并网风电系统的技术现状

1.2.2.1 并网风电系统结构概要

风电系统由机械部件和电气部件组成。风力机是风电系统机械部件中最重要的组成部分，在并网型风电机组中，目前应用最多的是三叶片、上风向和水平轴结构的风力机。如图1-10所示，水平轴风力机旋转轴与地面平行，风力机叶片通过风轮轴与机舱内的齿轮箱相连，齿轮箱的高速轴带动发电机旋转发电。

根据风力机的种类不同，风电系统可分为定速和变速风电系统。顾名思义，定速风电系统风力机的旋转速度几乎恒定，由齿轮箱传动比、电网频率和发电机的极对数决定。定速风电系统只能在额定风速下达到最大转换效率，其输出功率波动较大，风力机承受的机械应力较大。变速风电系统可以根据风速调整风力机的转速，因而可以实现较宽风速范围内的最大能量转换效率。为使风力机速度可调，变速风电系统通常通过变流器接入电网，该变流器系统可控制发电机的电磁转矩从而改变其转速。此结构下，风电系统的生产成本上升，且采用变流器导致系统功率损耗增加，然而更高的能量转换效率可补偿额外的成本和功率损耗。此外，由于不同风速下风力机可变速运行，系统传动链和支撑结构的机械应力大为降低，这使风力机制造商能够开发出成本效益更高的大型风力机^[14]。由于上述原因，变速风电系统是目前风电市场的主流系统。

图1-10 水平轴风电系统结构示意图

根据电气部件与电网连接方式的不同，风电系统可分为三类：①直接耦合型风电系统；②半耦合型变速风电系统；③非耦合型变速风电系统。

直接耦合型风电系统包括两种典型结构，如图1-11所示。图1-11a所示的结构为定速风电系统，该系统采用笼型异步发电机与电网直接相连，风力机和发电机之间通常需要齿轮箱耦合以匹配其转速，发电机和电网之间需要软起动器，以抑制系统起动时的浪涌电流，正常工作时，还需要三相电容器组来补偿异步发电机所吸收的无功功率。该系统结构简单、成本较低、运行可靠，然而不同风速下，发电机转速的变化在额定转速的±1%以内，系统只有在额定风速下运行效率才较高。尽管如此，该结构仍被广泛应用，其额定功率最大可达兆瓦级，如商业化机组Vestas V82-1.65即采用此结构^[14]。图1-11b所示的结构为变速风电系统，该系统采用绕线转子异步发电机，其转子回路带可变电阻，通过调节转子电阻实现发电机的变速运行，该系统的速度调节范围有限，一般限于同步速以上10%^[15]。与定速结构相比，随着风速的变化，变速结构风力机可捕获更多的风能，但同时由于外接转子电阻，其效率较低。该结构从20世纪90年代中期以来就出现在市场上，额定功率可达兆瓦级，商业化机组如Vestas V80-1.8US即采用此结构^[14]。

图1-11 直接耦合型风电机组

半耦合型变速风电系统也称为双馈型风电系统，其典型结构如图1-12所示。发电机采用双馈异步发电机，其定子绕组与电网直接相连，转子绕组经背靠背四象限变流器与电网相连，通过转子变流器控制发电机的电磁转矩使其变速运行，发电机转速变化范围为额定转速的±30%，风速变化时的能量转换效率较高。该结构下，转子变流器只需要处理转子回路中的转差功率，因而变流器容量大约为发电机额定功率的30%，与使用全功率变流器的风电系统相比，该方案成本较低^[14]。由于上述特点，该结构被市场广泛接受，商业化机组如Nordex N100、Vestas V90、Repower 5M都采用了此种结构^[14]。

非耦合型变速风电系统即基于全功率变流器的风电系统，其典型结构如图1-13所示。发电机通过变流器与电网相连，笼型异步发电机、绕线转子同步发电机和永磁同步发电机都可以采用此结构，其额定功率可达数兆瓦。该结构下，发电机与电网完全解耦，发电机的转速运行范围进一步增大，网侧变流器还可进行连续的无功调节以支撑电网。然而，该结构系统成本较高。值得注意的是，如果采用多级同步发电机，风力机和发电机之间的齿轮箱可以取消，从而可以进一步提高系统效率、降低系统维护成本。商业化机组如Enercon E-82E3、Vestas V-112、Avantis AV928等均采用此种结构^[14]。(www.xing528.com)

图1-12 半耦合型变速风电机组

图1-13 非耦合型变速风电机组

1.2.2.2 技术标准

随着并网风电容量的迅速增加，风电对电力系统的安全、可靠和经济运行的影响也越来越不容忽视。为保证电力系统的高效稳定运行，各国电网运营商都制定了相应的并网技术标准（或称并网导则），以规范风电系统的静态和动态运行特性。

一般，风电系统的并网技术标准主要由国家标准、行业标准（主要是电力行业标准）和企业标准组成。不同的标准都包含风电场的有功功率和无功功率控制、电压和频率调节、故障穿越能力及电能质量等方面的技术要求。其中，值得参考的并网导则包括：德国的E.ON、丹麦的Danish、爱尔兰的WFPS1、英国和美国的并网导则等。我国的风电并网导则是在参照欧洲各国并网导则的基础上逐步完善的。2006年，我国开始实施GB/Z 1996—2005《风电场接入电力系统技术规定》，对并网风电场的特性作了初步规定；2009年国家电网公司颁布企业标准Q/GDW 392—2009《风电场接入电网技术规定》，针对功率控制、功率预测和低电压穿越等多个方面提出更详细的技术要求；2012年，我国正式实施国家标准GB/T 19963—2011《风电场接入电力系统技术规定》，以规范风电场的并网要求。关于风电系统的并网导则将在本书第2章中进行详细介绍。

1.2.2.3 我国风电系统检测认证体系

为保证并网导则的顺利实施，各国都成立了相关部门，并建立了相应的检测和认证体系。在我国，检测体系方面，中国电力科学研究院的“国家风电技术与检测研究中心”是符合ISO/IEC 17025：2005《检测和校准实验室的通用要求》，并获得中国合格评定国家认可委员会（China National Accreditation Service for Conform-ity Assessment，CNAS）认可的实验室，是国内唯一具备国际互认可资质的风电检测机构。该中心在河北省张北县建成风电试验基地，已具备完善的风电机组型式认证检测能力和风电机组/风电场并网特性检测能力，可根据IEC标准和国家/行业标准完成7大类共计45个参数的测试。认证体系方面，我国经授权可开展风电设备认证的机构有两家，分别为北京鉴衡认证中心和中国船级社质量认证公司。北京鉴衡认证中心牵头起草了风电认证流程标准GB/Z 25458—2010《风力发电机组　合格认证规则及程序》，以明确风电设备（包括整机与部件）的主要认证模式，该标准已于2011年正式生效^[1]。