风力发电机的工作模式详解

2023-06-19 理论教育版权反馈

【摘要】：随风速增大，风力机输出机械功率不断增大，发电机达到其功率极限，这时需要限制发电机输出功率使之不超过额定值，风电机组处于恒功率恒转速工作状态，此模式是通过改变风力机桨距角来控制，即风速增加时增大桨距角使Cp下降，以此保持功率恒定。同步发电机一般工作在过励磁状态，以补偿电网的无功功率。

1.风力发电机的工作模式

风力发电机的工作可分为起动、最大风能追踪、恒转速和恒功率四种模式：

1）起动工作模式。此模式风速上升到切入风速，在切入风速以下发电机与电网脱离，风速大于或等于切入风速时发电机并网发电。该模式主要任务是实现发电机的并网控制，在这期间风力机通过改变桨距来调节机组转速，使转速保持恒定或在一个允许的范围内变化；发电机系统（包括电力电子变流器）则调节定子电压使其满足并网条件，在适当时间并网。

2）最大风能追踪工作模式。此模式机组已经并网工作，风力机桨距角处于不调整的定桨距工作状态，通过发电机输出功率来调节机组转速，使风能利用系数为最大值C_pmax，因此也称为C_p恒定区。

3）恒转速工作模式。此模式机组转速已达最高转速，但风力机的输出功率尚未达到额定值，为保护机组不过载，不再进行最大风能追踪控制，而是通过风力机的变桨距控制来调节桨距角，保证在最大允许转速上的恒转速发电运行。

4）恒功率工作模式。随风速增大，风力机输出机械功率不断增大，发电机达到其功率极限，这时需要限制发电机输出功率使之不超过额定值，风电机组处于恒功率恒转速工作状态，此模式是通过改变风力机桨距角来控制，即风速增加时增大桨距角使C_p下降，以此保持功率恒定。

2.风力发电机并网方式

交流发电机并网的基本要求是发电机的电压、频率和相位与电网的电压、频率和相位相同。风力发电机并网首先要检查发电机组输出的三相相序与电网相序是否相同，其次是检查输出三相电压和频率与电网电压和频率是否相同，误差越小，造成的电流冲击越小。

（1）异步发电机并网方式

1）直接并网。在保证发电机相序与电网相序相同后，异步风力发电机并网条件是风力发电机转速尽可能接近同步转速，转差小则并网时的电流冲击较小。因为并网前异步发电机仅有剩磁产生的定子电压，直接并网时突加电网电压会产生5～6倍额定电流的冲击，引起电网电压下降，所以，直接并网只能用于容量百千瓦以下异步发电机的并网，且电网容量较大的场合。

2）降压并网。降压并网是在异步发电机和电网间串接电阻或电抗器，或者自耦变压器，以降低并网时的电流冲击，减小电网电压的下降。在发电机稳定运行后，再短接切除电阻或电抗器等。这种并网方式，机组可以在百千瓦以上。

3）软并网。在异步发电机并网时，先在发电机与电网间串接软起动器（见图8.2a），将并网冲击电流限制在允许范围内，在完成并网后切除软起动器。

异步发电机无论以哪种方式并网，在发电机并网后应立即投入功率因数补偿器，将发电机功率因数提高到0.95以上。

（2）同步发电机并网方式

1）自动准同步并网。同步发电机在风力机拖动下转速接近同步转速时，励磁调节器向发电机输入励磁电流，通过调节励磁电流使发电机端电压与电网电压接近，当发电机端电压接近电网电压时可合上开关并网，同步发电机通过自整步牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。以上过程一般通过微机控制，自动准同步并网的优点是没有明显的电流冲击，缺点是控制与操作复杂。

2）自同步并网。同步发电机转子励磁绕组先通过电阻短接，使同步发电机无励磁电流起动，在同步速附近（差值小于5%）先将发电机并网，然后再给发电机施加励磁，在定子和转子电磁力作用下，发电机自动牵入同步。这种方式并网时发电机无励磁电流，发电机定子绕组中没有反电动势，不需要对发电机电压和相位角进行调节和校准，控制简单；缺点是并网瞬间有电流冲击，将引起电网电压的下降。同步发电机一般工作在过励磁状态，以补偿电网的无功功率。

在发电机与电网之间通过全功率变流器连接时，发电机的频率和电网频率彼此独立互不影响，并网时一般不会因频率偏差而产生较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。

风力发电机的工作模式详解

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