數低，并且能量無法雙向流動。交—直—交電壓型雙PWM變換器主電路拓撲方案成熟，諧波含量非常低，并且可以調節功率因數。同時，通過PWM控制，易于實現變換器四象限運行，電路設計及控制系統設計均較矩陣式變換器簡單。因此，目前得以大量采用。

1.2.2 風電機組狀態監測

狀態監測系統用于測量風電機組運行狀態參數，評估其運轉狀況，是實施風電機組綜合維修解決方案的關鍵。監測數據由現場的下位機采集并處理，通常采用微處理控制器，如PLC、DSP等，通過預先設定的風電機組參數控制風電機組狀態。

1. 狀態監測系統組成

狀態監測系統需要建立在一個硬件平臺上，選擇合適的傳感器，并安裝在恰當的位置，通過特定的應用軟件采集、存儲、傳遞數據。選擇傳感器主要考慮被測部位的振動狀態及傳感器的工作環境，要求振動傳感器可靠、靈敏度高、線性好、失真小、無相移、頻響范圍寬及抗干擾能力強。傳感器的安裝也十分重要，如果安裝不正確，則會影響到測量結果，也會損壞傳感器本身。

2. 大型風電機組遠程狀態監控系統組成

如圖1-3所示，大型風電機組遠程狀態監控系統一般由下位機（現場微處理控制器）采集信息，再由通信線路傳至上位機（服務器和工控計算機）進行監控，工程技術人員操作上位機的人機界面，發出指令，經通信線路傳至下位機，控制風電機組，并且通過網絡監視器可以在各地實時查看風電場的運行狀況。上位機與下位機之間屬于遠距離一對多通信。

監控系統（SCADA）要求有友好的人機界面，以方便操作人員直觀地查看，并要求具有實時監控、故障記錄、趨勢曲線、繪制報表、用戶管理等功能。目前，風電機組的數據采集和監控系統都由風電機組制造商配套供應，各廠家的監控系統互不兼容。

某公司開發的風電機組狀態監測系統WindCon2.0具有狀態監測和故障診斷的功能。其用戶界面友好，動態數據在數秒內更新，歷史數據顯示在趨勢圖下，一個或多個參數可以自動地按照相對時間、轉速或其他工藝參數（如功率、溫度、水平等）等方式顯示，趨勢圖以秒為單位進行更新。該監控系統運行在Microsoft Windows操作系統。每臺被監測的風電機組的數據保存在數據庫里，包括轉軸、軸承、齒輪、葉片等部件的相關信息，如軸承型號、齒數、葉片數也可以一并保存，基于這些信息，再加上實際轉速，就可以自動計算缺陷頻率。

1.2.3 風電機組功率控制技術

1.風力機變槳距控制

根據風力機葉片在輪轂的安裝結構可將風電機組分為定槳距和變槳距風電機組兩大類。其中，定槳距風電機組的葉片固定安裝在輪轂上，當風速變化時，槳葉安裝角不發生變化。

變槳距風電機組的葉片與輪轂之間采用非剛性連接方式，允許葉片可以繞葉片縱梁調節節距，使得葉片相對于風向有不同的攻角。當風速持續變化時，葉片的攻角始終保持在最佳角度，從而使風電機組有可能在不同風速下始終保持最佳轉換效率，獲得最大輸出功率。當風速大于切出風速時，風力機停止工作，葉片順槳以保護風力機不受損壞。與定槳距風電機組相比，變槳距風電機組具有在額定風速以上輸出功率平穩的特點。同時，變槳距風電機組葉片較薄，結構簡單、質量輕，發電機轉動慣量小，易于制造大型風電機組。因此，大型風電機組常采用變槳距技術。傳統的變槳距方式主要有電液伺服和電氣伺服兩種形式。為了限制動態轉矩，往往采取限制變槳距機構的輸出節距角變化值，一般為5°/s～12°/s。對于大型風電機組，葉片改變節距角時所需的驅動力相對比較大，對變槳距機構的強度和定位精度都有較高的要求。

同時，對于變槳軸承的要求更高，涉及材料和特殊加工工藝。例如，某企業生產的1.5MW變槳軸承采用合金材料，要求軸承滾道淬火層深度超過4.5mm，軸承內外圈變形僅 0.05mm，內外齒輪對滾道徑向跳動小于 300μm，滾道表面粗糙度為0.8μm。

2.風力機偏航控制

偏航控制系統是風電機組控制系統的重要組成部分，一般由偏航軸承、偏航驅動裝置、偏航制動器、偏航計數器、扭纜保護裝置、偏航液壓回路等組成，主要作用有兩個。

（1）與風電機組的控制系統相互配合，使風力機葉片始終處于迎風狀態，提高風電機組的發電效率。

（2）保障風電機組的安全運行。風電機組的偏航控制系統主要分為兩大類：被動迎風偏航系統和主動迎風偏航系統，前者多用于小型的獨立風電機組，由尾舵控制，當風向改變時被動對風；后者多用于大型并網型風電機組，由位于下風向的風向標發出的信號進行主動對風控制。由于風向經常變化，因此必須通過不斷轉動機艙使得風力機葉片始終正面受風，增大風能的捕獲率。但是，在實際應用中，因受風速儀及風向標傳感器精度不高限制，再加上這些傳感器往往安裝在下風向位置受干擾，測量誤差大，不能做到100%對風，降低了風能捕獲效率，同時因對稱安裝的風電機組葉片運行時受力不均，引起風電機組振動和加劇葉片的疲勞。因此，如何提高對風精度值得關注。

3.風力發電機控制

雙饋異步風力發電機的定子繞組接工頻電網，轉子繞組由具有可調節頻率、相位、幅值和相序的交—直—交變換器激勵，使得雙饋發電機可以在不同的風速下運行，其轉速隨風速變化作相應調整，使風力發電機始終運行在最佳狀態，提高了風能的利用率。同時，通過控制饋入轉子繞組的電流參數，保持定子輸出的電壓和頻率不變，同調節電網的功率因數，提高系統的穩定性。

4. 功率控制策略

（1）基于風速的風電機組輸出功率控制方法：當風速在切入風速和額定風速之間變化時，采用變速控制方法，追蹤最佳功率曲線，獲得最大功率；當風速在額定風速和切出風速之間變化時，采用變槳距控制方法，調節風力機葉片槳距角，保持額定功率不變。該方法的特點是能根據風速的大小選用不同的控制方法，實現風力機最大功率的輸出，提高了風電機組風能利用效率，同時提高了風力機運行的穩定性和可靠性。

（2）基于風向標和輸出功率的風力發電機偏航控制方法：在風向變化絕對值大于15°時，采用風向標控制方法；在風向變化絕對值小于等于15°時，則采用功率控制方法。風向、風速變化勢必引起風電機組的輸出功率變化，通過功率檢測儀測得風電機組輸出功率，只有在風向變化時才進行偏航控制，風速變化對功率控制方法僅僅視為干擾信號。其中，功率控制方法又分為逆時針旋轉、順時針旋轉和原位停止3種工況。該方法能縮短風力機對風時間，提高了風力機對風精度、風電機組風能利用效率和風力機使用壽命。

1.2.4 低電壓穿越技術

1. 低電壓穿越要求

（1）電力系統發生非永久性短路故障引起電網電壓下降，危害極大。例如：我國東北某地在2008年就多次發生因小的電網故障造成方圓200km范圍內的400MW風電機組同時全部切除的現象；在甘肅玉門風電場、甘肅安西中廣核大梁子風電場、寧夏賀蘭山風電場發生過類似的情況；某些電氣化鐵路附近的風電場在電氣化機車經過時，也曾發生風電場內風電機組大部分甚至全部切除的現象。

（2）風電機組在故障期間不脫離電網，并能及時向系統提供電壓和無功支持，避免故障期間對風力發電機組齒輪傳動機構和轉子電力電子變流器的損傷。

綜合考慮風電機組自身的安全和入網規程要求，針對風電機組提出如下要求：

當發生三相對地短路故障（電壓跌落至15%額定電壓）時，風電機組升壓變壓器高壓側與電網的連接，至少應維持并網運行625ms低電壓穿越能力

在發生不對稱故障（如單相接地短路、兩相相間或兩相接地故障）時，風電機組必須能夠抵御和穿越低電壓，直到斷路器清除故障

發達國家風電運營商已開始要求新采購的風電機組具有低電壓穿越能力LVRT，即Low Voltage Ride Through。同時，風電制造商為了保證產品順利銷售，也采取了很多改進措施，以提高風電機組的低電壓穿越能力，并通過專門機構測試。但當前風電制造商大多憑經驗采取增大轉子側變換器的容量，以及齒輪箱靜態轉矩余量的方式，結果將風電機組的電流、電壓應力轉移為齒輪箱及轉軸的機械應力。由于齒輪箱及轉軸有一定的疲勞壽命周期，因此不會在測試時立刻就損壞，但這種方法勢必給風電機組造成潛在的危害。

2. 技術方案

為了減少系統故障期間風電機組轉子不平衡轉矩對齒輪傳動機構的損傷，常用的控制方法分為以下4類。

（1）轉子旁路電路（Crowbar，轉子撬棒），包括無源轉子旁路電路、轉子旁路及電壓鉗位電路（Chopper）和有源轉子旁路電路（3相整流和IGBT斬波）。

（2）定子側電力電子開關加轉子旁路電路。

（3）改進交流勵磁變換器控制策略。該方案的優點是只需修改勵磁變換器的電流控制策略，不改變雙饋感應發電機主電路。需要將考慮轉軸及齒輪箱承受的瞬態轉矩，限制在一定范圍內，避免產生轉矩振蕩。

雙饋感應發電機穿越電網不對稱故障的效果并不理想。通常雙饋感應發電機轉子側勵磁變換器只能承受負序電壓分量不超過20%額定電壓UN的電網不對稱故障，并且采用有源轉子旁路電路方案時，轉子旁路電路只能起到有限的輔助作用。通過修改勵磁變換器的電流控制策略有助于增強穿越電網故障低電壓的能力。

（4）雙饋感應發電機定子側串聯有源變換器。

3.各低電壓穿越特性

（1）轉子旁路保護電路無法兼顧轉子側變換器和齒輪箱等機械部件的保護，不同故障類型及不同故障程度下的保護電路參數也難以統一。

（2）定子側電力電子開關加轉子旁路電路需要同時加大電網側變換器和轉子側變換器的容量。同時，不對稱故障暫態期間電網側變換器連續保持有效的矢量控制及故障后20ms快速并網等操作難度大。

（3）改進變換器控制算法提高低電壓穿越能力，以足夠大的勵磁電源來抑制轉子的感應電流，但在電壓跌落較大甚至達到零值等極端情況下是不現實的。

（4）定子側串聯有源變換器在劇烈暫態變化的極端不對稱故障期間，保持串聯變換器有效實施矢量控制難以實現。

1.2.5 高壓柔性直流輸電風電場并網技術

（1）電壓源變換器高壓直流輸電（VSC-HVDC）用于風電場并網，該并網方式和控制策略使得在逆變側發生故障時有較快的恢復特性，并且具有良好的控制效果。目前，風電場對提高交流系統穩定性效果不明顯。隨著風力發電在整個發電量中的比重越來越大，應該更深入地研究風電場并網及對交流系統無功的支撐、暫態恢復、系統的穩定，以及電壓和頻率的調節等。

（2）采用VSC-HVDC聯網具有以下優點：

VSC-HVDC的換流站可以對有功和無功進行獨立控制，控制靈活方便

VSC-HVDC采用全控型器件，可以工作在無源逆變方式，使利用VSC-HVDC為遠距離孤立負荷送電成為可能

VSC 不需要交流側提供無功功率，而且能夠起到STATCOM 的作用，即動態補償交流母線無功功率，穩定交流母線電壓

多個VSC可以連接到一個固定極性的直流母線上，易于構成與交流系統具有相同拓撲結構的多端直流系統，運行控制方式靈活多變

（3）VSC-HVDC技術為風電遠距離傳輸提供一種新的解決方案。它采用電壓源變換器和絕緣柵雙極晶體管為基礎，將高壓直流輸電技術應用于只有幾兆瓦到幾十兆瓦的功率相對小的直流輸電系統。VSC-HVDC的點對點控制和運行方式簡單，輸出電壓波形好，功率因數高，在小功率傳輸方面經濟性好。VSC-HVDC 具有傳統HVDC 的優點，還可以用來連接遠方小的發電廠，向小型孤立的遠距離負荷供電，更為經濟地向市中心供電，連接各種分散電源，適合地處偏遠地區的風電場遠距離輸電。

（4）“十一五”期間我國國家電網公司和南方電網公司正在進行VSC-HVDC 用于風電場聯網的可行性相關方面的研究。華東電網正在建設南匯風電場聯網的VSC-HVDC示范工程。南方電網擁有豐富的陸上和海上風能資源，預計到2020年，廣東的風電裝機容量將達到3000MW以上，VSC-HVDC用于海上風電場聯網易構建多端VSC-HVDC的輸電結構。

（5）目前，世界上已建有VSC-HVDC用于風電場聯網方面的工程。例如：1999年6月，瑞典采用VSC-HVDC技術將哥特蘭島的風力發電經過地下電纜送往本土，這是世界上第一個商業化的VSC-HVDC工程。隨后，澳大利亞、丹麥、墨西哥、美國、挪威、愛沙尼亞、芬蘭、德國等建成了容量和輸送距離都不斷增加的柔性直流輸電系統。2009年，德國采用VSC-HVDC將容量為400MV的風電場接入電網運行，距離海岸線約 130km。美國于 2010年建成目前世界上電壓等級最高的VSC-HVDC系統，電壓等級達到±200kV。世界上采用VSC-HVDC系統將海上大規模風電場的風電送往負荷區，已有了一定的運行經驗。我國目前還沒有建成采用VSC-HVDC用于風電場接入和電力外送的示范工程。