风力发电并网

风力发电技术 一 风力发电系统的优势 现状及前景二 风力发电系统的原理方法及分类三 风力发电并网简介 风力发电系统的优势 现状及前景 1 风力发电的优势a 安全 清结 无污染 基本不破坏人类的生活环境 同时缓解诸如传统能源日益紧缺等问题风力发电使人类向文明又迈进了一步 b 风能作为一种清洁的可再生能源 越来越受到世界各国的重视 其蕴量巨大 全球的风能约为2 74 109MW 其中可利用的风能为2 107MW 比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍 中国风能储量很大 分布面广 仅陆地上的风能储量就有约2 53亿千瓦 c 我国风力资源丰富 具有开发风力发电的巨大潜力 d 可再生 清洁无污染 常规的石化能源是有限的 而风能几乎是取之不尽 用之不竭 e 建设工期短 自动化程度高 风力发电机组及其辅助设备具有模块化的特点 设计和安装简单 单台风力发电机组的运输和安装时间仅需几个星期 可多台同时安装 互不干扰 且安装一台即可投产一台 f 技术逐渐成熟 发电成本降低 据欧洲风能协会2004年统计 8 风力发电机组单位kW的造价已经降到900欧元 单位发电成本为3 5欧分 kWh 2 风力发电的现状 利用风能发电始于19世纪末 到上世纪80年代通过建立大型风力发电场来大规模利用风能 风力发电运行技术及并网研究也得到较大发展 自90年代以来 风力发电容量以每年平均22 的速度增长 近五年的增长速度为35 50 在各种发电方式中风力发电量增长速度居于首位 下图是世界风力发电装机总容量的发展趋势图 可以看出 风力发电装机总容量在1999年后上升很快 总装机容量每年都在20 以上的速度增长 2004年年底达47 317GW 世界风力发电装机总容量的发展趋势图 与此同时 风力发电在全球总发电量中所占的份额也在不断增加 欧洲风能协会制定的风能发展计划中预计到2020年风力发电占到全球发电总量的11 81 风力发电在一些风能资源利用较好的国家 如丹麦和德国 已经占到总发电量的10 和5 3 2002年 欧洲风力发电已占总发电量的2 到2002年底 全世界并网运行的风力发电装机容量达到31127MW 2003年已达到全球发电总量的0 49 3 风力发电系统的发展随着科技的发展及电力电子技术的房展和现代控制技术的引入 人们对风力发电系统存在的问题提出了很多改进方法 将模糊控制理论 变结构控制与鲁棒控制 自适应PID控制 神经网络理论等各种各样的控制理论引入了风力发电系统 从而大大优化了发电机组的性能 而随着并网机组需求持续增长 生产量上升 机组更新换代 单机容量提高 机组性能优化 故障降低 生产成本会越来越低 风电必将具备与常规能源竞争的能力 风力发电系统的原理方法及分类 风力发电的利用方式主要有二 一类是独立运行的供电系统 单机容量一般为0 1 10KW 另一类是作为常规电网电源 商业化机组单机容量主要为150 2000Kw 其中 大功率风电机组并网发电是高效大规模利用风能最经济的方式 已成为当今世界风力利用的主要形式 风力发电流程是 自然风吹转叶轮 带动轮毂转动 将风能转变为机械能 然后通过传动结构将机械能送至发电机转子 带动转子旋转发电 实现由机械能向电能的转换 最后风力发电场将电能通过区域变电站注入电网 其能量转换过程是 风能 机械能 电能 就目前应用范围来讲 风力发电机组一般按调节方式和运行方式可以分为恒速恒频 变速恒频两种类型 恒速恒频风力发电机组在额定转速附近运行 滑差变化范围很小 发电机输出频率变化也很小 所以称为恒速恒频风力发电机组 变速恒频方式通过控制发电机的转速 能使风力机的叶尖速比 tipspeedratio 接近最佳值 从而最大限度的利用风能 提高风力机的运行效率 恒速恒频和变速恒频风力发电系统的基本结构如下图 单就风力机的调节方式而言 风力发电系统又分为 定桨距失速调节型和变桨距调节型两种 定桨距变桨距 定桨距风力机与变桨距风力机输出功率曲线 常用的几种风力发电类型1 恒速恒频定桨距失速型 限制速度的方法 定桨距是指叶片被固定安装在轮毅上 其桨距角 叶片上某一点的弦线与转子平面间的夹角 固定不变 失速型是指桨叶翼型本身所具有的失速特性 当风速高于额定值时 气流的攻角增大到失速条件 使桨叶的表面产生涡流 效率降低 以达到限制转速和输出功率的目的 恒速恒频定桨距型的工作状态1 待机 风速高于3m s 但不足以将风电机组拖动到切入的转速 此时风力机处于自由转动状态2 发电并网 当风速继续升高 达到4m s时 风电机组起动到某一设定转速 此时发电机按控制程序被自动地联入电网3 停机状态 风速进一步升高 超过风电机组安全运行的风速范围 则达发电机脱网 执行停机动作 从定桨距失速型风电机组的功率曲线图中 我们可以看到 定桨距风力发电机组在风速达到额定值以前就开始失速 到额定点时的功率系数已经相当小了 调整桨叶的节距角 只是改变桨叶对气流的失速点 节距角越小 气流对桨叶的失速点越高 其最大输出功率也越高 故而定桨距风力机在不同的空气密度下需要调整桨叶的安装角度 2 恒速恒频变桨距型变桨距是指安装在轮毂上的叶片通过控制可以改变其桨距角的大小 变桨距系统是大型风电机组控制系统的核心部分之一 对机组安全 稳定 高效的运行具有十分重要的作用 稳定的变桨距控制已经成为当前大型风力发电机组控制技术研究的热点和难点之一 恒速恒频变桨距风力发电机 风机的偏航装置偏航装置的作用是在外界风向发生变化时能够使风轮对准风向 以尽可能高效的吸取能量 为此设有偏航驱动机构以保持机舱的方向 使桨叶的回转轴能够与风向保持一致 风向传感器由风向标和角度电信号转换器构成 风向标和风速仪都安装在风力发电机机舱的尾部 固定在风向标支架上 引线通过支架得铁管连接在机舱控制柜得模板上 恒速恒频变桨距调速方式 一是使风轮偏离主风向 二利用气动阻力 三是改变桨叶的桨距角 见下图 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绿率后 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 变速恒频型变速恒频风力发电系统具有以下共同的优点 1 最大限度的捕捉风能 2 较宽转速运行范围 以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化 3 采用一定的控制策略 如矢量PWM 可灵活调节系统的有功和无功功率 对电网而言这种系统可起到功率因数补偿的作用 4 采用先进的PWM控制技术 可抑制谐波 减小开关损耗 提高效率降低成本 变速恒频风力发电种类 1 交一直一交风力发电系统 在此系统中可以采用的发电机有同步发电机 笼型异步发电机 绕线式异步发电机和永磁发电机 2 交流励磁双馈发电机系统 3 无刷双馈风力发电系统 4 开关磁阻发电机系统 几种变速恒频方案的比较 E t时间内叶轮吸收的风能 Ein t时间内通过叶轮旋转面的全部风能 Pm 单位时间内叶轮吸收且转换的机械能 即风力机的机械输出功率Pw 单位时间内通过叶轮扫掠面的风能 即风力机的输入功率 对一台实际的风力机 其捕获风能转变为机械输出功率P的表达式 式中 P为风轮输出的功率 Cp 为风轮的功率系数 A为风轮扫掠面积 为空气密度 V 为风速 R为风轮半径 由空气动力学方面的知识可知 风力机的功率总是小于1的 系数Cp反映了风力机吸收利用风能的效率 是一个与风速 叶轮转速 叶轮直径均有关系的量 风力机的特性通常用风能利用系数Cp一叶尖速比 曲线来表示 如图所示 不同节距角p时 风能利用系数Cp对应的叶尖速比 不同 叶尖速比 R 为叶轮半径 m m 风力机的机械转速 rad s V 作用于风力机的迎面风速 m s 从风力机的运行原理可知 变速恒频要求风力机的转速正比于风速并保持一个恒定的最佳叶尖速比 从而使风力机的风能利用系数Cp保持最大值不变 风力发电机组输出最大的功率 最大限度的利用风能 提高风力机的运行效率 风力发电并网简介 风力发电网并网存在的问题1 风力发电机并网过程对电网的冲击2 风电场运行对电能质量的影响3 对保护装置的影响4 风电场运行对电网频率的影响5 风电场对电力系统运行成本的影响 风力发电并网系统总方案 逆变总电路拓扑结构 逆变器主电路选用全桥式结构 逆变输出交流电经滤波后并入电网 控制技术采用正弦脉宽调制方式 SPWM 主电路采用全桥式逆变 输出滤波器为T型结构 经滤波整形后直接并入电网 主电路如图所示 主电路工作状态 采用SPWM调制 各功率开关管IGBT的控制规律 1 在正半周期 让S1一直保持导通 而让S4交替通断 2 在负半周期 让功率管S3保持导通 S2交替通断 控制IGBT通断时序的SPWM波产生方法如下图所示 载波Uc在调制信号波Ur的正半周为正极性的三角波 在负半周为负极性的三角波 调制信号Ur为正弦波 在Ur和Uc的交点时刻控制功率管S2或S4的通断 风力发电系统的并网种类 1 软并网异步风力发电机组软并网控制系统的总体结构主要由触发电路 反并联可控硅电路和异步发电机组成 软并网控制系统结构如图 2 直接并网 直接并网过程 风速达到启动条件时风力机启动 异步发电机被带到同步速附近 一般为98 100 时合闸 由于发电机并网时本身无电压 故并网时有一个过度过程流过5 6倍额定电流的冲剂电流 一般零点几秒后即可进入稳态 与大电网并联时 合闸瞬间冲击电流对发电机及大电网系统的安全运行影响不大 对小容量的电网系统 并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌 而影响接在同一电网上的其他电气设备 甚至是小电网的安全 3 准同期式并网交流励磁变速恒频DFIG风力发电系统空载运行方式结构框图如下图所示 并网前将DFIG定子侧空载 调节DFIG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 4 降压并网方式 并网过程 并网前 在异步发电机与电网之间串联电阻或者电抗器或者接入自耦变压器 已达到减低并网瞬间冲击电流值货电网电压下降的幅值 并网后短接 避免耗能 风力发电软并网方式 软并网方式分两种 无旁路接触器的连接和含旁路接触器的连接 晶闸管电路正常工作的基本条件 软并网控制系统要为三相反并联晶闸管提供触发脉冲信号 这些信号间存在严格的相位关系 因此需提供一个准确的同步信号 其触发矩阵 Ug TG 晶闸管用用于软并网方式的优点 晶闸管用于软并网装置的优点有 晶闸管导通压降小 解决了器件的功率损耗和发热问题 晶闸管用于软并网装置可消除电流浪涌冲击与峰值转矩冲击 晶闸管相当于无触点软开关 不存在接触不良与磨损 粘着 弹跳等问题 晶闸管导通角连续可调 无需辅助换流装置 软并网过程平稳 限流可靠 目前可控硅软并网方法是目前异步风力发电机组普遍采用的并网方法 问题 能否实现风光互补技术 即光伏和风力联合发电并网 风力发电装机容量大但实际发电量低 效率低 粗调与微调相结合故障检修 工作量大1 500个风机 现场怎么并网 每一台并网方式是否是一样 控制方式 变速恒频 恒速恒频 2 风力发电并网逆变器与太阳能到底有什么差别 功能上等3 防止冲击 用电阻和电抗器有什么差别 容量大小选择与那些因素有关 1 李文朝 并网型风电机组软并网控制系统研究2006 3 2 龚立秋 异步风力发电机组软并网控制系统的研究 2009 6 3 冯国雨 风力发电并网逆变控制系统研究 2009 5 4 伍小杰 异步风力发电机软并2003网过渡过程研究 2005 8 5 计催 大型风力发电场并网接入运行问题综述 2008 1 6 卞松江 变速恒频风力发电关键技术研究