大学课件《风力发电机组控制》教学PPT课件：第十章 风力发电机组并网技术.pptx

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第十章第十章风力力发电机机组的并网技的并网技术主要内容风力机组并网概述风电并网对电网的影响异步发电机并网双馈异步发电机并网同步发电机并网双PWM变流器原理低压穿越技术高电压穿越技术1.5MW机组变流系统1并网后需要关注的主要并网后需要关注的主要问题：

1.电能质量2.电压闪变3.谐波污染4.电网稳定性5.发电计划与调度2风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响1.电能质量根据国家标准，对电能质量的要求有五个方面：

电网高次谐波；电压闪变与电压波动；三相电压及电流不平衡；电压偏差；频率偏差。

风电机组对电网产生影响的主要有高次谐波和电压闪变与电压波动。

3风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响2.电压闪变风力发电机组大多采用软并网方式，但是在启动时仍然会产生较大的冲击电流。

当风速超过切出风速时，风机会从额定出力状态自动退出运行。

如果整个风电场所有风机几乎同时动作，这种冲击对配电网的影响十分明显。

容易造成电压闪变与电压波动。

注：

闪变时间短，幅度大，来得快也去得快，没有规律，波动则是连续的变化，幅度不大，有一定的范围，有规律。

4风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响谐波（harmonicwavelength）的定义：

其频率为基波的倍数的辅波或分量。

从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。

从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。

谐波产生的原因：

由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。

5风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响谐波的危害：

降低系统容量如变压器、断路器、电缆等；加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备；危害生产安全与稳定；浪费电能等。

6风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响3.谐波污染风电给系统带来谐波的途径主要有两种：

一种是风机本身配备的电力电子装置可能带来谐波问题。

注：

对于直接和电网相连的恒速风机，软启动阶段要通过电力电子装置与电网相连，因此会产生一定的谐波，不过过程很短。

对于变速风机是通过整流和逆变装置接入系统，如果电力电子装置的切换频率恰好在产生谐波的范围内，则会产生很严重的谐波问题，不过随着电力电子器件的不断改进，这个问题也在逐步得到解决。

另一种是风机的并联补偿电容器可能和线路电抗发生谐振，在实际运行中，曾经观测到在风电场出口变压器的低压侧产生大量谐波的现象。

7风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响4.电网稳定性在风电领域，经常遇到的几个问题：

薄弱的电网短路容量；电网电压的波动；风力发电机的频繁掉线。

注：

尤其是越来越多的大型风电机组并网后，对电网的影响更大。

在过去的20年间，风电场的主要特点是采用感应发电机，装机规模较小，与配电网直接相连，对系统的影响主要表现为电能质量。

8风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响5.发电计划与调度传统的发电计划的制定基础电源的可靠性；负荷的可预测性。

以这两点为基础，发电计划的制定和实施有了可靠的保证。

9风电并网对电网的影响风电并网对电网的影响并网型并网型风电系系统结构构目目前前风电系系统的的运运行行方方式式常常采采用用独独立立型型、并并网网型型和和联合合型型三三种种方方式式，中中、大大型型风力力发电机机主主要要采采用用并并网网运运行行方方式式。

并并网网型型风电系系统由由风能能资源源、风力力发电机机组、变流流器器、控控制制器器及及变压器器等等组成成。

风力力发电机机在在并并网网时必必须输出出5050HzHz恒定恒定频率的率的电能，一般可以分能，一般可以分为：

恒速恒恒速恒频调节方式方式变速恒速恒频调节方式方式10CSCF风电系统该系统目前还在MW级以下的风电机组采用，常用异步或同步两种发电机。

优优点点:

结结构构简简单单、成成本本低低、过过载载能能力力强强、运运行行可可靠靠性性高高;并并网网控控制制系系统统比比较较简简单单;同同步步发发电电机机既既能能输输出出有有功功功功率率，还还能能提提供无功功率，输出的电能质量高。

供无功功率，输出的电能质量高。

缺缺点点:

当当风风速速迅迅速速增增大大时时，风风能能将将通通过过桨桨叶叶传传输输给给主主轴轴、齿齿轮轮箱箱和和发发电电机机等等部部件件，产产生生机机械械应应力力，引引起起这这些些部部件件的的疲疲劳损坏劳损坏;若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题。

若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题。

11并网型并网型风电系系统结构构VSCF风电系统此系统是近年来发展起来并逐步成熟的风电类型，它需在发电机与电网之间加入变流器进行变速控制来得到恒频电能，它常用双馈异步发电机或同步发电机。

优点优点:

根根据据风风速速的的变变化化，风风力力机机以以不不同同的的转转速速旋旋转转，减减少少了了对对风风力机等机械装置的机械应力；力机等机械装置的机械应力；通通过过对对最最佳佳转转速速的的跟跟踪踪，在在可可发发电电的的较较大大风风速速范范围围内内均均可可获得最佳功率输出；获得最佳功率输出；风风力力机机能能够够对对变变化化的的风风速速起起到到一一定定的的缓缓冲冲，使使输输出出功功率率的的波动变化减小；波动变化减小；12并网型并网型风电系系统结构构通通过对风电机机组有有功功和和无无功功输出出功功率率进行行解解耦耦控控制制，并并采采用用一一定定的的控控制制策策略略，可可以以分分别单独独控控制制风电机机组有有功功、无无功的功的输出；出；实现了了发电机机转速速与与电网网频率率的的解解耦耦，降降低低了了风电系系统与与电网之网之间的相互影响，并网冲的相互影响，并网冲击电流小；流小；若若采采用用双双馈异异步步发电机机，则变频器器容容量量仅约为发电机机容容量量的的30%30%，降低了，降低了变换器的器的损耗、造价和体耗、造价和体积；若采用同步若采用同步发电机，可省去机，可省去齿轮箱，提高效率和可靠性。

箱，提高效率和可靠性。

13并网型并网型风电系系统结构构缺点缺点：

整体整体结构复构复杂、成本高、技、成本高、技术难度大；度大；需配需配备变频器，控制回路多，控制复器，控制回路多，控制复杂，维护难；若若采采用用同同步步发电机机，则转速速较低低，极极对数数较多多，且且需配需配备全功率全功率变频器，成本器，成本较高，高，损耗大；耗大；若若采采用用双双馈异异步步发电机机，要要求求变流流器器具具有有低低电压穿穿越等并网运行能力，控制复越等并网运行能力，控制复杂，投入大。

，投入大。

14并网型并网型风电系系统结构构异步异步风力力发电机机组并网并网风电机机组的并网条件：

的并网条件：

风电电源与源与电网网电源两者在相序、源两者在相序、电压有效有效值、频率、率、电压相位及波形均相等或接近相等。

相位及波形均相等或接近相等。

异步发电机并网主要有直接、准同期、降直接、准同期、降压、捕捉式准、捕捉式准同步和晶同步和晶闸管管软并网并网共5种CSCF并网方式。

15

（一）直接并网方式

（一）直接并网方式这种种方方式式只只要要求求发电机机转速速接接近近同同步步转速速（即即达达到到99%100%99%100%同同步步转速速）时，即即可可并并网网，使使风力力发电机机组运运行行控控制制变得得简单，并并网网容容易易。

但但在在并并网网瞬瞬间存存在在三三相相短短路路现象象，供供电系系统将将受受到到4545倍倍发电机机额定定电流流的的冲冲击，系系统电压瞬瞬时严重重下下降降（如如国国产FD-32-200FD-32-200型型风力力发电机机在在上上海海电机机厂厂于于同同步步转速速附附近近做做并并网网试验时，系系统电压由由410V410V下下降降到到230V230V左左右右），以以至至引引起起低低电压保保护动作作，使使并并网网失失败。

所所以以这种种并网方式只有在与大并网方式只有在与大电网并网网并网时才有可能才有可能。

16异步异步风力力发电机机组并网并网

（二）准同期并网方式

（二）准同期并网方式与与同同步步发电机机准准同同步步并并网网方方式式相相同同，在在转速速接接近近同同步步转速速时，先先用用电容容励励磁磁，建建立立额定定电压，然然后后对已已励励磁磁建建立立的的发电机机电压和和频率率进行行调节和和校校正正，使使其其与与系系统同同步步。

当当发电机机的的电压、频率率、相相位位与与系系统一一致致时，将将发电机机投投入入电网网运运行行。

该并并网网方方式式合合闸瞬瞬间尽尽管管冲冲击电流流小小，但但必必须控控制制在在最最大大允允许的的转矩矩范范围内内运运行行，以以免免造造成成网网上上飞车。

由由于于它它对系系统电压影影响响极极小小，所所以以适适合合于于电网网容容量量比比风力力发电机机组大不了几倍的地方使用。

大不了几倍的地方使用。

17异步异步风力力发电机机组并网并网（三）降（三）降压并网方式并网方式这种种并并网网方方式式就就是是在在发电机机与与系系统之之间串串接接电抗抗器器，以以减减少少合合闸瞬瞬间冲冲击电流流的的幅幅值与与电网网电压下下降降的的幅幅度度。

如如比比利利时200200kW风力力发电机机组并并网网时各各相相串串接接有有大大功功率率电阻阻。

由由于于电抗抗器器，电阻阻等等串串联组件件要要消消耗耗功功率率，并并网网后后进入入稳定运行定运行时，应将其将其电抗器、抗器、电阻退出运行。

阻退出运行。

显然然，这种种并并网网方方式式要要增增大大功功率率的的电阻阻或或电抗抗器器组件件，其其投投资随随着着机机组容容量量的的增增大大而而增增大大，经济性性较差差。

它它适适用用于于小容量小容量风力力发电机机组（采用异步（采用异步发电机）的并网。

机）的并网。

18异步异步风力力发电机机组并网并网（四）捕捉式准同步快速并网技（四）捕捉式准同步快速并网技术捕捕捉捉式式准准同同步步快快速速并并网网技技术的的工工作作原原理理是是将将常常规的的整整步步并并网网方方式式改改为在在频率率变化化中中捕捕捉捉同同步步点点的的方方法法进行行准准同同步步快快速速并并网网。

准准同同步步并并网网工工作作准准确确、快快速速可可靠靠，既既能能实现几几乎乎无无冲冲击准准同同步步并并网网，对机机组的的调速速精精度度要要求求不不高高，又又能能很很好好地地解解决决并并网网过程程与与降降低低造造价价的的矛矛盾，适合于盾，适合于风力力发电机机组的准同步并网操作。

的准同步并网操作。

19异步异步风力力发电机机组并网并网（五）（五）软并网（并网（SOFTCUT-INSOFTCUT-IN）技）技术采用双向晶采用双向晶闸管的管的软切入法，使异步切入法，使异步发电机并网。

它有机并网。

它有两种两种连接方式：

接方式：

（11）发电机与系机与系统之之间通通过双向晶双向晶闸管直接管直接连接。

接。

（22）发电机与系机与系统之之间软并网并网过渡，零渡，零转差自差自动并并网开关切网开关切换连接。

接。

20异步异步风力力发电机机组并网并网双双馈异步异步风力力发电机机组并网并网传统的的恒恒速速恒恒频发电机机与与电网网之之间为“刚性性连接接”，并并网网操操作作依依赖于于机机组转速的速的调节，实现条件条件严格因而比格因而比较困困难。

交交流流励励磁磁变速速恒恒频风力力发电机机与与电网网之之间为“柔柔性性连接接”。

采采用用转子子交交流励磁后，流励磁后，DFIGDFIG和和电网之网之间构成了构成了“柔性柔性连接接”。

注：

所谓“柔性连接”，是指可根据电网电压、电流和DFIG的转速，通过控制机侧变换器来调节DFIG转子励磁电流，从而精确地控制DFIG定子电压，使其满足并网条件。

21根据根据DFIGDFIG并网前的运行状并网前的运行状态，DFIGDFIG并网方式有两种：

并网方式有两种：

空空载并并网网方方式式：

并并网网前前DFIGDFIG空空载，调节DFIGDFIG的的定定子子空空载电压实现并网的方法；并网的方法；负载并并网网方方式式：

并并网网前前DFIGDFIG接接独独立立负载（如如电阻阻），调节其其定子定子电压实现并网的方法。

并网的方法。

两两种种并并网网方方式式都都允允许机机组转速速在在较大大的的范范围内内变化化，在在两两种种并并网网方方式式控控制制下下，DFIGDFIG定定子子电压均均能能迅迅速速向向电网网电压收收敛，实现较小冲小冲击的并网。

的并网。

22双双馈异步异步风力力发电机机组并网并网23空载并网控制结构图双双馈异步异步风力力发电机机组并网并网图8-2负载并网控制结构图24双双馈异步异步风力力发电机机组并网并网两种并网方式的比两种并网方式的比较两两种种并并网网控控制制方方式式的的作作用用是是一一致致的的：

调节DFIGDFIG的的定定子子电压使使其其与与电网网电压在在幅幅值、相相位位、频率率上上达达到到高高度度吻吻合合，使使DFIGDFIG安安全全、顺利利地地并并入入电网网，降降低低甚甚至至消消除除并并网网冲冲击电流。

流。

两种并网方式的差两种并网方式的差别在于在于并网前运行方式不同并网前运行方式不同。

空空载并并网网方方式式由由于于并并网网前前发电机机不不带负载，不不参参与与能能量量和和转速速的的调节。

为了了防防止止在在并并网网前前发电机机的的能能量量失失衡衡而而引起的引起的转速失控，速失控，应由由风力机来控制机力机来控制机组的的转速。

速。

25双双馈异步异步风力力发电机机组并网并网负载并网方式并网前接有并网方式并网前接有负载，发电机可以参与机可以参与风力机的力机的能量控制，主要表能量控制，主要表现在：

在：

一方面改一方面改变发电机的机的负载能能调节发电机的能量机的能量输出；出；另一方面在另一方面在负载一定的情况下，一定的情况下，发电机机转速的改速的改变能改能改变能量能量在在发电机内部的分配关系；机内部的分配关系；前一作用前一作用实现了了发电机能量的机能量的“粗粗调”，后一个作用是，后一个作用是发电机能机能量的量的“细调”。

注：

可以看出，空载并网方式需要风力机具有足够的速度调节能力，对风力机的要求比较高：

负载并网方式发电机具有一定的能量调节作用，可与风力机配合实现转速的控制，降低了对风力机调速能力的要求，但控制较为复杂。

26双双馈异步异步风力力发电机机组并网并网双双馈异步异步风力力发电机机组并网启并网启动过程程27同步同步发电机的并网技机的并网技术同步同步发电机的并网方式机的并网方式准同步（准同步（CSCFCSCF）自同步（自同步（CSCFCSCF）变流器（流器（VSCFVSCF）28

（1）

（1）准同期并网方式准同期并网方式它它是是将将待待并并发电机机组在在投投入入系系统前前通通过调节器器调节原原动机机转速速，使使发电机机转速速接接近近同同步步转速速。

通通过励励磁磁调整整装装置置调节发电机机励励磁磁电流流，使使发电机机端端电压接接近近系系统电压，从从而而使使待待并并发电机机组平平滑滑、快快速速、安安全全地被拉入系地被拉入系统电网。

此方式一般用于网。

此方式一般用于较大型的大型的风电机机组并网。

并网。

优点点:

并网并网时冲冲击电流流较小，小，对电网不会网不会产生大的生大的扰动。

缺点缺点:

调速精度不高，会速精度不高，会发生无功振生无功振荡与失步与失步问题，产生冲生冲击电流。

流。

29同步发电机的并网技术同步发电机的并网技术

（2）

（2）自同步并网方式自同步并网方式将将未未加加励励磁磁电流流的的发电机机的的转速速升升到到额定定转速速，首首先先合合上上断断路路器器投投入入电网网，然然后后延延时1133ss后后合合上上励励磁磁开开关关供供给励励磁磁电流流，随随即即将将发电机机自自动牵入入同同步步。

此此方方式式一一般般仅用用于于电网网容容量量比比发电机大很多的情况下并网操作。

机大很多的情况下并网操作。

优点点:

不需要复不需要复杂的并网装置，操作的并网装置，操作简单、并网迅速。

、并网迅速。

缺缺点点:

调速速精精度度不不高高，并并网网常常会会发生生无无功功振振荡与与失失步步问题;并并网网后后有有一一定定的的冲冲击电流流;合合闸瞬瞬间发电机机定定子子吸吸收收大大量量无无功功功功率率，导致合致合闸瞬瞬间系系统电压下降下降较多。

多。

30同步同步发电机的并网技机的并网技术（3）（3）变流器并网方式流器并网方式优点点:

并网并网时无无电流冲流冲击，对系系统几乎没有影响几乎没有影响;风力力机机及及发电机机的的转速速可可以以变化化，可可使使风电机机组按按最最佳佳效效率运行，向率运行，向电网网输送更多的送更多的电能。

能。

缺点缺点:

需高反需高反压大功率的可控硅，控制复大功率的可控硅，控制复杂、成本高、成本高;有高有高频电流流向流流向电网。

网。

31同步同步发电机的并网技机的并网技术永磁同步永磁同步风电机机组并网启并网启动过程程32人们越来越担心，一旦电网发生故障迫使大面积风电机组因自身保护而脱网的话，将严重影响电力系统的运行稳定性。

因此，随着接入电网的双馈感应发电机容量的不断增加，电网对其要求越来越高，通常情况下要求发电机组在电网故障出现电压跌落的情况下不脱网运行（faultride-through），并在故障切除后能尽快帮助电力系统恢复稳定运行，也就是说，要求风电机组具有一定低电压穿越（lowvoltageridethrough,LVRT）能力。

33低低电压穿越技穿越技术北欧北欧输电网技网技术规范范34我国我国风电接入接入电网技网技术规定定35德国德国E.ON公司公司输电网技网技术规范范3637美国标准低电压穿越要求低低电压穿越技穿越技术我国我国风电接入接入电网技网技术规范范3839德国德国E.ON公司公司输电网技网技术规范范北欧北欧输电网技网技术规范范40当前的低电压穿越技术主要有三种方案：

采用了转子短路保护技术（crowbarprotection）；引入新型拓扑结构；采用合理的励磁控制算法。

41低低电压穿越技穿越技术目前比较典型的crowbar电路有如下几种：

（1）混合桥型crowbar电路，如图8-7所示，每个桥臂由控制器件和二极管串联而成。

42图8-7混合桥型crowbar低低电压穿越技穿越技术

（2）IGBT型crowbar电路，如图所示，每个桥臂由两个二极管串联，直流侧串入一个IGBT器件和一个吸收电阻。

43igbt型crowbar低低电压穿越技穿越技术（3）带有旁路电阻的crowbar电路，如图8-9所示，出现电网电压跌落时，通过功率开关器件将旁路电阻连接到转子回路中，这就为电网故障期间所产生的大电流提供了一个旁路，从而达到限制大电流，保护励磁变流器的作用。

44图8-9旁路电阻型crowbar低低电压穿越技穿越技术高高电压穿越技穿越技术45世界各国HVRT技术要求高高电压穿越技穿越技术46图10-18我国HVRT测试规程要求双双馈异步异步发电机机组Crowbar保保护电路路47永磁同步永磁同步发电机机组的直流的直流侧泄放保泄放保护电路路48