（电气工程专业论文）风力发电机组并网运行研究.pdf

、l 1 1 】 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文风力发电机组并网运行研究，是本 人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文作者签名：期：窖! ! ! 乡 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：衫里夕：么乏 j 华北电力人学l ：样硕十学位论文摘要 摘要 风力发电已经在电网中占有了相当的比重，但是由于风的速度和方向是不 断变化的，它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。随着风电场 的容量的不断增大，对电网的影响也会越来越明显，研究可靠并可行的风电并 网控制技术已成为迫切的问题。本文对目前主流的变速恒频风力发电机组中的 双馈感应发电机进行了重点探讨，同时对比了各种风力发电机组，研究了风力 发电并网运行后电力系统的电压特性，分析探讨了影响风电机组最大注入功率 的各种因素，分析了几种常用风力发电机的并网控制技术，最终得出在变速恒 频风力发电的众多种方案中，最具优势的方案是采用双馈感应发电机的并网型 交流励磁变速恒频风力发电机组。从而对当前风力发电等机电产品的研发、制 造及更新换代起一定的指导作用，并产生显著的经济和社会效益。 关键词：风力发电机组，并网，双馈感应发电机 a b s t r a c t w i n dp o w e ri nt h ep o w e rn e t w o r kh a sac o n s i d e r a b l es h a r eo fp o s s e s s i o n b u t b e c a u s eo ft h ew i n ds p e e da n dd i r e c t i o ni sc o n s t a n t l yc h a n g i n g ，i ti sd i r e c t l yr e l a t e d t ot h eo p e r a t i o no ft h ee n t i r ep o w e rg r i ds a f e t ya n dr e l i a b i l i t y w i t ht h ec a p a c i t yo f w i n dp o w e rc o n t i n u e st oi n c r e a s e ，t h ei m p a c to nt h ep o w e rg r i dw i l lb em o r ea n d m o r e o b v i o u s ，s t u d yt h eb e s tp o s s i b l ec o n t r o lo fw i n dp o w e ra n d n e t w o r k t e c h n o l o g yh a sb e c o m eap r e s s i n gi s s u e t h i sa r t i c l ef o c u so nt h em a i n s t r e a mv s c f w i n dt u r b i n ei nt h ed o u b l y f e di n d u c t i o ng e n e r a t o r ，a n dc o m p a r e sav a r i e t yo fw i n d t u r b i n et o s t u d yt h eo p e r a t i o no fw i n dp o w e rg r i dv o l t a g ea f t e rt h ep o w e rs y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y s i so ft h ei m p a c to ft h el a r g e s tw i n dt u r b i n ei n t ot h ep o w e ro fa v a r i e t yo ff a c t o r s ，a n a l y s i so fs e v e r a lc o m m o n l yu s e dw i n dg e n e r a t o r sa n dn e t w o r k c o n t r o lt e c h n o l o g y a tl a s t ，t h em o s tp r o p e rs c h e m ei st h eg r i d - c o n n e c t e dv s c f w i n dt u r b i n eg e n e r a t o rw i t ha ce x c i t a t i o no ft h es c h e m e sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r i t 一一 c a ng u i d et h ew i n dt u r b i n eg e n e r a t o rm a n u f a c t u r i n ga n dd e s i g n i n g ，a n dg e n e r a t e s g r e a te c o n o m ya n dc o m m u n i t yp r o f i t d a n gx i a n g d o n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uy u q i n k e yw o r d s ：w i n dt u r b i n eg e n e r a t o r ，g r i d c o n n e c t e d ，d o u b l y - f e di n d u c t i o n m a c h i n e s 中 英 第 第 第 第 第 华北电力人学i 程- 1 1 硕十学位论文目录 5 3 1 衡量风力发电规模的两个指标3 3 5 3 2 影响风力发电最大注入功率的主要因素3 5 第六章风力发电系统潮流计算3 7 6 1 风力发电机组的等值。3 7 6 2 基于牛顿一拉夫逊的潮流计算方法3 9 6 3 风电系统潮流计算步骤4 0 6 4 风力发电机组并网运行仿真4 1 结论4 4 参考文献4 6 致谢4 8 华北电力人学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章 引言 风能是一种清洁，安全，可再生的绿色能源，利用风能对保护生态平衡、减少 环境污染、节约矿物能源、缓解供用电矛盾，对于人类社会可持续发展具有重要意 义。进入2 0 世纪7 0 年代，在世界范围内爆发的能源危机告诫人们，要生存就要寻找 开发新能源，此后各国政府纷纷制定能源政策支持新能源的开发利用。大力发展风 电，是调整能源结构、减少温室气体排放、缓解环境污染、转变经济增长方式、缓 解能源供需矛盾、加强能源安全的重要战略举措，已成为国内外关注的热点，国家 对可再生能源的利用，特别是风能开发利用给予了高度重视。 从技术层面上讲，风力资源时强时弱，风力发电具有不稳定性，小规模的风电 电源会引起电能质量、电压的问题，大规模的风电电源会引起电网稳定性等问题。 由于风力发电是一种间歇性能源，风电场的功率输出具有很强的随机性，所以为了 保证风电并网以后系统运行的可靠性，需要额外安排一定容量的旋转备用以响应风 电场的随机波动。各种形式的风力发电机组运行时对无功功率的需求不同，依靠电 容补偿来解决无功功率平衡问题，发电机的无功功率与出力有关，由此也影响电网 的电压。另外风力发电在并网时由于冲击电流的存在，会对电网电压产生影响。因 此为了更加充分合理地开发和利用风力资源，迫切需要深入研究风电场并网运行时 出现的问题，并给出解决措施，以保证风电场并入电力系统后的安全运行心。4 1 。 大型风力发电机组的投入运行，使大规模风力发电场的建设成为可能，风电事 业j 下逐步向产业化迈进。在某些地方，风力发电已经在电网中占有了相当的比重， 它的运行状况直接关系到整个电网的安全性和可靠性。为了更加安全、充分的利用 风力资源，迫切需要深入研究大规模风电场并网运行的相关技术问题，是保证并入 大规模风电场后电力系统仍然可以正常稳定运行的重要前提，对今后风电场的设 计、规划有重要的意义。 1 2 国内外风力发电概况 全球风能蕴藏巨大，约为2 7 4 x 1 0 7m w ，其中可利用的风能为2 1 0 7m w ，比地球 上可开发利用的水能总量还要大1 0 倍。近5 年来，世界风能市场每年都以4 0 的速 度增长。风能是取之不尽、用之不竭、且无污染的自然资源。在能源短缺和环境污 染的双重压力下，世界各国已越来越重视风能的利用。目前，德国、美国、丹麦以 及亚洲的印度对风能的利用和研究处于世界领先水平，他们的风力发电总装机容量 位居世界前列，且未来计划投资有增无减。全球去年新增风电装机容量逾2 7 0 0 万千 1 华北电力人学j r 程硕十学位论文 瓦，总发电能力达到l - 2 万千瓦，新增装机量足够为2 ，7 0 0 万户家庭供电。目前， 风力发电在全球能源消耗量中的比重已占到1 5 ，而1 9 9 7 年时不过区区0 1 瞄卅。 我国风能资源丰富。据中国气象科学研究院的初步测算，我国陆地l o m 高度处 可开发储量为2 5 3 亿k w ，海上可开发储量为7 5 亿k w ，总计约1 0 亿k w ，风能利用潜 力巨大。在国家政策和资源优势的推动下，中国风能开发利用取得了长足进步。截 止2 0 0 8 年，我国风电装机总容量达到1 2 2 1 万千瓦，已占全球总装机的1 0 ，名列全 球第四。仅2 0 0 8 年一年，我国新增风电装机容量就达6 3 0 万千瓦，新增量位列全球 第二，仅仅次于美国的8 3 8 万千瓦怫。 近年来我国风力发电突飞猛进，然而就在我国风电装机容量高速增长的同时， 电网设计与建设却相对落后，一些风电场在风力资源丰富且已经完成装机容量指标 后，却在电能上网时受阻，风电场无法发挥全部产能，比预期少发电或者不发电， 不但造成项目效益差，而且浪费了大量资源。 大型风电机组并网发电是世界风能利用的主要形式，并网型风力发电机组的功 能是将风中的动能转换成机械能，再将机械能转换为电能，输送到电网中。对并网 型风力发电机组的基本要求是在当地风况、气候、和电网条件下能够长期安全运行， 取得最大的年发电量和最低的成本。目前大中型风电机组并网发电，已经成为我国 风能利用的主要形式1 。 1 3 我国风电发展的展望 风力发电在我国经历了2 0 年漫长的“试验期 后，风力发电的产业化曾经很艰 难，无论从市场占有率、在能源结构中的比重、发电设备制造水平等方面看，都表 现出严重不足。大大小小的风电场遍布全国，几乎各省都有，却并不由于“发电” 而受人关注，有的风电场甚至成为形象工程和观光景点，给地方带来的旅游效益超 过了发电收益。与先于我国丌发风能的丹麦、德国等发达国家相比，我国风电产业 的发展都显得滞后。一方面是由于市场的限制。另一方面，发电设备国产化水平低 也是风电产业化阻碍的因素之一。总之，我国的风电产业正遭遇“成本高一电价低 一市场小一投资少一相关产业滞后一科研投入不足一成本难以下降”恶性循环的瓶 颈0 j 。 为了摆脱我国风电产业遭遇的困境，2 0 0 6 年1 月起我国全面实施可再生能源法， 施行包括减免税收、优惠风力发电收购价格、贷款贴息及财政补贴等策略，推动风 力发电产业的发展，并且在可再生能源中长期发展规划提出，目前风力发电仍然存 在成本过高及对环境造成破坏等因素的制约，但为因应能源的耗竭及减少二氧化碳 排放量，风力发电仍是目前全球首选替代能源，我国应采取更为积极而有效的策略， 促进未来在风力发电产业的发展及新市场的开拓。 2 华北电力人学：l 程硕+ 学位论文 目前，发展大型风力发电机组的路线已经明确，风电设备国产化进程加快，国 产风机已经能够批量投入运行，风机的国产化率已经达n 8 5 7 ，降低了风电建设 成本和运营成本，上网电价下降到每千瓦时0 4 - 0 5 元。中国风力发电行业的发展 前景十分广阔，预计未来很长一段时间都将保持高速发展，同时盈利能力也将随着 技术的逐渐成熟稳步提升。随着中国风电装机的国产化和发电的规模化，风电成本 可望再降。因此风电开始成为越来越多投资者的逐金之地。风电场建设、并网发电、 风电设备制造等领域成为投资热点，市场前景看好。2 0 1 0 年全国累计风电装机容量 有望突破2 0 0 0 0 兆瓦，提前实现2 0 2 0 年的规划目标1 。1 刳。 1 4 风力发电系统并网运行的主要问题 近年来，我国风电发展速度较快，逐渐成为电网电源的重要组成部分，风力发 电对电力系统的影响不容忽视，尤其在局部电网中风力发电有可能成为主要电源， 这更对系统带来较大影响。因此本文主要讨论风力发电机并网运行问题。 ( 1 ) 风力发电机并网过程对电网的冲击。 传统的异步发电机的并网条件是发电机转子转向与定子旋转磁场转向一致并 且发电机转速应尽能接近同步速( 9 8 - 1 0 0 同步速) 。异步发电机直接并网时，没 有独立的励磁装置，并网前发电机本身没有电压，因此并网时必然伴随一个过渡过 程，流过5 - - - 6 倍额定电流的冲击电流，一般经过几百毫秒后转入稳态。冲击电流的 大小与其本身暂态电抗和并网时的电压高低有关，其有效值还与并网时的转差有 关。转差越大则交流暂态衰减时间就越长，并网时冲击电流有效值也就越大。风力 发电机组与大电网并联时，合闸瞬问的冲击电流对发电机及电网系统安全运行不会 有太大影响。但对小容量的电网而言，风电场并网瞬间将会造成电网电压的大幅度 下跌，从而影响接在同一电网上的其他电器设备的正常运行，甚至会响到整个电网 的稳定与安全。目前可以通过装设软起动装置和风机非同期并网来削弱冲击电流， 但同时给电网带来一定的谐波污染n 3 。7 1 。 而作为目前广泛应用的变速恒频双馈感应发电机，并网前用电压传感器分别检 测出电网和发电机电压的频率、幅值、相位和相序，通过双向变流器调节转子励磁 电流，使发电机输出电压与电网相应电压频率、幅值及相位一致，满足并网条件时 自动并网运行。从而消除了并网过程对电网的冲击。 ( 2 ) 风电场运行对电压的影响。 恒速并网风电机组一般采用感应发电机直接并网的运行方式，在机端配备有无 功补偿电容器组，以提供感应发电机在并网和运行时所需要的激磁无功。以前国内 风电场大多在电网的边缘即电网的薄弱点( 短路容量较小的点) 接网，风力的波动会 3 华北电力人学i ：程硕十学位论文 引起风机吸收无功的变化时，如果风电场容量较大，当系统电压水平降低时，无功 补偿量下降，同时由于起无功补偿作用的电容器组装设在机端，无功补偿量与接入 点的电压的平方成正比。此时风电场本身缺乏无功支持，而补偿无功又大大减少， 导致风电场对电网的无功净需求反而上升，进一步恶化电压水平，造成电压崩溃， 部分风电机组由于自身的低电压保护停机。风电机组停机后，风电场有功输出减少， 需求无功相应减少， 系统失去这部分无功负荷又容易导致电压水平偏高n 7 叫引。 变速并网风电机组能独立控制有功和无功，从而保持机端电压的相对稳定，会 显著改善局部电网的电压质量和电网的电压稳定性。 ( 3 ) 风电场运行对电网频率的影响。 风电作为可再生能源，在保证系统安全运行的条件下，电网应优先接受风电场 所能够发出的电能。但是由于风速的易变性和不确定性，在有些情况( 阵风) 下，风 速快速变化时，会导致某一地区的风电场有功功率在短时产生很大的变化，这对电 网频率的影响会比较显著，影响了电网的一些频率敏感负荷的正常工作。同时对电 网的稳定运行和调度是非常不利的。因此有必要限制风电场的有功功率变化率，以 利于电网的调度和稳定运行。由于目前国内风电场占系统总容量比例还比较低，因 此，频率稳定并不是电网稳定运行中的主要问题，但随着风力发电的快速发展，必 须对此问题引起足够的重视9 i 。 ( 4 ) 风电场对保护装置的影响 风电场与电网之间联络线的功率流向有时是双向的，这是因为在有风期间风力 发电机组都保持与电网相连，而当风速在起动风速附近变化时，允许风力发电机组 短时电动机运行，为了减少风电机组的频繁投切对接触器的损害。因此，风电场继 电保护装置的配置和整定应充分考虑到这种运行方式。异步发电机在发生近距离三 相短路故障时不能提供持续的故障电流，在不对称故障时提供的短路电流也非常有 限。因此风电场保护的技术困难是如何根据有限的故障电流来检测故障的发生，使 保护装置准确而快速的动作。另一方面，尽管风力发电提供的故障电流非常有限， 但也有可能会影响现有配电网络保护装置的正确运行，这在最初的配电网保护配置 和整定时是没有考虑到的比0 | 。 电网在运行中的扰动( 雷击，设备故障等) 时有发生。此时，电源保持与电网的 连接对于电网的稳定性是至关重要的。我国当前在运行的风电机组尚不具备低电压 穿越能力，在其电压低于最低运行电压时会因保护而切机。在风电比例较高的地区， 当电网发生故障时，大量的风电机组会因电压跌落而跳机，引起系统所需的有功功 率和无功功率不足，从而导致扰动后系统的稳定性更差，可能使单一故障发展为多 重故障，并有导致系统崩溃的风险瞳卜2 2 l 。 4 1 5 本文 ( 1 ) 也遵循一 基础。 ( 2 ) 结构、运 对比。 ( 3 ) ( 4 ) 策略。 ( 5 ) 旋转备用 本文 前开始使 华北电力火学j r 程硕十学位论文 第二章风力资源与风力发电机组 2 1 风能的资源及其分析 2 1 1 风能的特点 风能就是空气流动所产生的动能。 风能与其它能源相比，既有其明显的优点，又有其突出的局限性。风能具有四 大优点和三大弱点。 四大优点是：蕴量巨大、可以再生、分布广泛、没有污染。 三大弱点是： ( 1 ) 密度低。 这是风能的一个重要缺陷。由于风能来源于空气的流动，而空气的密度是很小 的，因此风力的能量密度也很小，只有水力的1 8 1 6 。从下表可以看出，在各种能 源中，风能的含能量是极低的，给其利用带来一定的困难。 ( 2 ) 不稳定。 由于气流瞬息万变，因此风的脉动、日变化、季变化以至年际的变化都十分明 显，波动很大，极不稳定。 ( 3 ) 地区差异大。 由于地形的影响，风力的地区差异非常明显。一个邻近的区域，有利地形下的 风力，往往是不利地形下的几倍甚至几十倍。 自然界中的j x l 能资源是极其巨大的。合理利用风能，既可减少环境污染，又可 减轻越来越大的能源短缺的压力心3 叫5 1 。 2 1 2 风能的分析与计算 风能资源在统计计算时，主要考虑风速和风功率密度。其中年平均风速是最直 观简单表示风能大小的指标。在近地层中风速随高度有显著的变化，研究风速随高 度的变化，可以帮助确定风电场中塔架的高佳高度，这对于风力发电机组的经济运 行非常有益。当大气结为中性时，风速随高度的变化服从普朗特经验公式： ( 2 一1 ) z 一乙 n k 6 = y 华北电力人学t 程硕士学位论文 f 旷2 恬 式中：y 一风速( m s ) ； k 一卡曼常数，其值为0 4 左右； y 一摩擦速度( m s ) ； p 一空气密度( k g m 3 ) ； 一地面剪应力( n m 2 ) ； z 一离地高度( m ) ； z o 一粗糙度( m ) ； 经推导可以得出幂定律公式： k ：k ( 每) a 么l 式中： 圪一在z 。高度的风速( m s ) ； 巧一在z l 高度的风速( m s ) ； a 一风切变指数； 风切变指数可由下式计算： 口：! 壁匕! 塑 l g ( z 。z 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 风功率密度指气流垂直通过单位面积的风能，它是表征地方风能资源多少的指 标。我国建设风电场时，一般要求当地在i o m 高处的风速在6 m s 左右，此时风功率 密度在2 0 0 2 5 0 w m 2 ，相当于风力发电机组满功率运行时间在2 0 0 0 2 5 0 0 d 、时，从 经济分析来看是有益的。另外选择风电场还需考虑该地区的盛行风向稳定、风电场 距电力网较近，以降低工程费用。 7 华北电力大学：l ：程硕十学位论文 2 。2 风力发电机 并网型风电系统的基本原理是：风力发电机( 简称风机) 利用叶轮旋转，从风中 吸收能量，将风能转化为机械能，叶轮通过一增速齿轮箱带动发电机旋转( 直驱式 风电系统无此环节) ，发电机再将机械能转化为电能，并入电网供用户使用。并网 型风电系统的风机一般为水平轴式，该风机在其桨叶正对风向时彳旋转，由偏航系 统根据风向控制风机迎风。变桨矩机组还需一套变桨矩系统，主要有液压型与电气 传动型两类，前者适合在大中型机组中应用，后者具有可靠性高和桨叶独立可调的 特点2 5 删。 随着计算机技术与先进的控制技术应用到风电领域，并网运行的风力发电控制 技术得到了较快发展，控制方式从基本单一的定桨距失速控制向变桨距和变速恒频 控制方向发展，甚至向智能型控制发展。 并网型风力发电机组可分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统。 2 2 1 恒速恒频风力发电系统 恒速恒频风力发电系统的基本结构，如图2 1 所示，自然风吹动风力机，经齿 轮箱升速后驱动异步发电机将风能转化为电能。目前国内外普遍使用的是水平轴、 上风向、定桨距( 或变桨距) 风力机，其有效风速范围为3 - - - 3 0 m s ，额定风速一般设 计为8 1 5 m s ，风力机的额定转速大约为2 0 一- - 3 0 r m i n 。 恒速恒频风力发电系统又包括定桨距失速调节型风力发电机组、变桨距调节型 风力发电机组和主动失速调节型风力发电机组。 飙力帆 图2 1 恒速恒频风力发电系统 定桨距是指桨叶与轮鼓的连接是固定的，桨距角固定不变，即当风速变化时， 桨叶的迎风角度不能随之变化。失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性，当风 速高于额定风速时，气流的攻角增大到失速条件，使桨叶的表面产生涡流，效率降 8 华北电力人学j ：程硕士学位论文 低，来限制发电机的功率输出。为了提高风电机组在低风速时的效率，通常采用双 速发电机( 即大d , 发电机) 。在低风速段运行时，采用小电机使桨叶具有较高的 气动效率，提高发电机的运行效率。 变桨距是指安装在轮毅上的叶片通过控制改变其桨距角的大小。其调节方法 为：当风电机组达到运行条件时，控制系统命令调节桨距角调至j 4 5 度，当转速达到 一定时，再调节n o 度，直到风力机达到额定转速并网发电；在运行过程中，当输 出功率小于额定功率时，桨距角保持在0 度位置不变，不作任调节；当发电机输出 功率达到额定功率以后，调节系统根据输出功率的变化调整桨距角的大小，使发电 机的输出功率保持在额定功率。变桨距调节的优点是桨叶受力较小，桨叶做的。桨 距角可以随风速的大小而进行自动调节，因而能够尽可能多的吸收风能转化为电 能，同时在高风速段保持功率平稳输出。缺点是结构比较复杂，故障率相对较高。 主动失速调节型风力发电机组将定桨距失速调节型与变桨距调节型两种风力 发电机组相结合，充分吸取了被动失速和桨距调节的优点，桨叶采用失速特性，调 节系统采用变桨距调节。在低风速时，将桨叶节距调节到可获取最大功率位置，桨 距角调整优化机组功率的输出；当风力机发出的功率超过额定功率后，桨叶节距主 动向失速方向调节，将功率调整在额定值以下，限制机组最大功率输出，随着风速 的不断变化，桨叶仅需要微调维持失速状态。制动刹车时，调节桨叶相当于气动刹 车，很大程度上减少了机械刹车对传动系统的冲击。主动失速调节型的优点是具备 了定桨距失速型的特点，并在此基础上进行变桨距调节，提高了机组的运行效率， 减弱了机械刹车对传动系统的冲击，控制较为容易，输出功率较平稳。 恒速恒频风力发电系统的基本是自然风吹动风力机，经齿轮箱升速后驱动异步 发电机将风能转化为电能。恒速恒频风力发电系统具有结构简单、成本低、过载能 力强以及运行可靠性高等优点，是过去几年主要的风力发电设备。但是在恒速恒频 风力发电系统中，一方面，风电机组直接与电网相耦合，风电的特性将直接对电网 产生影响，另一方面，其发电设备为异步发电机，它的运行需要无功电源的支持， 加重了电网的无功负担，使系统的潮流分布更加复杂。因此它的并网运行将给系统 的规划、设计和运行带来许多不同于常规能源发电的新问题，随着风力发电规模的 不断扩大，这些问题将愈加突出乜9 。3 引。 2 2 2 变速恒频风力发电系统 变速恒频风力发电机组实现了发电机转速与电网频率的解耦，降低了风力发电 与电网之间的相互影响。机组在叶片设计上采用了变桨距结构。其调节方法是：在 起动阶段，通过调节变桨距系统控制发电机转速，将发电机转速保持在同步转速附 近，寻找最佳并网时机然后平稳并网；在额定风速以下时，主要调节发电机反力转 9 华北电力人学i ：样硕士学位论文 矩使转速跟随风速变化，保持最佳叶尖速比以获得最大风能；在额定风速以上时， 采用变速与桨叶节距双重调节，通过变桨距系统调节限制风力机获取能量保证发电 机功率输出的稳定性，获取良好的动态特性，而变速调节主要用来响应快速变化的 风速，减轻桨距调节的频繁动作，提高传动系统的柔性。 变速恒频的优点是大范围内调节运行转速，适应因风速变化而引起的风力机功 率的变化，可以最大限度的吸收j x l 能，因而效率较高；控制系统采取的控制手段可 以较好的调节系统的有功功率、无功功率，但控制系统结构复杂、成本高、技术难 度大。但随着电力电子技术的发展，变速恒频风力发电技术也将进一步成熟。 变速恒频风力发电系统的发展依赖于大容量电力电子技术的成熟，从结构和运 行方面可分为直接驱动的同步发电机系统和双馈感应发电机系统，基本原理如图 2 2 风轮机直接驱动的同步发电机系统和图2 3 双馈感应发电机系统所示。 风力钒 图2 - 2 风轮机直接驱动的同步发电机系统 飙 图2 3 双馈感应发电机系统 双馈式感应发电机其转子为三相对称绕线式绕组，可以外接有源或无源设备与 装置，从而使发电机本身具有一定的控制能力。根据电机学原理，在三相对称绕组 中通入对称三相交流电，则将在电机气隙内产生旋转磁场，此旋转磁场的转速与所 通入的交流电的频率及电机极对数有关，如下式表示： 1 0 华北电力火学工程硕士学位论文 甩：盟 p ( 2 - 5 ) 式中：以，为三相交流电后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度， r m i n ；p 为双馈发电机的极对数；工为双馈异步发电机的转子三相对称绕组通入 的交流电频率； 由此可知，改变频率既可改变刀：，若改变通入转子三相电流的相序，还可以 改变此转子旋转磁场的方向。设为对应于电网频率为5 0 h z ( 彳= 5 0 h z ) 时异步发电机 的同步转速，而n 为异步发电机转子本身的旋转速度，只要维持刀= = 常数， 则异步发电机定子绕组的感应电势如同在同步发电机时一样，其频率将始终维持为 f 不变。异步发电机的转差率： 一万 j = 一 ，z l 则异步发电机转子三相绕组内通入的电流频率应为： ( 2 - 6 ) 厶= 等= 掣= 罢幸型= z s ( 2 - 7 ) 。 6 06 06 0儿 “ 在异步发电机转子以变化的速度旋转时，只要在转子的三相对称绕组中通入转 差( 加) 的电流，则在异步发电机的定子绕组中就能产生5 0 h z 的恒频电势。在实际运 行的双馈式感应风力发电机组中，转子绕组通过一个双向的变流装置与定子( 电网) 侧相连，通过转子绕组外加电压和输入电流的变化，达到控制发电机运行状态的目 的。 双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可有以下三种运行状态： ， ( 1 ) 亚同步运行状态，在这种运行状态下刀 ，1 ，改变通入转子绕组的频率为厶的 电流相序，则其所产生的旋转磁场的转速。的转向与转子的转向相反，因此有 刀一九，= 。为了实现的转向反向，在由亚同步运行向超同步运行时，转子三相绕 组必须能自动改变其相序；反之，也是一样。 ( 3 ) 同步运行状态，这种状态下，z = ，转差频率厶= 0 ，这表明此时通入转子绕 华北电力人学j 啊鼙硕+ 学位论文 组的电流的频率为0 ，也即是直流电流，因此与普通的同步发电机一样。 双馈感应发电机，不仅改善了风电机组的运行性能，而且大大降低了变频器的 容量，至今已逐渐发展成风力发电设备的主流。 由于双馈发电机要求的工作转速比较高，因此必须要将风轮的低转速通过多级 齿轮箱变为高转速，这样笨重的齿轮箱必然增加了系统的质量和体积，而且也是系 统故障的多发部件；双馈机型的双p w m 变流器虽然可以只承受系统1 3 的容量，但 要根据双馈电机4 种不同的工作状态采用不同的控制方法，控制系统比较复杂。目 前，双馈机型的容量一般在6 0 0 2 0 0 0k w 。为了使风力发电系统更加完善，风电机 组又有了新的趋势，即大型化和直驱化。 与双馈式相比，直驱式采用低速永磁同步发电机结构，无需齿轮箱，机械损耗 小，运行效率高，维护成本低，而成为风力发电的又一发展方向。变速恒频同步直 驱风力发电机的运行可分成两个主要方式：最大功率输出运行和额定功率输出运 行。在风机启动以及达到额定风速的过程中，风机在优化桨距角下定桨距变速运行， 这时控制变频器的输出功率来控制电机转矩，从而调节风机转速，使风轮转速保持 在最佳叶尖速比，实现系统追踪最佳功率曲线和最大风能捕获。当风机运行在额定 风速以上的环境中时，系统的变桨距机构丌始动作，调节风轮的受力，减小从风场 中吸收的机械能量，保持风机的转速不变，使风机的输出能量可以稳定地保持在额 定功率上，防止风机超过转速极限和功率极限而发生可能的事故。 在风力机直接驱动同步发电机构成的变速恒频发电系统中，风力机直接与发电 机相连，不需要齿轮箱升速，发电机的转速可以跟踪风速的变化，由于转速发生变 化必然导致发电机频率的变化，必须采用适当的控制手段( 如a c d c a c 或a c a c 变 频器) 来保证与电网同频率后并入电网川。 以上对各种风力机的运行原理和方式进行了介绍，下面重点针对异步发电机、 双馈发电机和同步发电机对电网运行的影响进行研究。 1 2 华北电力大学t 程硕十学位论文 第三章风力发电机组并网冲击电流的分析研究 随着风力发电机组单机容量的增大，在并网时对电网的冲击也越大，这可能引 起电力系统的电压大幅度下降，并可能对发电机及其部件造成损坏。 当发电机并网运行时需要满足一定的条件，即发电机电压与电网电压的相序、 频率、幅值和相位要分别相等。风力发电机组的并网也不例外。满足这些条件是为 了减小发电机与电网并网过程对发电机自身的冲击。如果是在理想情况下，满足这 些条件时发电机和电网之间没有交换功率，发电机实现空载上网。由于实际运行条 件的限制和需要，风力发电机组并不总是空载上网，因此需要研究在各种条件下的 并网过程。 3 1 异步风力发电机组的并网冲击电流 2 0 世纪8 0 年代以来，世界上大中型风力发电机组绝大多数采用异步发电机， 因为异步发电机对并网没有严格的频率、相角的要求， 容易并网，而且异步发电 机制造容易，其转子的机械强度高， 不怕飞逸，起动方便，易于自动控制等。 异步风力发电机不需要与其它电源连接，具有结构简单，制造和维护方便，运 行可靠，接入交流电网运行时，由于靠转差率来调整负荷，因此对机组的调速精度 要求不高，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时，就可并网。显 然，风力发电组配用异步发电机不仅控制装置简单，而且并网后也不会产生振荡和 失步，运行非常稳定。然而，异步风力发电机并网也存在一些特殊问题，如直接并 网时产生的过大冲击电流造成电压大幅度下降会对系统安全运行构成威胁；异步电 机本身不能提供激磁电流，需要从电网吸取无功励磁功率以建立磁场，使电网功率 因数变坏；过高的系统电压会使其磁路饱和，无功激磁电流大量增加，定子电流过 载，功率因数大大下降；不稳定系统的频率过于上升，会因同步转速上升而引起异 步发电机从发电状态变成电动状态，不稳定系统的频率的过大下降，又会使异步发 电机电流剧增而过载等等。所以运行时必须严格监视并采取相应的有效措施才能保 障风力发电机组的安全运行口2 。 异步风力发电机组采用的并网方式有： ( 1 ) 直接并网方式。 这种方式要求发电机转速接近同步转速时才可以并网。 当风速达到起动条件时，风力机起动，异步发电机被带到同步速附近( 9 8 ) 时 合闸并网。由于发电机并网时本身无电压，故并网时必将伴随一个过渡过程，流过 5 7 倍额定电流的冲击电流，甚至1 0 倍。对于小容量的电网系统，并网瞬间会引 1 3 华北电力人学：j ：稃硕+ 学位论文 起电网电压大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其它电气设备的正常运行，甚 至会影响到小电网系统的稳定与安全。 风力异步发电机直接并网时的电流波形如图3 - 1 所示。通过对直接并网波形的 分析可知，电机并入电网后第一个工频周期内冲击电流达到峰值，其冲击电流达到 额定电流的6 倍，异步发电机在达到同步速时并入电网，冲击电流经过0 2 s 达到稳 态值。 冬 纛 砻 m $ 图3 - 1 直接并网电流波形 ( 2 ) 准同步并网方式。 当异步风力发电机直接并网所引起的电流过大，影响到系统的安全与稳定运行 时，可以采用准同步并网方式。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，先太原理工大学硕士研究生学位论文用电容励磁，建立额定电压，然后 对已励磁建立的发电机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。采用这种方式，若按传统的步 骤将整步到同步并网，则仍需要高精度的调速器和整步、同期设备，不仅要增加机 组的造价，而且从整步到准同步并网所需费的时间很长，这是我们所不希望的。该 并网方式合闸瞬间尽管冲击电流很小，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。 ( 3 ) 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。该技术可不丢失同期机，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，非常适合于风力发电机组的准 同步并网操作。 1 4 华北电力人学i ：科硕十学位论文 ( 4 ) 软并网( s o f t c u t - i n ) 技术 采用双向晶闸管的软并网技术，如图3 2 所示，可以得到一个平稳的并网过渡 过程，而不会出现冲击电流，使并网冲击电流控制在( 1 2 5 - - 2 ) 倍的额定电流以内， 因此可以大大降低并网时的冲击，增加风电机组的使用寿命和可靠性。目前大型的 异步并网风力发电机组均采用这种并网工作方式。 图3 2 软并网系统的主回路结构 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 这种连接方式的工作过程为：当风轮带动的异步发电机的转速接近同步转速 时，与电网直接相连的每一相的双向晶闸管的控制角在1 8 0 度与o 度之间逐渐同步打 开；作为每相无触点开关的双向晶闸管的导通角也同时由0 度与1 8 0 度之间逐渐同步 增大。在双向晶闸管的导通角阶段开始( 即异步发电机转速小于同步转速阶段) ，异 步发电机作为电动机运行，随着转速的升高，其转差率逐渐趋于零。当转差率为零 时，双向晶闸管已全部导通，并不会出现冲击电流。但软切入装置必须采用能承受 高反压大电流的双向晶闸管，价格较贵，其功率又不能做得太大，因此适用于中型 风力发电机组。 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 这种连接方式工作如下：当风轮带动的异步发电机起动或转速接近同步转速 时，与电网相连的每一相双向晶闸管( 晶闸管的两端与自动并网常丌触点相并联) 的 控制角在1 8 0 度与o 度之问逐渐同步打丌；作为每相无触点丌关的双向晶闸管的导通 角也同时由o 度与1 8 0 度之间同步增大。此时自动并网丌关尚未动作，发电机通过双 向晶闸管平稳地进入电网。在双向晶闸管导通阶段开始( 即异步发电机转速小于同 步转速阶段) ，异步发电机作为电动机运行，随着转速的升高，其转差率逐渐趋于 零。当转差率为零时，双向晶闸管己全导通，这时自动并网开关动作，常歼触点闭 合，于是短接了己全部开通的双向晶闸管。发电机输出功率后，双向晶闸管的触发 1 5 华北电力大学- i ：稃硕十学位论文 脉冲自动关闭，发电机输出电流不再经双向晶闸管而是通过己闭合的自动开关触点 流向电网。 这两种方法是目前风力发电机组的普遍采用的并网方式，其共同特点是：可以 得到一个平稳的并网过渡过程而不会出现冲击电流。不过第一种方式所选用高反压 双向晶闸管的电流允许值比第二种方式的要大得多。这是因为前者的工作电流要考 虑能通过发电机的额定值；而后者只要通过略高于发电机空载时的电流就可满足要 求。但需采用目动并网开关，控制回路也略为复杂。 双相晶闸管控制系统进行仿真的仿真模型一般如图3 - 3 和图3 4 所示。 a a i l a - 六遘 - - _ - b b i b 赃 - - - 一 c c 1 虱 - c 弋广 - - - 呻 三相交流u i c t mm 调胝器i _ l 副 i m t l i p a l p h a - tr 渊节卜 1 1 a1 1 a j 7 【”i 7 ：l k s ：l ： b软并网控制器 c 二相i u 源川步脉冲发生器 图3 3 软并网仿真模型 限幅 磬滢? 箭、。i n 2o u t 2 “i p l i 肺 厂 广i ，1 盎d l ，6 甩x d 洲 电压初始蛾 一 n 能姓坳4 _ 一 电i i ；汲馈 一 图3 - 4 软并网闭环控制仿真模型 图3 - 5 为软并网时的电流波形，图3 - 6 为软并网时的电压有效值波形， 为软并网时的转子转速波形。 1 6 图3 - 7 毒 华北电力人学t 程硕十学位论文 5 0 0 图3 5 软并网电流波形 l 朔一 l s s o 图3 _ 6 软并网电压有效值波彤 w 自1 。- 。- _ _ _ _ 一_ _ h _ - - _ - _ - _ _ _ _ m * * 。 - - - - - _ _ - _ - - - - - - _ - _ 。_ 。_ - _ _ _ 一 于l 渤_ 。 囊1 4 s o ! 磊l 删 绷j 3 5 0 饕1 3 0 0 ； 1 2 5 0 ， 豫0 j i 一0 i 2 方。3 0 i 毒”如7 磊名0 ：7o、i。2移。，辱o 。s 移6。 薹，气 图3 7 软并网转予转速波形 可以看出，软并网过程的持续时间较短，经过0 4 s 左右电流即可达到稳态值， 而电机定子电压从给定值逐步升至额定全压，且系统具有较好的稳定性。 1 7 麓磁豁_ 华北电力人学t 程硕十学位论文 3 2 双馈电机 交流励磁双馈电机变速恒频风力发电系统中，发电机与电网之间是一种柔性连 接关系，通过对发电机转子电流的控制，就可在变速运行中的任何转速下满足并网 条件，实现成功并网，这是此类新型发电方式的优势所在。双馈电机并网条件是定 子电压和电网电压在幅值、频率及相位上相同，因而并网之前应对定子电压进行调 节。 交流励磁双馈电机一般有以下并网方式： 3 2 1 空载并网 空载并网方式结构如图3 - 9 所示，其思路为：并网前将d f i g 空载，调节d f i g 的定 子空载电压，使其与电网电压在幅值、频率及相位上相一致。根据交流励磁双馈电 机矢量控制原理，文献 8 提出了一种基于定子磁场定向转子电流开环的电压控制 略，给出了图3 - 9 所示的定子电压控制框图。 图3 - 9 空载并网方式 这种策略很好地实现了定子电压控制，其原理清晰，实现简单，是一种较为理 想的实现方案。在并网过程中，定子的冲击电流很小，转子电流也能够稳定过渡， 实现了变速恒频双馈发电机组顺利并网。并网之后，系统切换到调速控制，调速性 能良好。 3 2 2 独立负载并网 独立负载并网方式如图3 - 1 0 所示，其基本思路为：并网前d f i g 带负载运行，根 据电网信息和定子电压、电流对d f i g 进行控制，在满足并网条件时进行并网。独立 负载并网方式的特点是并网- f i l f d f i g 已经带有独立负载，定子有电流，因此并网控制 所需要的信息不仅取自于电网侧，同时还取自于d f i g 定子侧。 1 8 华北电力人学i ：程硕士学位论文 图3 1 0 独立负载并网方式 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。 3 2 3 “孤岛 并网 “孤岛”并网如图3 1 1 所示，分3 个阶段： ( 1 )