风力发电机组的并网与脱网

六、风力发电机组的并网与脱网

当平均风速高于3m/s时，风轮开始逐渐启动;风速继续升高，当风速v＞4m/s时，机组可自启动直到某一设定转速，此时发电机将按控制程序被自动地联入电网。一般总是小发电机先并网;当风速继续升高到7～8m/s，发电机将被切换到大发电机运行。如果平均风速处于8～20m/s，则直接从大发电机并网。

发电机的并网过程是通过三相主电路上的三组晶闸管完成的。当发电机过渡到稳定的发电状态后，与晶闸管电路平行的旁路接触器合上，机组完成并网过程，进入稳定运行状态。为了避免产生火花，旁路接触器的开与关都是在晶闸管关断前进行的。

(一)大、小发电机的软并网程序

1)发电机转速已达到预置的切入点，该点的设定应低于发电机同步转速。

2)连接在发电机与电网之间的开关元件晶闸管被触发导通(这时旁路接触器处于断开状态)，导通角随发电机转速与同步转速的接近而增大，随着导通角的增大，发电机转速的加速度减小。

3)当发电机达到同步转速时，晶闸管导通角完全打开，转速超过同步转速进入发电状态。

4)进入发电状态后，晶闸管导通角继续完全导通，但这时绝大部分的电流是通过旁路接触器输送给电网的，因为它比品闸管电路的电阻小得多。

并网过程中，电流一般被限制在大发电机额定电流以下，如超出额定电流时间持续3.0s，可以断定晶闸管故障，需要安全停机。由于并网过程是在转速达到同步转速附近进行的，这时转差不大，冲击电流较小，主要是励磁涌流的存在，持续30～40m/s。因此无须根据电流反馈调整导通角。晶闸管按照0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°、180°导通角依次变化，可保证启动电流在额定电流以下。晶闸管导通角由0°增大到180°完全导通，时间一般不超过6s，否则被认为故障。

晶闸管完全导通1s后，旁路接触器吸合，发出吸合命令1s内应收到旁路反馈信号，否则旁路投入失败，正常停机。在此期间，晶闸管仍然完全导通，收到旁路反馈信号后，停止触发，风力发电机组进入正常运行。

(二)从小发电机向大发电机的切换

为提高发电机运行效率，风力发电机采用双速发电机。低风速时，小发电机工作，高风速时，大发电机工作。小发电机为6极绕组，同步转速为1000r/min，大发电机为4极绕组，同步转速1500r/min。小发电机向大发电机切换的控制，一般以平均功率或瞬时功率参数为预置切换点。

执行小发电机向大发电机的切换时，首先断开小发电机接触器，再断开旁路接触器。此时，发电机脱网，风力将带动发电机转速迅速上升，在到达同步转速1500r/min附近时，再次执行大小发电机的软并网程序。

(三)大发电机向小发电机的切换

当发电机功率持续10min内低于预置值时，或10min内平均功率低于预置值时，将执行大发电机向小发电机的切换。

首先断开大发电机接触器，再断开旁路接触器。由于发电机在此之前仍处于出力状态，转速在1500r/min以上，脱网后转速将进一步上升。由于存在过速保护和计算机超速检测，因此，应迅速投入小发电机接触器，执行软并网，由电网负荷将发电机转速拖到小发电机额定转速附近。只要转速不超过超速保护的设定值，就允许执行小发电机软并网。

由于风力发电机是一个巨大的惯性体，当它的转速降低时，要释放出巨大的能量，这些能量在过渡过程中将全部加在小发电机轴上而转换成电能，这就必然使过渡过程延长。为了使切换过程得以安全、顺利的进行，可以考虑在大发电机切出电网的同时释放叶尖扰流器，使转速下降到小发电机并网预置点以下，再由液压系统收回叶尖扰流器。稍后，发电机转速上升，重新切入电网。

(四)交流系统的工作原理(以Verteco变流系统为例)

该变流器采用了可控整流的方式把发电机发出的电整流为直流电，通过网侧逆变模块把直流电变成工频交流电并入电网。其控制方式为分布式控制，这种方式和它的主电路拓扑结构相对应。网侧和发电机侧各有独立的控制器，以网侧控制器为主控制器，其他控制器为子控制器。

图8-4　Verteco交流器系统原理图

如图8-4所示:1U1为网侧逆变功率模块，2U1和3U1为发电机侧整流功率模块，4U1为制动功率模块。1U1和2U1及3U1控制器及功率模块之间通过光纤和CAN总线连接，而4U1与其他控制器的连接通过CAN总线实现，这是因为1U1，2U1和3U1之间需要高速通信以满足系统正常运行所需，而制动功率模块的相应时间可以慢一些。

网侧逆变功率模块1U1的作用是将直流母线上的电能转换成为电网能够接受的形式并传送到电网上。而发电机侧整流功率模块2U1和3U1则是将发电机发出的电能转换成为直流电能传送到直流母线上。制动功率模块4U1则是在某种原因使得直流母线上的电能无法正常向电网传递或直流母线电压过高时，将多余的电能在电阻4R1和5R1上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。

变流柜中采用的功率模块都是VACON公司生产的通用变频器。这里所说的控制器也是VACON公司为变频器所配的控制器。这些控制器和功率模块一一对应，相互之间通过光纤/ CAN总线互连。从硬件上看，这些控制器的基本配置一致，从控制角度看，1U1的控制器是变流器主要的控制核心，通过它变流器完成和WTC之间的信息和命令交互，同时完成对其他控制器的操作。