风力发电原理及其新技术应用.ppt

风力发电原理及其新技术应用,北京交通大学电气学院 吴俊勇,国内外风力发电的发展概述 风力发电的基本原理 风力发电系统的分类 笼型异步风力发电机组 双馈型异步风力发电机组 直驱型同步风力发电机组 风电功率预测 风电场的并网技术 风电场的低电压穿越能力LVRT 储能装置的应用,提 纲,国内外风力发电的发展概述,我国风能资源分布,中国陆地上10m高度层上可开发的风能储量为2.52亿千瓦 近海可开发风能资源是陆地的3倍多,从1996年到2009年，世界累计风电装机容量的增长率超过20%，平均28%； 2007年，世界累计风电装机容量94112MW，增长26.8%； 2007年，世界新增风电装机容量20073MW，增长32.1%； 到2007年，我国风电装机容量6050MW，超过丹麦，成为世界第5； 到2008年，我国风电装机12170MW，居世界第4；,风电的快速发展,2006年1月：可再生能源法 2007年9月：可再生能源中长期发展规划 2009年： 新能源产业振兴规划,有力的政策支持,到2011年： 风电装机3500万千瓦 其中陆地3000万千瓦，海上500万千瓦 新能源在能源结构中比例达2%（含水电10%） 新能源发电占总装机比例5%（含水电25%） 新能源产业增加直接投资9700亿 带动社会间接投资2万亿 到2020年： 风电装机1.5亿千瓦 其中陆地1.2亿千瓦，海上3000万千瓦 建设六个陆上千万千瓦级风电基地及其外送联网工程 新能源在能源结构中比例达9%（含水电20%） 新能源发电装机占总装机比例达15%（含水电35%） 新能源产业增加直接投资45000亿 带动社会间接投资9万亿,新能源产业振兴规划,风电总装机容量快速增长，风电比重不断加大； 单个风电场装机容量不断增加，已有多个10万千瓦级风电场投运，正建千万千瓦级大型风电基地； 风电场接入系统的电压等级由低到高(110kV)； 风电机组的种类不断增多，从早期的定速风电机组（1MW以下），到双馈感应风力发电和直驱同步风力发电（1MW以上）,我国风电发展特点,世界风电技术发展趋势,风电单机容量稳步上升：以德国为例，03年平均单机容量超过1.5MW，叶片直径大于64m的风机占77%； 变浆调节方式迅速取代失速调节方式：德国03年装机的风电机组，超过91%采用了变浆调节方式； 变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式：通过控制发电机转速，是风机叶尖速比接近最佳，提高风机运行效率。德国03年装机的风电机组，超过90%的风机采用了变速恒频方式； 无齿轮箱的直驱同步发电机组的市场份额迅速扩大,风力发电的基本原理,我上到风机上了,风力发电系统的分类,按风轮桨叶分类： 失速型： 高风速时，因桨叶形状或因叶尖处的扰流器动作，限制风力机的输出转矩与功率； 变桨型： 高风速时通过调整桨距角，限制输出转矩与功率。,按风轮转速分类： 定速型： 风轮保持一定转速运行，风能转换率较低，与恒速发电机对应； 变速型： （1）双速型：可在两个设定转速运行，改善风能转换率，与双速发电机对应； （2）连续变速型：在一段转速范围内连续可调，可捕捉最大风能功率，与变速发电机对应。,按传动机构分类： 齿轮箱升速型： 用齿轮箱连接低速风力机和高速发电机； （减小发电机体积重量，降低电气系统成本） 直驱型： 直接连接低速风力机和低速发电机。 （避免齿轮箱故障）,按发电机分类： 异步型： （1）笼型单速异步发电机； （2）笼型双速变极异步发电机； （3）绕线式双馈异步发电机； 同步型： （1）电励磁同步发电机； （2）永磁同步发电机。,按并网方式分类： 并网型： 并入电网，可省却储能环节。 离网型： 一般需配蓄电池等直流储能环节，可带交、直流负载。或与柴油发电机、光伏电池并联运行。,风力机风能转换效率特性,风轮的功率 风能转换率 叶尖速比,TSR:叶尖速比Tip Speed Rate :桨距角,风力发电机组输出功率(定速vs变速),笼型异步风力发电机组,定速笼型异步风力发电机组 变速笼型异步风力发电机组,定速笼型异步风力发电机组,三相笼型异步风力发电机,笼型异步风力发电机的内部结构,发电机状态,电动机状态,用转差率s可以表示异步电机的运行状态!,笼型异步风力发电机的工作状态,（1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数发电机，并在机端并联电容； （2）绝大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦； （3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机有较软的机械特性曲线，max绝对值要大 ； （4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置；,笼型异步风力发电机的特点,变速笼型异步风力发电机组,（1）笼型异步风力发电机运行于变速变频发电状态； （2）运行于小转差率范围，发电机机械特性硬，运行效率高； （3）发电机机端电压可调，轻载运行效率高； （4）发电机与电网被可控的变流器隔离，系统对电网波动的适应性好； （5）变流器与发电机功率容量相等，系统成本高。,变速笼型异步风力发电机组的特点,双馈型异步风力发电机组,主电路：双馈异步发电机+交直交双向功率变换器,国产1MW双馈型异步风力发电机,绕线型转子三相异步发电机的一种； 定子绕组直接接入交流电网； 转子绕组端接线由三只滑环引出，接至一台双向功率变换器； 转子绕组通入变频交流励磁； 转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态； 定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；,双馈异步发电机,国产600kW交直交双向功率变换器 （IGBT+DSP）,两套PWM控制型三相开关桥“背靠背”，中间存在电容支撑的直流母线； 在任一时刻，一套三相桥处于脉冲整流状态；而另一套处于逆变状态； 发电机侧三相开关桥采用定子磁场定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法； 电网侧三相开关桥采用电网电压定向矢量控制和空间电压矢量PWM控制方法； 可实现发电机输出的有功和无功功率解耦控制。,交直交双向功率变换器,引入转子交流励磁变流器，控制转子电流； 转子电流的频率为转差频率，跟随转速变化； 通过调节转子电流的相位，控制转子磁场领先于由电网电压决定的定子磁场，从而在转速高于和低于同步转速时都能保持发电状态； 通过调节转子电流的幅值，可控制发电机定子输出的无功功率； 转子绕组参与有功和无功功率变换，为转差功率，容量与转差率有关（约为全功率的S倍）。,双馈型异步风力发电机组的原理,双馈型异步发电机组的效率,（1）连续变速运行，风能转换率高； （2）部分功率变换，变流器成本相对较低； （3）电能质量好（输出功率平滑，功率因数高）； （4）并网简单，无冲击电流； （5）降低桨距控制的动态响应要求； （6）改善作用于风轮桨叶上机械应力状况 ； （7）双向变流器结构和控制较复杂； （8）电刷与滑环间存在机械磨损。,双馈型异步风力发电机组的特点,直驱型同步发电机组,电励磁直驱同步发电机组 永磁直驱同步发电机组 混合励磁直驱同步发电机组,同步发电机用作风力发电机时，即可直接向交流负载供电，也可经整流器变换为直流电，向直流负载供电。因此，同步风力发电机已成为中小容量风力发电机组的首选机型。 近年来，在大容量风力发电机组产品中，同步风力发电机也已暂露头角，有望成为未来的主力机型。,采用同步发电机的必要性,由齿轮箱引起的风电机组故障率高； 齿轮箱的运行维护工作量大，易漏油污染； 系统的噪声大，效率低，寿命短。,去除齿轮箱，直接驱动的理由：,发电机转速低、转矩大，体积重量明显增大； 全功率整流逆变，变流器成本高。,直驱带来的问题：,直驱型同步发电机组,直驱型同步发电机组,定子铁心 定子绕组 发电机转子,电励磁直驱同步发电机组,通过调节转子励磁电流，可保持发电机的端电压恒定； 定子绕组输出电压的频率随转速变化； 可采用不控整流和PWM逆变，成本较低； 转子可采用无刷旋转励磁； 转子结构复杂，励磁消耗电功率； 体积大、重量重，效率稍低。,电励磁直驱同步发电机组的特点,永磁直驱同步发电机组的功率变换电路,永磁直驱同步发电机组的特点,永磁发电机具有最高的运行效率； 永磁发电机的励磁不可调，导致其感应电动势随转速和负载变化。采用可控PWM整流或不控整流后接DC/DC变换，可维持直流母线电压基本恒定，同时可控制发电机电磁转矩以调节风轮转速； 在电网侧采用PWM逆变器输出恒定频率和电压的三相交流电，对电网波动的适应性好； 永磁发电机和全容量全控变流器成本高； 永磁发电机存在定位转矩，给机组起动造成困难。,混合励磁直驱同步发电机组,混合励磁直驱同步发电机组的特点,利用转子的凸极磁阻效应，增强永磁发电机的调磁能力； 采用部分功率容量的SVG逆变器向发电机机端注入无功电流，以调节发电机的端电压； 无需全功率容量的脉冲整流或DC-DC变换器，可明显节省变流器的容量； SVG逆变器可兼有有源滤波的功能，能够改善发电机中的电流波形，降低发电机的谐波损耗和温升。,（1）笼型异步发电机成本低、可靠性高，在定速和变速全功率变换风力发电系统中将继续扮演重要角色； （2）双馈异步发电机系统具有最高的性价比，特别适合于变速恒频风力发电。将在未来数年内继续称为风电市场上的主流产品； （3）直驱型同步风力发电机及其变流技术发展迅速，利用新技术有望大幅度减小低速发电机的体积和重量。,小结：,市场上2MW以上大型风力发电机组,风电功率预测,必要性： 风电装机容量增大，对电力系统的影响越来越大 风力发电具有间歇性和不确定性 为保证系统稳定运行，必须增加旋转备用容量，间接地增加了风力发电的整体运营成本 通过对大型风电场的输出功率进行准确的短期和中期预测，可以大幅降低系统的旋转备用容量，有效降低风力发电的整体运营成本，为电网的运行调度提供依据，成为风电接入电网的关键技术之一,风力发电功率预测的方法,物理方法：先预测风机轮毂高度处的气象信息如风速和风向，再利用风机的功率曲线得到风机的实际输出功率；需要利用数值天气预报NWP的信息； 统计方法：实质是在系统的输入（NWP/历史统计数据/实测数据）和风机功率之间建立一种线性映射关系。常用的有时间序列法ARMA、卡尔曼滤波、灰色预测法等； 学习方法：利用人工智能的方法建立输入和输出之间的非线性模型，如人工神经元网络ANN、小波分析法、支持向量机法等。 发展趋势：NWP的利用和多种预测方法的综合 由ARMA的平稳性和可逆性分析确定ANN的网络结构 由ANN网络实现次日风电功率的滚动预测,国内外风电功率预测现状,德国： WPMS：ISET（德国太阳能研究所）开发，2001， 应用于四家电网公司 Previento：德国奥尔登堡大学开发，2002 丹麦： Prediktor：Riso开发，1994年开始运行 WPPT：丹麦技术大学开发，1994 Zephy：丹麦技术大学开发，2003,国内外风电功率预测现状,西班牙： LocalPred-RegioPred：西班牙可再生能源中心，2001 SIPREoLICO：西班牙卡洛斯III大学开发，2002 美国： eWind：AWS Truewind开发，1998 中科院： 采用NWP和ANN，预测精度15%，应用于吉林电网,风电功率预测原理,风电功率预测原理,训练数据：数值天气预报和风电场的功率 输出：次日风电场的功率（15min为一个时段）,风电功率预测原理,风电功率预测原理,一周的功率预测结果：预测精度15%,风电功率预测的效益分析,以吉林电网为例，最大电力5872MW，峰谷差2060MW； 没有风电，旋转备用300MW，平均发电负荷率77.8% 接入风电，没有风电功率预测，平均发电负荷率降为73.9%；有风电功率预测，精度按20%计算，只需新增旋转备用65MW，平均发电负荷率76.9%； 按发电负荷率每增加1%，煤耗降低1g/kWh计算，每年节约标准煤12.6万吨，经济效益1.27亿元，效益显著； 风电功率预测还能显著提高电网的安全稳定性，提高大型风电场接入电网的能力；,风电场的并网技术,风电场并网带来的问题： 风力发电机并网过程对电网的冲击：直接并网时，56倍额定电流的冲击电流，与并网时的滑差有关，造成电网电压大幅下降。 对电能质量的影响：风力发电机在输出有功功率的同时，从电网吸收无功功率，造成电压下降；风电功率的波动和频繁启停，造成电压波动、电压闪变和电压周期性脉动，威胁电压稳定性； 对保护装置的影响：潮流的双向性和有限的短路电流对保护装置带来影响； 对电网频率的影响：风电功率的波动引起系统频率变化，其大小取决于风电场容量与系统总容量的比重（风电穿越功率极限）； 对系统运行成本的影响：由于风电的间歇性和不确定性，增加了系统的旋转备用容量，客观上在减少了系统的燃料成本的同时，也增加了电力系统的可靠性成本。,风电穿越功率极限：指系统中风电场装机容量占系统总装机容量的比例，它表征了一个给定规模的电网最大可以承受的风电功率。 风电场短路容量比：定义为风电场的额定容量与该风电场与电力系统的连接点PCC（Point of Common Coupling）的短路容量之比。风电场短路容量比越小，表明电力系统承受风电扰动的能力越强。欧洲经验数据为3.55%，日本为10%。,衡量风电场对电力系统影响的两个指标,风力发电机组的并网方式分类及特点,直接并网方式：控制简单，并网时存在较大冲击电流，电网电压下降；适用于电网容量大，风机容量较小场合； 准同期并网：机组造价高，并网时间长，冲击电流小；适用于电网容量比风力发电机组容量大不了几倍的场合； 降压并网：降低冲击电流幅值，减轻了电网电压下降幅度，系统成本高；适用于大中型异步风力发电机的并网； 捕捉式准同步快速并网：几乎无冲击电流，对机组的调速精度要求不高；适用于风力发电机组的准同步并网操作； 软并网（Soft Cut-in）：并网过渡过程平稳，不会出现冲击电流，控制电路略复杂；风力发电机普遍采用；,软并网过程 （异步发电机）,异步发电机转速上升，接近同步转速(92-99%)时，并网接触器动作； 发电机经一组双向晶闸管与电网相连，控制晶闸管的导通角打开的速率，使并网过程中冲击电流不大于技术条件的规定值（额定电流的1.5倍）； 并网的暂态过程结束，旁路断路器闭合，将晶闸管短接；,变速恒频双馈风力发电机组并网常用的三种方式 空载并网； 独立负载并网； 孤岛并网；,空载并网方式,并网前，DFIG定子空载； 调节定子的空载电压，是它的幅值、频率和相位与电网电压完全一致； 并网过程中，定子冲击电流很小； 并网后，系统切换到调速控制；,孤立负荷并网方式,并网前，DFIG带负荷运行； 根据电网信息、定子的电压电流的信息，控制DFIG的端电压，当满足并网条件时实施并网； 特点：并网前定子有电流，需根据电网和定子两侧的信息进行控制，较复杂；,孤岛并网方式（1）,励磁阶段： 当风机达到一定要求后，K1闭合，直流充电器给交直交变换器的直流侧充电； 电机侧变流器供给转子电流，直到定子电压上升至额定值，励磁阶段结束；,孤岛并网方式（2）,孤岛运行阶段： 先断开K1，后启动网侧变流器，使之开始升压运行； 将直流侧升压到需要的值； 此时，能量在两个变流器和双馈电机之间流动，孤岛运行；,孤岛并网方式（3）,并网阶段： 由于孤岛运行阶段定子侧电压的幅值、频率和相位都与电网电压相同，此时闭合K2，电机与电网实现无冲击并网；,三种并网方式的比较,空载并网方式：在并网前是由原动机来调节发电机的转速，要求具有足够的调速能力； 独立负载并网方式：发电机具有一定的能量调节作用，可与原动机配合实现转速的控制，降低了对原动机调速能力的要求，但控制复杂； 孤岛并网方式：有创意，分三个阶段运行，可在任何转速下实现柔性并网；,风电场的低电压穿越能力（LVRT）,随着风电场装机容量越来越大，它们对电力系统的影响也越来越大； 为维持电力系统的稳定运行，电网公司对风电场并网提出了更高的要求。如： 低电压穿越能力 （Low-Voltage Ride Though, LVRT） 无功控制能力 输出功率控制能力等 其中，LVRT被认为是风电机组设计制造技术的最大挑战。LVRT要求越高，造价越高。,风电机组的LVRT能力： 指当外部系统发生故障，风电机组的端电压降低到一定值的情况下不脱离电网而继续维持运行，甚至还为系统提供一定的无功功率，帮助系统恢复电压的能力。,德国E.ON公司对风电机组LVRT能力的要求,阴影部分表示风电机组不但不脱离系统，而且还向系统提供一定的无功支持； 当端电压跌倒额定电压的15%时要求风电机组能够维持运行625ms； 当风电机组端电压在其额定电压的90%及以上时，要求风电机组能够持续运行；,不同类型的风力发电机组可以采用不同的技术措施来实现LVRT功能； 对普通定速风力发电机组，可以采用静止无功补偿装置SVC，通过无功补偿来实现LVRT功能； 对直驱同步风电机组，可以通过改变转子回路励磁方式实现LVRT功能； 双馈风力发电机组，由于有功和无功功率可以实现解耦控制，因此可以通过机组本身实现LVRT功能；,双馈风力发电机组的控制系统分为电机控制系统和风机控制系统； 双馈电机运行于次同步转速时转子吸收有功功率，运行于超同步转速时转子和定子一样，发