異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制

摘 要：針對(duì)大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，從并網(wǎng)原理以及控制技術(shù)方面對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制進(jìn)行了分析。完成了對(duì)軟并網(wǎng)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由反并聯(lián)晶閘管、控制電路以及保護(hù)電路三部分組成，采用DSP中央處理器與ARM上位機(jī)。最后，運(yùn)用了Matlab仿真平臺(tái)對(duì)異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)進(jìn)行模擬仿真。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中提出的晶閘管軟并網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)并網(wǎng)沖擊電流的有效抑制，使異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組平穩(wěn)并網(wǎng)，具有一定程度的實(shí)際指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：異步發(fā)電機(jī)；軟并網(wǎng)；晶閘管；模擬仿真

目前，全國(guó)大部分大中型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組很多都采取異步發(fā)電機(jī)。相比于同步發(fā)電機(jī)，異步發(fā)電機(jī)不僅有著簡(jiǎn)單的控制裝備，對(duì)于在并網(wǎng)時(shí)也沒(méi)有任何嚴(yán)格的頻率以及相角的要求，易于穩(wěn)定并網(wǎng)，不易產(chǎn)生振蕩和失步。但是異步發(fā)電機(jī)采取直接并網(wǎng)時(shí)，沖擊電流會(huì)高達(dá)電機(jī)額定電流的5至7倍，會(huì)嚴(yán)重?fù)p壞電網(wǎng)、發(fā)電機(jī)以及葉輪等設(shè)備，甚至可能對(duì)其他聯(lián)網(wǎng)機(jī)組的正常運(yùn)行造成影響，引起電力系統(tǒng)的癱瘓。所以，采用合適的并網(wǎng)方式降低并網(wǎng)沖擊電流顯得非常重要。迄今為止，世界上主要有直接并網(wǎng)法、降壓并網(wǎng)法、準(zhǔn)同期并網(wǎng)法以及可控硅軟并網(wǎng)等幾種異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)并網(wǎng)方式。其中，直接并網(wǎng)方法操作簡(jiǎn)單，但對(duì)電網(wǎng)傷害較大，會(huì)引起電力系統(tǒng)電壓瞬時(shí)降低，一般只在異步發(fā)電機(jī)容量在百千瓦級(jí)以下時(shí)使用。降壓并網(wǎng)方法需增置大功率電阻或電抗組件，投資隨容量的增大而增大，經(jīng)濟(jì)性較差。準(zhǔn)同期并網(wǎng)方法需增置高精度的調(diào)速器和整步、同期設(shè)備，經(jīng)濟(jì)性較差，且并網(wǎng)消耗時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。而可控硅軟并網(wǎng)方法很大程度的降低了機(jī)組并網(wǎng)時(shí)的損耗，因?yàn)樵摲椒〞?huì)得到一個(gè)不會(huì)出現(xiàn)沖擊電流的平穩(wěn)并網(wǎng)過(guò)程，提高風(fēng)電機(jī)組的使用時(shí)長(zhǎng)和可靠性，是目前應(yīng)用較為廣泛的風(fēng)電并網(wǎng)方式之一。

1 異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)軟并網(wǎng)原理

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)時(shí)靠近同步速時(shí)，異步發(fā)電機(jī)可能會(huì)經(jīng)歷一點(diǎn)瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程，過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)沖擊電流，與其值大小有關(guān)系的參數(shù)包括：發(fā)電機(jī)參數(shù)、并網(wǎng)轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)磁通飽和水平以及并網(wǎng)瞬間電壓相位角等。直接并網(wǎng)時(shí)所也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)過(guò)渡過(guò)程電流，電流值為：

電機(jī)并入電網(wǎng)的時(shí)候，定子繞組中所產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)交流分量i0sin（？棕t+？琢）開始產(chǎn)生，產(chǎn)生的電磁力使動(dòng)轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)在靠近同步轉(zhuǎn)速并網(wǎng)的時(shí)候，i0約等于電機(jī)空載時(shí)的電流。并入電網(wǎng)的瞬間，定子繞組磁鏈會(huì)保持原來(lái)的零狀態(tài)，依據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍恚驗(yàn)檗D(zhuǎn)子的短路繞組中所產(chǎn)生了衰減的直流分量，導(dǎo)致產(chǎn)生了磁場(chǎng)將切割定子繞組，并且產(chǎn)生了衰減的暫態(tài)交流分量 。暫態(tài)交流分量ia與電抗成反比，與電壓成正比。此時(shí)，并入電網(wǎng)的一瞬間，定子繞組產(chǎn)生的衰減直流分量 ，用來(lái)控制電網(wǎng)中電壓所產(chǎn)生的磁通，id與電機(jī)并網(wǎng)的瞬間定子氣隙磁勢(shì)波形和氣隙均勻度有關(guān)，與電網(wǎng)電壓和暫態(tài)電抗成正、反比，另外異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)瞬態(tài)沖擊電流的峰值還與并網(wǎng)瞬間的電網(wǎng)電壓相位角相關(guān)，在相位角至為？茲=？漬±？仔/2時(shí)，沖擊電流達(dá)到最大，？茲=？漬沖擊電流值最小。

2 軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

在文章中，三對(duì)反并聯(lián)晶閘管及其保護(hù)電路構(gòu)成了異步風(fēng)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的主電路。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速接近時(shí)，雙向晶閘管逐漸導(dǎo)通，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)的接觸器閉合的瞬間觸發(fā)脈沖控制了雙向晶閘管。在次同步轉(zhuǎn)速階段，即晶閘管在開始導(dǎo)通的起始時(shí)刻，在電網(wǎng)與葉輪的共同拖動(dòng)下電機(jī)處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，此刻電機(jī)轉(zhuǎn)速立刻增加，其滑差值趨于零的速度漸漸變快。當(dāng)以達(dá)到零值，晶閘管將會(huì)完全導(dǎo)通，并入電網(wǎng)后沖擊電流將會(huì)縮小在不大的范圍之內(nèi)，從而得到一個(gè)相對(duì)平滑的并網(wǎng)過(guò)程。一旦發(fā)電機(jī)開始輸出功率，雙向晶閘管將會(huì)主動(dòng)關(guān)閉觸發(fā)脈沖，發(fā)電機(jī)所輸出的電流不再經(jīng)雙向晶閘管，而通過(guò)已閉合的自動(dòng)開關(guān)觸點(diǎn)流向電網(wǎng)。至此，并網(wǎng)控制結(jié)束，風(fēng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電運(yùn)行控制階段。

控制系統(tǒng)采用屬于CPU系統(tǒng)的DSP，系統(tǒng)內(nèi)所有的啟動(dòng)、停止以及并網(wǎng)方式都要受到ARM的控制，并網(wǎng)時(shí)的命令主要由主控制器下達(dá)。上位機(jī)ARM選用的是因特爾公司的Pxa270，CPU選用TI公司的TMS320F2812芯片。由三組反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成軟并網(wǎng)部分，而電機(jī)定子端的交流電壓是由晶閘管的開啟邏輯來(lái)控制。

軟并網(wǎng)過(guò)程中程序流程可以簡(jiǎn)要作如下闡述：系統(tǒng)自檢初始化，而后采集電網(wǎng)的電壓與頻率決定是否并網(wǎng)。若是，閉合并網(wǎng)接觸器以及電機(jī)側(cè)接觸器，設(shè)定初始角與移動(dòng)步長(zhǎng)，啟動(dòng)定時(shí)器并確認(rèn)晶閘管是否導(dǎo)通。若是，則報(bào)告ARM并網(wǎng)成功。

3 異步電機(jī)并網(wǎng)仿真

文章運(yùn)用Matlab 2010a對(duì)該軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。其中，發(fā)電機(jī)額定電壓690V，額定電流683A，定子頻率50Hz，額定功率750kW，額定轉(zhuǎn)速1518r/min，級(jí)數(shù)為四級(jí)。當(dāng)風(fēng)速達(dá)到15m/s時(shí)，異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均速度可達(dá)約1475r/min。此時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)，則瞬時(shí)電流峰值可達(dá)4800A；采用晶閘管軟并網(wǎng)系統(tǒng)所控制，并網(wǎng)時(shí)的最大電流低于800A，經(jīng)過(guò)0.5s后，電流恢復(fù)穩(wěn)定。這樣便將并網(wǎng)沖擊電流有效地限制在額定值的1.5倍左右，上下幅度不超過(guò)17%，滿足預(yù)期的并網(wǎng)要求。

Matlab平臺(tái)上的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果還表明：自并網(wǎng)開始到電機(jī)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速的過(guò)程中，晶閘管導(dǎo)通速度過(guò)快或者晶閘管導(dǎo)通角的增大都可能會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。因而，在此過(guò)程中應(yīng)控制好導(dǎo)通角步長(zhǎng)及持續(xù)時(shí)間。此外，為了有效的對(duì)軟并網(wǎng)持續(xù)時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行控制，在電機(jī)自身轉(zhuǎn)速與并網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速值較為接近時(shí)，應(yīng)該令晶閘管處于完全導(dǎo)通的狀態(tài)，以便電機(jī)自身轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速同步，保持并網(wǎng)電流穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章針對(duì)大型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，從并網(wǎng)原理以及控制技術(shù)方面對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制進(jìn)行了分析。提出了一種采用電流閉環(huán)控制的風(fēng)力異步發(fā)電機(jī)的軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果表明，該方法可使電機(jī)并網(wǎng)瞬時(shí)電流穩(wěn)定在額定電流的1.5倍左右，且系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，滿足并網(wǎng)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]潘文霞，王偉，李文朝，等.異步風(fēng)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2008，29（7）：792-796.

[2]龔立秋.異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究[D].湘潭大學(xué)，2009.

[3]鄭博，王世榮，許宏志，等.失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制的新算法[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè)，2013（20）：115-116+117.

[4]王承凱，許洪華，趙斌，等.基于SIMULINK的失速型風(fēng)電機(jī)組軟并網(wǎng)控制系統(tǒng)的仿真分析[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2004，25（5）：599-605.

作者簡(jiǎn)介：周冉冉（1984-），男，河北唐山，碩士研究生畢業(yè)，國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司檢修分公司，從事電網(wǎng)運(yùn)檢技術(shù)、新能源技術(shù)研究。