间接并网条件检查与满足

9.4.2.1 同步发电机的并网运行

风力驱动的同步发电机与电网并联运行的电路如图9-17所示。除风力机、齿轮箱外，电气系统还包括同步发电机、励磁调节器、断路器等，发电机通过断路器与电网相连。

图9-17　同步发电机与电网并联运行的电路

1.并网条件

同步发电机与电网并联合闸前，为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并联条件。风力机输出的各相端电压瞬时值要与电网端对应相电压瞬时值完全一致，具体条件为：①波形相同；②频率相同；③幅值相同；④相序相同；⑤相位相同。

由于风力机有固定的旋转方向，只要使发电机的输出端与电网各相互相对应，即可保证条件④得到满足。所以在并网过程中主要应检查和满足另外四个条件。而条件①可有发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主要是其他三条的检测和控制，这其中条件②频率相同是必须满足的。

风力发电机组的起动和并网过程为：由风向传感器测出风向并使偏航控制器动作，使风力机对准风向；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机起动；当发电机被风力机带到接近同步速时，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；在风力发电机被加速几乎达到同步速时，发电机的电势或端电压的幅值将大致与电网电压相同；它们的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°～360°的范围内缓慢变化，检测出断路器两侧的电位差，当其为零或非常小时使断路器合闸并网；合闸后由于自整步作用，只要转子转速接近同步转速就可以使发电机牵入同步，即使发电机与电网保持频率完全相同。以上过程可以通过微机自动检测和操作。

这种同步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。但是要求风力机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，所以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，一般成本较高，对于小型风力发电机组来说，将会占其全部成本的相当大部分，由于这个原因，同步发电机一般用于较大型的风电机组。

2.有功功率调节

风力发电机并入电网后，从风力机传入发电机的机械功率Pm除一小部分补偿发电机的机械损耗qmec、铁耗qFe和附加损耗qad外，大部分转化为电磁功率Pme，即

电磁功率减去定子绕组的铜损耗pcul后就得到发电机输出的有功功率P，即

对于一个并联在无穷大电网上的由风力驱动的同步发电机，要增加它的输出电功率，就必须增加来自风力机的输入机械功率。而随着输出功率的增大，当励磁不作调节时，电机的功率角δ就必然增大，图9-18所示为同步发电机的攻角特性，可以看出，当δ=90°时，输出功率达到最大值，这个发生在sinδ=1时的最大功率叫做失步功率。达到这个功率后，如果风力机输入的机械功率继续增加，则δ＞90°，电机输出功率下降，无法建立新的平衡，电机转速将连续上升而失去同步，同步发电机不再能稳定运行，所以这个最大功率又称为发电机的极限功率。如果一台风力发电机运行于额定功率状况，突然一阵剧烈的阵风，有可能导致输出功率超过发电机的极限功率而失步。为避免出现这种情况，一是要很好地设计风轮转子及控制系统使其具有快速桨距调节功能，能对风速的急剧变化迅速作出反应；二是短时间增加励磁电流，这样功率极限也跟着增大了，静态稳定度有所提高；三是选择具有较大过载倍数的电机，即发电机的最大功率与它的额定功率相比有一个较大的裕度。

图9-18　同步发电机的攻角特性

从攻角特性曲线看到的另一个情况是当功率角δ成负值时，发电机的输出功率也变成负值。这意味着发电机现在作为电动机运行，功率取自电网，风力机变成了一个巨大的风扇，这种运行情况是应极力避免的。所以当风速降到一个临界值以下时，应使发电机与电网脱开，防止电动运行。

3.无功功率调节

电网所带的负载大部分为感性的异步电动机和变压器，这些负载需要从电网吸收有功功率和无功功率，如果整个电网提供的无功功率不够，电网的电压将会下降；同时，同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场对电机中的励磁磁场有去磁作用，发电机的输出电压也会下降，因此为了维持发电机的端电压稳定和补偿电网的无功功率，需增大同步发电机的转子励磁电流。同步发电机的无功功率补偿可用其定子电流I和励磁电流If之间的关系曲线来解释。在输出功率P3一定的条件下，同步发电机的定子电流I和励磁电流If之间的曲线也称为V形曲线，如图9-19所示。

从图9-19可以看出，当发电机功率因数为1时，发电机励磁电流为额定值，此时定子电流为最小；当发电机励磁大于额定励磁电流时，发电机的功率因数滞后，发电机向电网输出滞后的无功功率，改善电网的功率因数；而当发电机励磁小于额定励磁电流时，发电机的功率因数超前，发电机从电网吸引滞后的无功功率，使电网的功率因数更低。另外，这时发电机对应的功率角大于90°，还存在一个不稳定区，因此，同步发电机一般工作在过励状态下，以补偿电网的无功功率和确保机组稳定运行。

图9-19　同步发电机V形曲线(www.xing528.com)

9.4.2.2 感应发电机的并网运行

感应发电机的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。

感应发电机的并网条件是：

（1）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应和电网相序相同。

（2）发电机转速应尽可能接近同步速时并网。

1.直接并网

并网的条件（1）必须满足，否则电机并网后将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序。条件（2）不是非常严格，但愈是接近同步速并网，冲击电流衰减的时间愈快。当风速达到起动条件时风力机起动，感应发电机被带到同步速附近（一般为98%～100%同步转速）时合闸并网。由于发电机并网时本身无电压，故并网必将伴随一个过渡过程，流过5～6倍额定电流的冲击电流，一般零点几秒后即可转入稳态。感应发电机并网时的转速虽然对过渡过程时间有一定影响，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系统的安全运行不会有太大的影响。但对小容量的电网系统，并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电气设备的正常运行，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，待并网过渡过程结束后，再将其短接。

2.降压并网

降压并网时在发电机与电网之间串联电阻或电抗器，或者接入自耦变压器，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度。发电机稳定运行时，将接入的电阻等元件迅速地从电路中切出，以免消耗功率。这种并网方式经济性较差，适用于百千瓦级以上，容量较大的机组。

3.晶闸管软并网

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9-20所示。当风力机将发电机带到同步速附近时，发电机输出端的断路器闭合，使发电机经一组双向晶闸管与电网连接，双向晶闸管触发角由180°至0°逐渐打开，双向晶闸管的导通角由0°～180°逐渐增大。通过电流反馈对双向晶闸管导通角的控制，将并网时的冲击电流限制在1.5～2倍额定电流以内，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，进入正常的发电运行。

晶闸管软并网对晶闸管器件和相应的触发电路提出了严格的要求，即要求器件本身的特性要一致稳定；触发电路工作可靠，控制极触发电压和触发电流一致；开通后晶闸管压降相同。只有这样才能保证每相晶闸管按控制要求逐渐开通，发电机的三相电流才能保证平衡。

在晶闸管软并网的方式中，目前触发电路有移相触发和过零触发两种。其中移相触发的缺点是发电机中每相电流为正负半波的非正弦波，含有较多的奇次谐波分量，对电网造成谐波污染，因此必须加以限制和消除；过零触发是在设定的周期内，逐步改变晶闸管导通的周波数，最后实现全部导通，因此不会产生谐波污染，但电流波动较大。

图9-20　感应发电机的软并网

图9-21　感应发电机的转矩-转速特性曲线

4.并网运行时的功率输出

感应发电机并网运行时，向电网送出的电流的大小及功率因数，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，后者对于设计好的电机是给定数值，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，如图9-21所示。当风力机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反转矩也相应增大，原先的转矩平衡点A1沿其运行特性曲线移至转速较前稍高的一个新的平衡点A2，继续稳定运行。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桨叶或限速机构，保证风速超过额定风速或阵风时，从风力机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。

需要指出的是，感应发电机的最大转矩与电网电压的平方成正比，电网电压下降会导致发电机的最大转矩成平方关系下降，因此如电网电压严重下降也会引起转子飞车；相反如电网电压上升过高，会导致发电机励磁电流增加，功率因数下降，并有可能造成电机过载运行。所以对于小容量电网应该配备可靠的过压和欠压保护装置，另一方面要求选用过载能力强（最大转矩为额定转矩1.8倍以上）的发电机。

5.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，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，这样感应发电机总共所需的无功功率为发电机容量的25%～30%。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。