风力发电专业技术1.doc

风力发电系统的分类与拓扑结构 风力发电系统首先可以分为两类：独立型风力发电系统和并网型风力发电系统。 1. 独立型风力发电系统 通常独立型风力发电规模较小，单机容量一般为 10kW 及以下，通过蓄电池等储能装置或与其它能源发电技术相结合，用以解决偏远地区的供电问题。并网型风力发电：指接入电力系统运行且规模较大的风力发电场。单机容量一般在数百kW 及 MW。并网运行的风力发电场可以得到大电网的补偿和支撑，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，是当今世界利用风能的主要方式。 小型风力发电系统经常与其他能源混合发电，又可称之为“混合电力系统”。 1) 一种是传统的直流混合系统，如图 6 所示。小型风力机输出的交流频率和电压可变的交流电，经过整流后输送到电池组电压等级的直流母线。能量存储在电池中或通过逆变器转换成交流提供给负荷。电池组被用来平滑风力机的功率波动，存储有风时产生的能量以备不时之需。另一种是交流母线为主体的小发电系统。光伏和风力发电系统通过专用快速逆变器接入交流电网。独立运行的风力发电系统特点：结构简单，规模小，但只能向独立的小用户提供电力。2. 并网型风力发电系统 并网型风力发电系统可分为恒速（A 型）、有限变速（B型）、变速含部分功率变频器（C型）以及变速全功率变频器（D 型） 。 与传统的恒速恒频风力发电系统相比，变速恒频系统具有如下优点：（1）风能转换效率高。变速运行风力机以最佳叶尖速比、最大功率点运行，提高了风力机的运行效率，与恒速恒频风电系统相比，理论上年发电量一般可提高20以上。变速运行的风力机不但年运行小时数较高，而且输出功率上限也比恒速运行的风力机要高。 （2）采用变速恒频发电技术，可使发电机组与电网系统之间实现良好的柔性连接，当风速跃升时，能吸收阵风能量，把能量储存在机械惯性中，减少阵风冲击对风力机带来的疲劳损坏，减少机械应力和转子脉动，延长风力机寿命。当风速下降时，高速运转的风轮能量便释放出来变为电能送给电网。（3）通过矢量控制调节励磁，可以实现发电机输出有功功率和无功功率的独立调节。在实现最大风能捕获的同时，还可以调节电网功率因数，提高了电力系统的动静态性能和稳定性。由于采用了交流励磁，变速恒频发电方式可以实现发电机和电力系统的柔性连接，并网相对容易而且并网运行后一般不会发生失步。（4）采用变速恒频发电技术，可使变桨距调节简单化。变速运行放宽了对桨距控制响应速度的要求。在低风速时，桨距角固定；在高风速时，调节桨距角限制最大输出功率。（5）较宽的转速运行范围，以适应由于风速变化引起的风力机转速的变化。采用先进的PWM技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。双馈电机可通过调节转子励磁电流实现软并网，避免并网时发生的电流冲击和过大的电压波动。1) A 型：恒速 此类型主要指鼠笼式感应发电机（SCIG）通过变压器直接连接电网的恒速风机，如图 8 所示，双绕组风机也可归于此类。因为鼠笼式感应电机需要从电网吸收无功功率，所以此类型风力机使用电容器组进行无功功率补偿，使用软启动器可以获得平稳的电网电压。此类型的缺点是不支持速度控制，需要刚性电网支持，机械承受应力大。该类型还具体包括三种类型： （1） 失速控制型。该机型在上世纪 8090 年代被许多丹麦风力机制造商采用。特点：简单、坚固、耐用。不能实现辅助启动，无法控制风力机的功率。 （2） 桨距控制型。优点是可控功率，可控启动和紧急停车。缺点：高风速时很小的风俗变化也会导致很大的输出功率波动。桨叶调节能补偿份额的缓慢变化，但阵风情况不能补偿。 （3） 主动失速控制型。低风速时桨叶调节类似于桨距控制型风力机，高风速时、使桨叶进入深度失速状态。优点：能够获得更平稳的有限功率，不会出现桨距控制型风力机的高功率波动。 2) B型：有限变速 指可变转子电阻的有限变速风力机，如图 9 所示。 OptiSlipTM， 该技术是 Vestas公司在20 世纪90 年代中期开始使用。使用绕线感应发电机（WRIG）直接并网；同样需要电容器组进行无功功率补偿，使用软起动器并网。由于转子电阻可变使得转差率可变，因此系统的功率输出史克栋，可变转子电阻的大小决定动态速度控制的范围。 3) C型：变速含部分功率变频器 此类型主要指双馈式感应发电机（DFIG） ，如图10 所示。是含绕线转子感应发电机（WRIG）和转子电路中部分功率变频器（额定值约为标称发电机功率的30%）。双馈发电机结构类似于三相绕线式异步感应电机，具有定、转子两套绕组，定子绕组并网，转子绕组外接三相转差频率变频器实现交流励磁。部分功率变频器用来进行无功功率补偿。双馈发电机是指，在控制中发电机的定、转子都参与了励磁，并且定、转子两侧都有能量的馈送。 优点：1 允许发电机在同步速上下30%范围内运行，转子励磁调频。 2 简化调整转置，提高运行效率。变频器仅需对转子功率进行变频控制，而转子功率约为总功率的20 %30 %，故变频器功率小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小 3良好的稳定性及转速适应能力：在定子电源频率一定时，通过改变转子励磁频率就可以实现对转速的调节，发电机的运行转速既可高于同步转速，也可低于同步转速，有利于系统最大限度捕获风能。 4变频控制灵活，具有良好的调节特性：通过调节转子绕组的频率、相位、幅值和相序，可以较为方便、平滑地控制发电机有功、无功、功率因数等，使其具有良好的动态和暂态特性，实现有功和无功的解耦控制缺点：1 必须用齿轮箱，维护不方便，噪声污染 2需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，维护成本高； 3 电机转子有集电环、电刷、且须定期维护、检修或更换。4) D 型：变速全功率变频器型 此类型主要指发电机通过全功率变频器并网的全变速风力机。发电机主要有绕线转子同步风力发电机（WRSG）或永磁同步发电机（PMSG） ，结构图如图 11 所示。其中一些全变速风力发电机系统省去了齿轮箱，此时需要直驱多级发电机，其直径较大。 直驱式永磁同步发电机根据全功率变流器的不同又可分为： （1） 不可控整流+DC/DC 升压+PWM 电压源型逆变器型 DC/DC 环节将整流器输出的直流电压提高并保持稳定在合适的范围内，使得逆变器的输入电压稳定，增大了逆变器的调制深度范围、提高运行效率、减小谐波。同时，boost 电路还可以控制永磁发电机转矩和转速，提高了性价比。 （2）背靠背双PWM 变流器型 电机侧变流器通过调节定子侧的 d 轴，可以控制发电机的无功功率为零;调节q 轴电流，可以控制发电机的电磁转矩和转速，使转速跟踪参考转速，保持风力机处于最佳叶尖速比，在额定风速以下捕获最大风能:电网侧变流器可以维持直流侧电压恒定，通过调节网侧的 d 轴和q 轴电流，可以对网侧变流器输