王忠军
中国大唐集团新能源股份有限公司辽宁分公司 辽宁朝阳 122000
摘要：风力是重要的清洁能源，风力所具备的可再生性以及无污染性使得其受到广泛关注和应用，风力发电也是目前我国重点要求的电力能源技术。而并网控制是将风力发电机稳定地接入到电网系统中的技术。本文主要研究双馈风力发电机并网控制的方法，以及在实际应用中的难点，以及并网控制过程中存在的其他影响控制，并相应地提出优化建议。
关键词：双馈风力发电机；并网控制；方法；难点
一、双馈风力发电机概述
当前风力发电机大体可以分为同步电机好异步电机两类，实际应用中可以细分为鼠笼异步发电机、双馈发电机、同步发电机以及永磁同步发电机。双馈风力发电机是一种绕线式感应发电机，属于异步发电机。由于双馈异步电动机的定子绕组直接同电网相连接，转子绕组通过变流器和电网连接，并由变频器实现对饶子绕组电源电压、相位以及频率和幅值的自动调控，因而在运行中，机组可以在不同的转速下维持恒频发电。然而，虽然双馈发电机具备机械承受应力小、运行噪音小、变频器容量小以及启动效率高的特点，但双馈发电机的电气损耗较大，还需配备齿轮箱，造价较为昂贵。不过相比同步风力发电机，双馈风力发电机能够更好的实现电能稳定输出，实用性较强。
二、双馈发电机的并网控制方法
双馈发电机的并网控制方法和异步发电机相似，主要原理是通过滑差率来调节负荷，发电机的转速和输出功率近似成线性关系，所以只要保持发电机的转速和同步转速相接近就能实现并网。目前，常用的并网方法主要有四种，直接并网控制法、准同期并网法、降压并网控制法以及电子元件软并网控制法。
2.1 直接并网控制法
直接并网控制法是指将风力发电机的输出交流电直接并入到风力电网中，在电机转速和同步转速接近时，由测速系统给出并网信号，再通过自动空气开关实现并网，主要适用于风力发电机和电网相序相同的情况，即电网电容量足够大的同时，风力发电机的容量保持在百千瓦以下。
优点：直接并网控制方法能够保证风力速率变动情况下风力发电机也可以维持横频输出，同时能够单独地对有功功率和无功功率进行解耦控制，便于对风力电动机运行中负载消耗的无功功率进行补偿，稳定其他机组的无功负荷，确保风力发电系统电压的稳定。
缺点：直接并网控制方法要求双馈发电机的相序和发电电网的相序必须保持一致，这就对风力发电机的规格提出了严格的要求。
2.2 准同期并网控制法
异步发电机下的准同期并网控制方法和同步发电机下的准同步并网控制方法基本相同，都是在发电机转速接近同步转速的时候，利用电容励磁先来确定一个稳定的电压，再根据系统电压、频率、相位等来调节发电机的电压和频率，确保二者同步。当二者同步后，就可以将风力发电机接入电网。
优点：准同期并网控制方法对风力系统的电压没有太大的影响，不会出现电压下降的问题，常用于发电机容量和电网容量相似或相差不多的机组。
缺点：按照传统的整步方式，想要实现从整步到准同步的转变，不但需要高精度的整步设备、同期设备以及调速设备，还需要耗费较长的时间，加大了机组构造成本。而且，准同期并网控制方法也需要对电流进行精准控制，确保合闸瞬间的电流控制在最大允许的转矩范围内，避免网上飞车情况的出现。
2.3 降压并网控制法
降压并网控制方法是指通过在双馈发电机和发电电网之间串联电感器、电阻或自耦型变压器的方式来降低并网合闸瞬间产生的电流和电压的变动幅度，尽可能维持电压稳定。
优点：通过串联具有一定阻值的电阻或电感器的方式，双馈发电机在并网时可以减少对电网的冲击，避免出现电压下降或合闸时电流过高出现网上飞车的问题。
缺点：串联进入整体系统的电阻或电感器等在运行中会消耗发电功率，所以经济性较差，通常被用于电网容量较大、发电机容量百千万瓦级以上的机组，比如200KW发电机组。
2.4 软并网控制法
软并网控制法又成为电子元件软并网控制方法，和降压并网控制方法有些相似，不过软并网控制方法是将电子元件串联在双馈发电机定子和电网之间，连接到并网动合触头来实现并网。具体过程简单概述为：双馈风力发电机接收到启动信号，在检测到电机相序和电网相同时，则执行启动命令。之后，再检测到发电机的转速接近于同步转速后，风力电动机借助电子元件接入到电网中，伴随风力电动机转速的增加，电机转差逐渐消失，并网动合触头开关闭合，电子元件短接，电流直接通过动合触头，风力发电机和电网直接关联。
优点：稳定地将风力发电机合闸时的电流限定了设定范围内，确保并网过程的平滑，以及电压的稳定。
缺点：利用电子元件来进行并网时，整体系统所涉及的控制回路较多，管理较为复杂。而且用于并网自动开关设计的触头损耗率较高，长时间的弹射下，开关频率也逐渐会下降。此外，通过电子元件并网也容易产生出现奇次谐波分量，同时对并网环节中的电力电子元件规格有较高的要求。通常使用于中大型风力发电机组。
三、双馈风力发电机并网控制难点
如上述所言，双馈风力发电机虽然有多种并网方式可以选择，但每一种并网方式都有自身特有的优缺点，而除了并网方法带来的难点外，在风力发电机并网控制的过程中，也存在很多难点。首先，并网控制涉及到大量的控制活动，比如矢量控制、智能控制、无功功率的控制以及三项电能转换的控制等。其次，并网整体对象和目标对象数量上存在较大的差异，在直接电能输出过程中会出现明显的差异和影响。此外，双馈发电机这类异步发电机中涉及到的有功和无功的控制工作难度较高，尤其是在并网中，二者在整流、逆变时的功能因素控制也是一大难题。最后，双馈风力发电机在和电网并网过程中，其发电机本身的温度、频率、损耗、无功功率以及有功功率因素都会对最后的并网结果产生影响，而且运行中还会产生谐波和波动于闪变情况，这便对双馈风力发电机的规格、并网过程中的影响控制工作提出了严格的要求。
四、双馈风力发电机有效开展并网控制的策略
结合上述分析，在优化双馈风力发电机并网控制时，第一，应合理选择并网控制方法。根据所提供的各类异步发电机并网控制方法使用情况信息，对比电网容量和风力发电机容量，在结合经济成本的基础上，筛选出最适宜的双馈风力发电机并网控制方法。第二，严格控制发电机制造规格。根据所选择的发电机并网控制方法，明确风力发电机所需的相序、频率、电压等数据，并选择对应的发电机。同时，如果涉及到电阻、感应器或电力电子元件的搭配，还需对所需电阻大小、电力电子元件规格等进行进一步分析。第三，做好影响控制工作。首先，针对谐波控制，可以在系统中接入无功补偿器，通过增加电抗器、电容器以及谐波装置来提升整体装置的反应效率，并对运行中产生的无功功率进行动态实时追踪，消除风速带来的影响，确保电压的稳定，进而实现对谐波干扰的控制。其次，针对波动于闪现控制，可以选择在系统中安装动态电压恢复器、补偿装置、电力滤波器以及电能控制器等电子控制器的方式来确保并网过程中电压的稳定，实现对无功功率的实时追踪和补偿，确保双馈风力发电机并网控制的有效开展。
五、结束语
在日益开放的电力市场环境下，风力发电的经济效益得到了跨越式的提升。双馈异步风力发电机（DFIG，Doubly fed Induction Generator）是现在使用非常普遍的风力发电机，通过恰当的并网控制方法和技术，它可以有效地控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。这种发电机不用在电网中励磁，而是将这个过程放到了转子电路中，它还能产生无功功率，并通过电网侧变流器传送给定子。这种优势极大的提升了双馈风力发电机的普及率，使之成为当今应用最广泛的风力发电设备。
参考文献：
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