风力发电机组控制
第十章 风力发电机组并网技术
1
第十章 风力发电机组的并网技术
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
机组变流系统
2
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
3
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。
4
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。
5
风电并网对电网的影响
谐波（harmonic wavelength) 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。
6
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。
7
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。
8
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。
9
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。
10
风电并网对电网的影响
并网型风电系统结构
目前风电系统的运行方式常采用独立型、并网型和
联合型三种方式，中、大型风力发电机主要采用并网运
行方式。并网型风电系统由风能资源、风力发电机组、
变流器、控制器及变压器等组成。风力发电机在并网时
必须输出50Hz 恒定频率的电能，一般可以分为：
恒速恒频调节方式
变速恒频调节方式
11
CSCF 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。
优点: 结构简单、成本低、过载能力强、运行可靠性高; 并网
控制系统比较简单; 同步发电机既能输出有功功率，还能提
供无功功率，输出的电能质量高。
缺点: 当风速迅速增大时，风能将通过桨叶传输给主轴、齿
轮箱和发电机等部件，产生机械应力，引起这些部件的疲
劳损坏; 若风速急剧变化，可能会引发电能质量问题。
12
并网型风电系统结构
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:
• 根据风速的变化，风力机以不同的转速旋转，减少了对风
力机等机械装置的机械应力；
• 通过对最佳转速的跟踪，在可发电的较大风速范围内均可
获得最佳功率输出；
• 风力机能够对变化的风速起到一定的缓冲，使输出功率的
波动变化减小；
13
并网型风电系统结构
• 通过对风电机组有功和无功输出功率进行解耦控制，并采
用一定的控制策略，可以分别单独控制风电机组有功、无
功的输出；
• 实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风电系统与
电网之间的相互影响，并网冲击电流小；
• 若采用双馈异步发电机，则变频器容量仅约为发电机容量
的30%，降低了变换器的损耗、造价和体积；
• 若采用同步发电机，可省去齿轮箱，提高效率和可靠性。
14
并网型风电系统结构
缺点：
• 整体结构复杂、成本高、技术难度大；
• 需配备变频器，控制回路多，控制复杂，维护难；
• 若采用同步发电机，则转速较低，极对数较多，且
需配备全功率变频器，成本较高，损耗大；
• 若采用双馈异步发电机，要求变流器具有低电压穿
越等并网运行能力，控制复杂，投入大。
15
并网型风电系统结构
异步风力发电机组并网
风电机组的并网条件：
风电电源与电网电源两者在相序、电压有效值、频率、
电压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、降压、捕捉式准
同步和晶闸管软并网共5 种CSCF并网方式。
16
（一）直接并网方式
这种方式只要求发电机转速接近同步转速（即达到
99%~100%同步转速）时，即可并网，使风力发电机组运行
控制变得简单，并网容易。但在并网瞬间存在三相短路现象，
供电系统将受到4~5 倍发电机额定电流的冲击，系统电压瞬
时严重下降（如国产FD-32-200 型风力发电机在上海电机厂
于同步转速附近做并网试验时，系统电压由410V下降到230V
左右），以至引起低电压保护动作，使并网失败。所以这种
并网方式只有在与大电网并网时才有可能。 17
异步风力发电机组并网
（二）准同期并网方式
与同步发电机准同步并网方式相同，在转速接近同步
转速时，先用电容励磁，建立额定电压，然后对已励磁建
立的发电机电压和频率进行调节和校正，使其与系统同步。
当发电机的电压、频率、相位与系统一致时，将发电机投
入电网运行。该并网方式合闸瞬间尽管冲击电流小，但必
须控制在最大允许的转矩范围内运行，以免造成网上飞车。
由于它对系统电压影响极小，所以适合于电网容量比风力
发电机组大不了几倍的地方使用。 18
异步风力发电机组并网
（三）降压并网方式
• 这种并网方式就是在发电机与系统之间串接电抗器，以减
少合闸瞬间冲击电流的幅值与电网电压下降的幅度。如比
利时200kW风力发电机组并网时各相串接有大功率电阻。
由于电抗器，电阻等串联组件要消耗功率，并网后进入稳
定运行时，应将其电抗器、电阻退出运行。
• 显然，这种并网方式要增大功率的电阻或电抗器组件，其
投资随着机组容量的增大而增大，经济性较差。它适用于
小容量风力发电机组（采用异步发电机）的并网。 19
异步风力发电机组并网
（四）捕捉式准同步快速并网技术
• 捕捉式准同步快速并网技术的工作原理是将常规的整
步并网方式改为在频率变化中捕捉同步点的方法进行
准同步快速并网。准同步并网工作准确、快速可靠，
既能实现几乎无冲击准同步并网，对机组的调速精度
要求不高，又能很好地解决并网过程与降低造价的矛
盾，适合于风力发电机组的准同步并网操作。
20
异步风力发电机组并网
（五）软并网（SOFT CUT-IN）技术
采用双向晶闸管的软切入法，使异步发电机并网。它有
两种连接方式：
（1）发电机与系统之间通过双向晶闸管直接连接。
（2）发电机与系统之间软并网过渡，零转差自动并
网开关切换连接。
21
异步风力发电机组并网
双馈异步风力发电机组并网
• 传统的恒速恒频发电机与电网之间为“刚性连接”，并网操作依赖于
机组转速的调节，实现条件严格因而比较困难。
• 交流励磁变速恒频风力发电机与电网之间为“柔性连接”。采用转子
交流励磁后，DFIG和电网之间构成了“柔性连接”。
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。
22
根据DFIG并网前的运行状态，DFIG并网方式有两种：
①空载并网方式：并网前DFIG空载，调节DFIG的定子空载
电压实现并网的方法；
②负载并网方式：并网前DFIG接独立负载(如电阻)，调节其
定子电压实现并网的方法。
两种并网方式都允许机组转速在较大的范围内变化，
在两种并网方式控制下，DFIG定子电压均能迅速向电网
电压收敛，实现较小冲击的并网。
23
双馈异步风力发电机组并网
24
空载并网控制结构图
双馈异步风力发电机组并网
图8-2负载并网控制结构图
25
双馈异步风力发电机组并网
两种并网方式的比较
• 两种并网控制方式的作用是一致的：调节DFIG的定子电
压使其与电网电压在幅值、相位、频率上达到高度吻合，
使DFIG安全、顺利地并入电网，降低甚至消除并网冲击
电流。
• 两种并网方式的差别在于并网前运行方式不同。
• 空载并网方式由于并网前发电机不带负载，不参与能量
和转速的调节。为了防止在并网前发电机的能量失衡而
引起的转速失控，应由风力机来控制机组的转速。 26
双馈异步风力发电机组并网
• 负载并网方式并网前接有负载，发电机可以参与风力机的
能量控制，主要表现在：
一方面改变发电机的负载能调节发电机的能量输出；
另一方面在负载一定的情况下，发电机转速的改变能改变能量
在发电机内部的分配关系；
前一作用实现了发电机能量的“粗调”，后一个作用是发电机
能量的“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。
27
双馈异步风力发电机组并网
双馈异步风力发电机组并网启动过程
28
同步发电机的并网技术
同步发电机的并网方式
准同步（ CSCF ）
自同步（ CSCF ）
变流器（ VSCF ）
29
( 1) 准同期并网方式
• 它是将待并发电机组在投入系统前通过调节器调节原动机转速，使发
电机转速接近同步转速。通过励磁调整装置调节发电机励磁电流，使
发电机端电压接近系统电压，从而使待并发电机组平滑、快速、安全
地被拉入系统电网。此方式一般用于较大型的风电机组并网。
• 优点:并网时冲击电流较小，对电网不会产生大的扰动。
• 缺点: 调速精度不高，会发生无功振荡与失步问题，产生冲击电流。
30
同步发电机的并网技术
(2) 自同步并网方式
将未加励磁电流的发电机的转速升到额定转速，首先合上
断路器投入电网，然后延时1 ～ 3 s 后合上励磁开关供给励磁电
流，随即将发电机自动牵入同步。此方式一般仅用于电网容量
比发电机大很多的情况下并网操作。
优点: 不需要复杂的并网装置，操作简单、并网迅速。
缺点: 调速精度不高，并网常会发生无功振荡与失步问题; 并网后
有一定的冲击电流; 合闸瞬间发电机定子吸收大量无功功率，
导致合闸瞬间系统电压下降较多。
31
同步发电机的并网技术
( 3) 变流器并网方式
优点:
并网时无电流冲击，对系统几乎没有影响;
风力机及发电机的转速可以变化，可使风电机组按最佳效
率运行，向电网输送更多的电能。
缺点:
需高反压大功率的可控硅，控制复杂、成本高;
有高频电流流向电网。
32
同步发电机的并网技术
永磁同步风电机组并网启动过程
33
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（fault ride-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(low voltage ride through, LVRT)能力。
34
低电压穿越技术
北欧输电网技术规范
35
我国风电接入电网技术规定
36
德国公司输电网技术规范
37
38
美国标准——低电压穿越要求
低电压穿越技术
我国风电接入电网技术规范
39
40
德国公司输电网技术规范
北欧输电网技术规范
41
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
（crowbar protection）；
引入新型拓扑结构；
采用合理的励磁控制算法。
42
低电压穿越技术
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。
43
图8-7混合桥型crowbar
低电压穿越技术
(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。
44igbt型crowbar
低电压穿越技术
(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。
45
图8-9旁路电阻型crowbar
低电压穿越技术
高电压穿越技术
46
世界各国HVRT技术要求
高电压穿越技术
47
图10-18 我国HVRT测试规程要求
双馈异步发电机组Crowbar保护电路
48
永磁同步发电机组的直流侧泄放保护电路
49
