一種新型的風(fēng)電場機(jī)組配置方案

（1. 許繼風(fēng)電科技有限公司研發(fā)中心，河南 許昌 461000；2. 中國一拖集團(tuán)有限公司戰(zhàn)略采購?fù)七M(jìn)部，河南 洛陽 471000）

（1. 許繼風(fēng)電科技有限公司研發(fā)中心，河南 許昌 461000；2. 中國一拖集團(tuán)有限公司戰(zhàn)略采購?fù)七M(jìn)部，河南 洛陽 471000）

近年來建設(shè)的100MW風(fēng)電場中，1.5MW以上的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組是兩大主力機(jī)型，其在風(fēng)電場中的配置對并網(wǎng)后電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要影響。本文根據(jù)直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組的各自特點(diǎn)以及不同的故障率，提出一種配置方案。

直驅(qū)；雙饋；低電壓穿越；可用率；配置

0 引言

風(fēng)電的迅速發(fā)展對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的影響越來越突出。智能電網(wǎng)建設(shè)不僅要有堅(jiān)強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和強(qiáng)大的電力輸送能力做保證，更重要的是要有安全可靠的電力供應(yīng)。而大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)后,電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定與可靠供電對大力發(fā)展清潔能源—風(fēng)電來說，卻是一種挑戰(zhàn)。

本文從風(fēng)電場的電力供應(yīng)安全可靠性出發(fā)，提出一種新型的風(fēng)電場機(jī)組配置方案。

1 風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)的安全可靠性要求

1.1 技術(shù)要求的由來[1]

2005年,由中國電力科學(xué)研究院起草的我國首個風(fēng)電場并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)GB/Z19963－2005《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》僅提出一些原則性的技術(shù)規(guī)定，適度降低了對風(fēng)電的要求，已無法滿足目前我國大規(guī)模風(fēng)電開發(fā)并網(wǎng)的需要。

為保證風(fēng)電場的可靠并網(wǎng)和電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會于2009年要求中國電力科學(xué)研究院牽頭組織開展國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》修訂工作，中國電力科學(xué)研究院為主要起草單位，龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司、南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司、中國電力工程顧問集團(tuán)公司共同參與編寫。

2011年12月30日，由中國電力科學(xué)研究院為主要起草單位編寫的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T19963－2011《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》正式頒布，并于2012年6月1日開始正式實(shí)施。

該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了對通過110(66)kV及以上電壓等級線路與電力系統(tǒng)連接的新建或擴(kuò)建風(fēng)電場的技術(shù)要求，修改完善了風(fēng)電場有功功率控制、無功功率/電壓控制、有功功率預(yù)測、風(fēng)電場測試、風(fēng)電場二次部分等技術(shù)條款，并增加了風(fēng)電場低電壓穿越能力(LVRT)要求的相關(guān)內(nèi)容。

1.2 風(fēng)電場低電壓穿越能力[2]

低電壓穿越能力是當(dāng)電力系統(tǒng)中風(fēng)電裝機(jī)容量比例較大時，電力系統(tǒng)低電壓穿越故障導(dǎo)致電壓跌落后，風(fēng)電場切除會嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，這就要求風(fēng)電機(jī)組具有低電壓穿越能力，保證系統(tǒng)發(fā)生故障后風(fēng)電機(jī)組不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

在中國，國家電網(wǎng)規(guī)定風(fēng)電機(jī)組應(yīng)該具有低電壓穿越能力：

（1）風(fēng)電場必須具有當(dāng)電壓跌至20%額定電壓時能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行620ms的低電壓穿越能力；

（2）風(fēng)電場電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時，風(fēng)電場必須保持并網(wǎng)運(yùn)行；

（3）風(fēng)電場升壓變高壓側(cè)電壓不低于額定電壓的90%時，風(fēng)電場必須不間斷并網(wǎng)運(yùn)行。

目前，永磁直接驅(qū)動型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)已被證實(shí)在這方面擁有出色的性能。

對于雙饋機(jī)型，最新研究[3]發(fā)現(xiàn)：雙饋型風(fēng)力發(fā)電技術(shù)僅能在一種0－Power 控制模式下實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組不停機(jī)穿越電網(wǎng)故障。而在非0－Power控制模式下，通過改變變流器的勵磁控制和轉(zhuǎn)子側(cè)Crowbar 保護(hù)電網(wǎng)兩種策略，理論和實(shí)際技術(shù)上都難以應(yīng)對自如。

1.3 風(fēng)電場有功功率控制/預(yù)測[4]

風(fēng)電的隨機(jī)性、波動性較大，可預(yù)測性較低。風(fēng)能是一種間歇性能源，風(fēng)速預(yù)測存在一定誤差，風(fēng)電場不能提供穩(wěn)定的功率，發(fā)電穩(wěn)定性較差。另外，風(fēng)電場的功率波動會影響當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的電能質(zhì)量，產(chǎn)生電壓波動和閃變。因此，大型風(fēng)電場必須配合傳統(tǒng)的發(fā)電站共同控制電網(wǎng)。

2 國內(nèi)風(fēng)電場狀況

2.1 集中式風(fēng)電場發(fā)展?fàn)顩r

2007年之前，我國風(fēng)電場主要使用兆瓦級以下的定槳定速型風(fēng)電機(jī)組，累計(jì)約5.906GW。

2007年以后，金風(fēng)科技的1.5MW變槳直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組，華銳風(fēng)電、東汽集團(tuán)的1.5MW變槳雙饋型風(fēng)電機(jī)組均研制成功并批量投產(chǎn)。

由于早期的定槳距機(jī)組葉片的角度不能在風(fēng)速變化時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，經(jīng)濟(jì)效益差，兆瓦級以下的定槳定速型風(fēng)電機(jī)組的生產(chǎn)比重逐步下降。如：2011年以來，新增風(fēng)電機(jī)組以1.5MW以上機(jī)型為主，兆瓦級以下的定槳距失速型風(fēng)電機(jī)組已逐步退出。

目前，風(fēng)電行業(yè)主要發(fā)展的是更為先進(jìn)的變速變槳距兆瓦級機(jī)型，主要采用雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）的雙饋型（DF）和永磁同步發(fā)電機(jī)（PMSG）的直驅(qū)型（DD）。由于成本問題，近些年來的主流機(jī)型一直是雙饋機(jī)型。

2.2 分布式風(fēng)電場狀況

2012年以來，因“三北”地區(qū)限電等原因，新增風(fēng)電裝機(jī)容量6年來首次未能實(shí)現(xiàn)增長，分布式風(fēng)電場的建設(shè)才開始受到廣泛關(guān)注。

因分布式發(fā)電容量范圍一般在15 kW —10000kW，容量較小[5]，如果采用就地消納及儲存并網(wǎng)的方式，分布式風(fēng)電場對電網(wǎng)的安全運(yùn)行威脅較小。

3 集中式風(fēng)電場內(nèi)的機(jī)組配置

3.1 風(fēng)電機(jī)組的分類

兆瓦級風(fēng)電機(jī)組從葉輪放置方向講，主要可分為兩大類：垂直軸風(fēng)電機(jī)組和水平軸風(fēng)電機(jī)組。

因垂直軸風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)Cp較水平軸（Cp理論最大值59.3%）低，且其風(fēng)速控制、高架振動和傳動效率低等問題在短期內(nèi)難以克服，故本文在討論兆瓦級風(fēng)電機(jī)組時，暫不討論垂直軸風(fēng)電機(jī)組，僅以水平軸風(fēng)電機(jī)組（HAWT）為討論對象。

按目前兆瓦級風(fēng)電技術(shù)成熟度分，3MW級以下的HAWT，借用從國外嫁接過來的成熟技術(shù)，發(fā)展得還好。不過，對于3MW級以上的HAWT，因葉輪加大，重量增加，軸承制造及實(shí)際安裝使用壽命等都難以達(dá)到要求。而且一旦發(fā)生故障，對電網(wǎng)的沖擊影響較大，且目前其技術(shù)尚未成熟。

綜合估計(jì)，3MW級以上的HAWT不宜大面積推廣。本文重點(diǎn)討論3MW級以下的HAWT風(fēng)電機(jī)組配置問題，進(jìn)行一些探討。

3.2 HAWT風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖中我們可以直觀地看出，件號2輪轂（Hub）與件號6發(fā)電機(jī)（Generator）非直接連接，其間有一件號4主齒輪箱。

件號6發(fā)電機(jī)（Generator）一般有兩種：一種是采用傳統(tǒng)直流電勵磁或永磁同步發(fā)電機(jī)(以及籠型異步發(fā)電機(jī)等)，另一種是采用交流勵磁的同步化雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)。

圖1 HAWT風(fēng)電機(jī)組的典型結(jié)構(gòu)[6]

目前，兆瓦級的主流風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)是沒有齒輪箱的直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)和雙饋異步發(fā)電機(jī)。

它們的優(yōu)缺點(diǎn)如下[7]：

直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）由于采用同步電機(jī)，控制回路少，控制比較簡單。全功率變流器采用SPWM（正弦波脈寬調(diào)制）技術(shù)可獲得近似標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓電流波形，諧波性能有很大改善;

（2）由于采用了全功率變流器，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間是隔離的，故電網(wǎng)電壓的跌落不會直接作用在發(fā)電機(jī)的定子上，不會直接影響發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。故PMSG不需要LVRT技術(shù);

（3） PMSG轉(zhuǎn)子上無繞組、電刷、滑環(huán)，因此其維護(hù)性強(qiáng)于DFIG，系統(tǒng)穩(wěn)定性高，維護(hù)費(fèi)用低。

其主要缺點(diǎn)如下：

（1）需要配備全功率變頻器，變頻器成本較高，控制系統(tǒng)體積龐大；

（2）永磁發(fā)電機(jī)價(jià)格高；

（3）PMSG勵磁不可調(diào)，決定了發(fā)電機(jī)輸出端的功率因數(shù)無法控制，只能通過變流器控制輸出到電網(wǎng)端的電能。頻率變換裝置雖可以調(diào)節(jié)功率因數(shù)，但會有高頻電流流入電網(wǎng)；

（4）要求永磁材料具有很高的穩(wěn)定性，而高溫以及電樞反應(yīng)等原因可能導(dǎo)致永磁材料失磁；

采用雙饋繞線型異步發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）變頻器功率小，變頻損耗小，變頻器成本低，控制系統(tǒng)體積??；

（2）變頻控制靈活，具有良好的調(diào)節(jié)特性。捕風(fēng)效能較高；

（3）在定子電源頻率一定時，通過改變轉(zhuǎn)子勵磁頻率就可以實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速既可高于同步轉(zhuǎn)速，也可低于同步轉(zhuǎn)速，有利于系統(tǒng)最大限度捕獲風(fēng)能。

其主要缺點(diǎn)如下：

（1） DFIG定子側(cè)與電網(wǎng)通過變壓器直接連接，且轉(zhuǎn)子采用雙向變頻器，電流處于不斷變化之中，故DFIG定子輸出電流諧波較大且難以控制，控制技術(shù)復(fù)雜；

（2）發(fā)電機(jī)需安裝集電環(huán)和刷架系統(tǒng)，DFIG轉(zhuǎn)子側(cè)有電刷、滑環(huán)，以對勵磁電流進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般半年需要更換電刷，2年需要更換滑環(huán)。轉(zhuǎn)子繞組也使得DFIG的可靠性比PMSG低。 電機(jī)維護(hù)成本高，頻度高；

（3） DFIG定子側(cè)與電網(wǎng)通過變壓器直接相連，轉(zhuǎn)子側(cè)與電網(wǎng)間有雙向變流器進(jìn)行勵磁調(diào)節(jié)，故只能對發(fā)電機(jī)組實(shí)施部分調(diào)節(jié)。在電網(wǎng)電壓突然跌落瞬間，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變從而產(chǎn)生直流分量，由于積分量減小，定子磁鏈不發(fā)生變化，而轉(zhuǎn)子繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，從而引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。如果電網(wǎng)為不對稱故障的話，因?yàn)槎ㄗ又谐霈F(xiàn)負(fù)序分量導(dǎo)致更大的滑差，會使轉(zhuǎn)子過壓過流現(xiàn)象更嚴(yán)重。過流會損壞變流器，過壓會使繞組絕緣被擊穿，所以對于DFIG必須采用LVRT技術(shù)，低電壓穿越能力不如直驅(qū)可靠。

3.3 大型風(fēng)電場中直驅(qū)與雙饋的配置

通過以上分析，我們從電網(wǎng)安全角度出發(fā)，著重考慮發(fā)電機(jī)組低電壓穿越（LVRT）能力和故障率兩方面，給出一種大型風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組的新型配置。

根據(jù)大型風(fēng)電場必須配合傳統(tǒng)的發(fā)電站共同控制電網(wǎng)的原則，例如風(fēng)火比例1:1.5—1: 2.2經(jīng)驗(yàn)（本文選1:2比例），匹配的傳統(tǒng)的發(fā)電站（火電）并網(wǎng)總?cè)萘繛镼1（MW）。

假設(shè)大型風(fēng)電場的風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)總?cè)萘繛镼2（MW），根據(jù)風(fēng)場統(tǒng)計(jì)，可知直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組的故障停機(jī)率分別為R1和R2。

要求當(dāng)風(fēng)電場在電壓跌至20%額定電壓時，風(fēng)電機(jī)組能夠維持并網(wǎng)運(yùn)行620ms的低電壓穿越和3s內(nèi)恢復(fù)正常而不解列能力。

求解一種新的直驅(qū)與雙饋的配置比為K1：K2，以及風(fēng)場裝機(jī)總?cè)萘縌3（MW）？

這樣，就可以求出風(fēng)場建設(shè)的總?cè)萘縌3。為此，還須知道K1：K2=80:20的猜想是否可靠，或有一定的依據(jù)。理由如下：

（1）電壓跌落至20%的由來。外部電網(wǎng)電壓陡降80%，或風(fēng)場內(nèi)部風(fēng)電機(jī)組瞬間解列80%Q2。

（2）直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組能在不解列的情況下完成LVRT，而雙饋風(fēng)電機(jī)組必須在解列情況下完成。

因此，當(dāng)外部電網(wǎng)電壓陡降80%時，風(fēng)場并網(wǎng)容量Q2不允許解列，此時，Q2應(yīng)全部由直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組承擔(dān)。

而風(fēng)場內(nèi)部風(fēng)電機(jī)組瞬間解列80%Q2的情況是不允許發(fā)生的。那么，必須有80%Q2的容量由直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組承擔(dān)。

又因，20%Q2容量的雙饋機(jī)型可以處于定子解列情況，在一種0－Power 控制模式下，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電機(jī)組不停機(jī)穿越電網(wǎng)故障。

綜上，本文提出的大型風(fēng)電場中直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組的配置比為（80/ R1）:（20/ R1）。

4 分布式風(fēng)電場內(nèi)的機(jī)組配置

4.1 分布式風(fēng)電場的預(yù)見

隨著國家對孤島承包的放開政策，孤島上淡化水、制備氫氣、氧氣、電解海水礦物質(zhì)等基本生活及化工產(chǎn)業(yè)也將迎來新的發(fā)展，而這些都需要充足的電力，建立孤島風(fēng)電場的可能性日益增強(qiáng)。

4.2 孤島分布式風(fēng)電場的配置

因孤島分布式風(fēng)電場可用光電儲能及小功率的風(fēng)電作為輔助電源，基本上屬離網(wǎng)型，且容量較小，對電網(wǎng)的安全沖擊可以忽略。

配置：主力風(fēng)電機(jī)組應(yīng)以抗臺風(fēng)的直驅(qū)兆瓦級風(fēng)電機(jī)組為主，采用直流輸電的方式，輔助電源可來自于光電儲能及小型風(fēng)電機(jī)組作為分布式電源系統(tǒng)的重要電源組合。

5 結(jié)語

（1）分布式風(fēng)電場考慮電源供應(yīng)及電網(wǎng)的穩(wěn)定性，可以采用小型風(fēng)電機(jī)組作為分布式電源系統(tǒng)的重要電源之一，與兆瓦級的風(fēng)電機(jī)組配合發(fā)電，電能進(jìn)行就地消納及輔助并網(wǎng)應(yīng)用。此時建議兆瓦級的風(fēng)電采用變槳永磁發(fā)電機(jī)組較好；

（2）對集中式大型風(fēng)電場，考慮并網(wǎng)安全，提出一種新型機(jī)組配置方案：直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組與雙饋風(fēng)電機(jī)組的配置比為（80/ R1）:（20/ R2）。風(fēng)電機(jī)組故障率R需要實(shí)時監(jiān)控和預(yù)測；

（3）集中式大型風(fēng)電場的總?cè)萘繎?yīng)與當(dāng)?shù)夭⒕W(wǎng)電網(wǎng)中的傳統(tǒng)發(fā)電容量相匹配，出于安全考慮，一般不應(yīng)超過1:2。

[1] 北極星電力網(wǎng)新聞中心.風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定. [2012-02-02].http://news.bjx.com.cn/html/20120202/339034.shtml.

[2] 北極星電力網(wǎng)技術(shù)頻道. 低電壓穿越（LVRT）.[2011-06-29]. http://tech.bjx.com.cn/html/20110629/133112.shtml.

[3] 王大為,袁 煒,周偉波,等. 一種新型雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)研究[J]. 電力電子技術(shù), 2012,46(10):42-53.

[4] 惠 晶,顧鑫. 大型風(fēng)電場的集中功率控制策略研究[J]. 華東電力,2008,36(6):57-60.

[5] 姚興佳,井艷軍,邢作霞,等. 分布式風(fēng)電場的規(guī)劃和效益量化[C].2006年節(jié)能與可再生能源發(fā)電技術(shù)研討會論文集, http://www.doc88.com/p-941839398298.html.

[6] 國測諾德技術(shù)部. 風(fēng)力發(fā)電基礎(chǔ)知識.[2010-1-28]. http://www.doc88.com/p-97830535992.html.

[7] 王建維. 雙饋異步和永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)特性分析 [J]. 自動化博覽,2010, (9):28-30.

一種新型的風(fēng)電場機(jī)組配置方案

黃愛武1，齊雙麗2

A New Type Con fi guration Scheme of Wind Turbines

Huang Aiwu1, Qi Shuangli2
（1. Xu Ji Wind Power Technology Co., Ltd., R&d center, Xuchang, Henan 461000, China;
2. Strategic Purchasing Department of China Yituo Group Co., Ltd., Luoyang, Henan 471000, China）

Direct-drive wind turbine and doubly-fed wind turbine of 1.5MW are two main types in the 100MW wind farm built in recent years. Wind turbine con fi guration scheme has important implications for safe and stable operation of grid-connected power system.This paper presented a new con fi guration scheme based on the individual characteristics of direct-drive wind turbine and doublyfed wind turbine.

direct-drive；doubly-fed；low voltage ride through(LVRT)；available rate；con fi guration

TM614

A

1674-9219（2013）07-0054-04

2013-06-05。

黃愛武（1969-），男，高級工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組高級過程質(zhì)量控制、風(fēng)電齒輪箱研發(fā)等工作。