风力发电及相关技术综述2---_图文

1、风力发电及相关技术综述风力发电及相关技术综述魏伟1,许胜辉2(1.华中科技大学电气与电子工程学院,武汉430074;2.武汉职业技术学院电信系,武汉430ar74摘要:改善能源结构,发展新的可再生能源,减轻对环境的污染,提高电能质量,己成为我 国能源工业关注的一个热点。风能不仅是目前最有开发利用前景的一种新能源,而且是应用技 术最成熟曲可再生能源,随着风能的开发和利用,风力发电相关技术也取得了显著的进步,并 逐渐成为能源技术中的一个重要分支。文中主要研究当前风能发电系统与相关工程技术问题。 关键词:风能发电系统;风能开发;并网变流器;电流谐波A Re、,iew about Rela吐ve Te

2、chnolo留Used in Wind Po骶r G毛耻髓6仰syst哪WEI Weil,XU Shenghuf(1.Sch00l of ElectIical&ElecnDnic Eng,Huazhong Univers时of Science aIld Technology,Wuhan 430074; 2.Depanment of telecom Engineering,WuhaIl Institute of Technology.wuhaIl 430074,ChinaABSTRACT:It is a focus of attention of tIle world 9nergy in

3、dustry for improVing tlle energr stmcture, utilization of renewable eneFgr, reducing en、,im砌ental pouution aIld improving power quality.Wind en ergyis one of tlle new aIld renewable resources mat have t|le most faVorable deVel叩ment plDspect aIld ex ploitation technologies are most advanced at tlle p

4、resent time.Wi山tlle deVelopment of tlle exploitation aIld utilization of wind energy,willd energy techn0109y also have marl【ed progress, alld become an em .br蛐chment 0f enelgy tecllIlology.111is p印er maillly study tlle relative tecllIlologr used in诚nd power gene枷onsystem.0引 言进入21世纪以来,随着人口的迅速膨胀以及 经济的

5、高速发展电力供需矛盾日趋突出,能源问 题和环境问题已成为当今世界各国面临的重大问 题。开发新能源和发展可再生能源,实现经济可 持续发展,已成为人类社会的共识n。3。风能作为 一种可再生能源,其资源极其丰富。据专家估计, 全世界风能资源总量约为每年2万亿kw,也就是 说,仅l%的地面风力就能满足全世界对能源的需 求。由于风力发电技术的不断发展,近10年来风收稿日期:2008-041l一54一 力发电的成本呈现快速下降的趋势,日趋接近燃 煤发电的成本,因此风力发电越来越受到世界各 国的重视,且发展风电具有显著的环保效益。丹 麦的研究表明,用风电代替煤电是减少CO:排放 的最廉价的措施之一。综合资源

6、、技术、经济、 环保等因素,大规模发展风力发电,是解决我国 能源和电力短缺最现实的战略选择。1世界风电的发展近几年来,风力发电的发展不断超越其预期 的发展速度。在过去5年中,全球风电累计装机容 量的平均增长率一直保持在33%,而每年新增风第14届微特电机及控制学术年会论文集电装机容量的增长率则更高,平均为35.7%,到 2003年底,全球风力发电装机容量达到4000万千 瓦,其总量相当于40座标准核电站的发电量总和, 足以供应l 600万欧洲普通家庭或4000万欧洲居 民的电力需求。目前,世界风能发电大部分集中 在欧洲和美国,其中欧洲占全世界风电装机容量 的74%,其他地区也在崛起。目前约有5

7、0个国家 加入风力发电的行列4“。世界风电市场的增长情 况见表1。表l 19972002年世界风电市场的增长情况年度从表l可见,风电成为世界上增长最陕的能源。 到2002年底,全世界并网运行的风力发电装机容量 达到31.128Gw,是1996年装机容量的5倍;其中 欧洲装机23.291Gw,美国4.685Gw,其它地区 3.151Gw;风电装机较多的国家是:德国 12.001Gw,西班牙4.830Gw,美国4.585Gw,丹 麦2.880GW和印度1.702Gw,中国477MW(其中 包括台湾省9MW。截止2003年,世界主要风电 国家的装机容量见表2。表22003年世界主要风电国家装机容量情

8、况从表2可见,世界90%的风电市场份额集中 在欧洲和美国。2001年德国、美国和西班牙风电 均超过1GW,2002年德国达到3GW,西班牙接 近1.5Gw,丹麦、美国超过400Mw,目前风电 市场的价值约为6.8×1012欧元。欧洲风能协会和 绿色和平组织期望并预测2020年全球的风力发电 装机容量将达到12.3亿kw,这是2002年世界风 电装机容量的38.4倍,约为中国当前装机容量的 3.3倍,每年装机容量将达到1.5亿kw,风力发 电容量将占全球发电总量的12%。“风力12%”的 蓝图,展示出风力发电已经成为解决世界能源问 题不可缺的重要力量。风力发电不再是一种可有 可无的补充

9、能源,已经成为最具有商业化发展前 景的成熟技术和新兴产业,未来有可能成为世界 最重要的替代能源。2我国风电发展状况我国的风能资源十分丰富"。101。据中国气象 科学研究院估算,全国平均风能密度为100w/m2, lO m高层的风能资源总储量为32.68亿千瓦,其 中实际可开发利用的陆地风能资源量为2.53亿千 瓦一o。自1986年5月山东荣成建成我国第1个并 网型风电场开始,到2003年底,中国已经在14个 省、自治区建立了40个风电场,安装的风电机组 累计1061台,总装机容量达到568.4l Mw,约占 中国电力总装机量的o.15%,约占世界风电总装 机容量的1.4%。19912

10、003年全国风电每年新增 装机容量和累计装机容量如图1。120呈100面80垫60套媒40蹇20风力发电及相关技术综述上,已经成为国际主流机型的MW级机组与并网 设备在我国尚处研制阶段,目前大型风机与相关 设备只能依赖进口或与外商合作生产。3风力发电并网方式通常风力发电的可利用风速为320n/s,按 照与风轮机相连接的发电机转速是否恒定,风力 发电可分为恒转速运行与变速运行2种方式;按照 发电机的结构不同,大致可分为交流异步发电机、 交流同步发电机和交流双馈发电机几种型式的风 力发电并网系统11。13f。图2利用交流异步发电机的风力并网发电系统 图2为早期采用交流异步发电机的典型风力发 电并网

11、系统,交流异步发电机结构相对简单,发 出的工频交流电可直接使用或经变压器输入电网。 在多数情况下,异步风力发电机以恒定转速运行; 绕线式异步电机可以通过接人转子的可变电阻来 实现低频励磁调节以此来控制转矩大小,也可以 变速运行。因为要从电网吸收能量以获取励磁电 流,所以异步电机风力发电系统一般不能脱离电 网单独运行,除非用某种方式获得励磁。异步电 机风力发电并网时通过晶闸管控制的软并网装置 接人电网,在同步转速附近合闸并网,因此冲击 电流较大,另外需要增加电容无功补偿装置。图3采用交流同步发电机的典型风力发电并网系统 图3为采用交流同步发电机的典刑风力发电并 网系统。早期的同步风力发电系统不论

12、发电机的 转矩(风轮机的阻转矩如何变化,要求发电机的 转速应恒定不变,否则发电机将与电网列解。为 一56一 此,同步发电机并网系统应采用调速机构,以维 持发电机转子转速不变,并且需要进行同步与整 步操作,这种风力发电机并网系统称为恒速恒频 系统。由于同步发电机并网系统需采用调速机构, 从而增加了系统的复杂性。当风能大幅波动时, 作用在转子上的转矩极不稳定,调速机构的调速 性能也很难达到同步发电机所要求的调速精度。 随着电力电子变流技术的进步,先进的同步 风力发电系统常采用交一直一交的接入方式,即 先把同步发电机输出的交流电变成改流,然后再 逆变成工频交流电接人用户或电网。这种发电方 式的优点是

13、,发电机转速不必与电网频率要求的 转速同步。随着高性能、低价格的钕铁硼(NdFeB 磁铁的普及,制造性能更加优良、结构更加简便 的永磁同步风力发电机己成为可能。交流永磁同 步发电机的定子结构与一般同步电机相同,转子 采用永磁结构。由于没有励磁绕组,不消耗励磁 功率,因而具有较高的效率。采用永磁发电机可 做到风力机与发电机的直接耦合,省去齿轮箱, 即为直接驱动式结构,这样可以大大减小系统运 行噪声,提高可靠性。尽管由于直接耦合,永磁 发电机的转速很低,使发电机体积大、成本高, 但由于省去了价格较高的齿轮箱,使整个系统的 成本还是降低了。图4为采用交流双馈发电机的风力发电系统。 双馈发电机的结构和

14、绕线式异步发电机类似,但 在转子上有3个或4个滑环,其馈电方式和双馈电 机或异步电动机超同步串级调速系统相似,即定 子绕组接电网,转子绕组则由一套交流一交流或 交流一直流一交流的变流器提供频率、相位、幅 值都可以调节的电源实现恒频输出;为了得到恒 频电流输出,先由变流器提供的低频励磁电流在 转子中形成一个旋转磁场,这个磁场的旋转速度 和转子的机械转速相加等于定子磁场的同步转速, 从而在定子绕组中感应出工频电压,当风速变化 引起发电机转子转速变化时,改变转子绕组中励 磁电流的频率和旋转磁场的转速可以保持定子旋 转磁场的转速恒定,达到变速恒频发电的目的, 还可以通过调节励磁电流的幅值和相位实现发电

15、第14届微特电机及控制学术年会论文集机的有功、无功功率的独立调节,由于变流器只 需要供给转差功率容量不需要很大,大大减少了 变流器的容量,变流器的成本及控制难度大大降 低。它的缺点是交流励磁发电机需要滑环和电刷。 目前这种风力发电技术正越来越得到风力发电工 作者的关注,前景较为乐观。器图4交流双馈发电机的风力发电系统上述系统由于发电机与传统的绕线式感应电 机类似,一般具有电刷和滑环,需要一定的维护 和检修。目前有一种新型的无刷双馈电机风力发 电系统,采用的发电机是无刷双馈发电机,其定 子有两套绕组,一套称为功率绕组,直接接入电 网;另一套绕组称为控制绕组,通过双向变流器 接电网,它的转子结构为

16、笼型或磁阻式,无需电 刷和滑环,.转子的极数为定子两个绕组极对数之 和。发电机转子和风机相连,发电机的转一子绕 组和定子控制绕组直接相连,变流器产生定子控 制绕组的电压,当发电机转子转速变化时,可以 通过变流器改变控制绕组中电流的频率,从而使 得发电机的输出电压频率保持不变。这种发电机 的恒频控制方案是在定子绕组中实现的,流过定 子控制绕组的功率仅仅是发电机总功率中的一小 部分,能够有效地降低变流器的容量,同时还可 以灵活控制发电机的有功和无功功率,由于没有 电刷和滑环不需要维护,发电机结构简单,降低 了发电机的成本,提高了运行的可靠性;且双馈 发电机系统由于电力电子变流装置容量较小,很 适合

17、应用于大型变速恒频风力发电系统。这种系 统的缺点是定子需要两套绕组。4风力发电并网相关问题随着风力发电并网系统的容量越来越大,其 对电力系统的影响就变得越来越明显j,研究风电 并网对电力系统的影响己成为重要课题。大型风 电场并网会改变电力系统原有的潮流以及网损分 布,因此对电网的规划提出了新的要求;可能给 配电网带来电能质量问题,如谐波污染、电压的 波动及闪变;对系统的功率角、频率以及电压稳 定性产生不利影响;需要重新评估系统发电的可 靠性,分析风电容量的可信度;研究新的无功调 度及电压控制策略以保证风电场和整个系统的电 压水平及无功平衡,对孤立系统的稳定性影 响等14。风力发电机组大多采用软

18、并网方式,但是在 启动时仍然会产生较大的冲击电流。当风速超过 切出风速时,风机会从额定出力状态自动退出运 行。如果整个风电场的所有风机几乎同时动作, 这种冲击对配电网的影响十分明显:不仅如此, 风速的变化和风机的塔影效应都会导致风机转矩 的波动,如果其波动正好处在能够产生电压闪变 的频率范围之内(低于25Hz风机在正常运行时也 会给电网带来闪变问题。国际电机委员会成立了 一个工作组,研究风电并网对电网电能质量的影 响,在其报告中特别提到电压闪变可能是限制风 电发展的重要因素。尽管电压闪变可以通过专门 装置实地测量,但是在实际中,在风电场的设计 阶段就需要预测它可能给电网造成的闪变,以此 确定电

19、网可以接受的最大风电容量。对于电压闪 变一些研究的基本结论包括以下几点:1风机的启动和退出、风速的紊流以及风机 的塔影效应都可能导致电压闪变,尤其定桨距风 机造成的后果更严重一些。2电压闪变对并网点的短路电流水平和电网 的阻抗比(有文献以阻抗角描述十分敏感。3系统内常规机组的励磁调节对削弱风电造 成的闪变作用不明显。4动态负荷(以感应电机为代表能够显著降 低闪变的发生,其作用相当于提高了并网点的短 路电流水平。一57风力发电及相关技术综述风电给系统带来谐波的途径主要有两种: 1风机的并联补偿电容器可能与线路电抗发 生谐振,在实际运行中,曾经在风电场出口变压 器的低压侧观测到产生大量谐波的现象。

20、为了模 拟这种现象,文献14采用简单的物理模型(变压 器用短路电抗表示,发电机和负荷用阻抗支路表 示,就得到了和实测相当接近的结果。2风机本身配备的电力电子装置可能带来谐 波问题。对于直接和电网相连的恒速风机,软启 动阶段要通过电力电子装置与电网相连,因此会 产生一定的谐波,不过因为过程很短,发生的次 数也不多,通常可以忽略。但对于变速风机则不 然,因为变速风机通过整流和变流装置接人系统, 如果电力电子装置的开关频率恰好在产生谐波的 范围内,则会产生很严重的谐波问题,不过随着 电力电子器件的不断改进,这个问题也在逐步得 到解决,与电压闪变问题相比,风电并网所带来 的谐波问题其研究文献相对不多。

21、文献1516针对小型孤立电网,在仔细考 虑同步发电机及其调速调压器、风机及其异步发 电机、输电线路以及各种类型负荷的情况下,研 究在诸如发电机断开、线路断开、三相短路故障 以及风速扰动情况下系统的稳定性问题,结果表 明电网系统的电压和频率都存在大幅度波动,因 此有必要对风电并网以后系统的稳定性进行认真 评估。电压稳定性问题也备受关注,因为风电场 大多采用感应发电机,需要系统提供无功支持, 有可能导致小型电网的电压失稳、电压崩溃。由 于大型电网具有足够的备用容量和调节能力,一 般不必考虑风电并网所引起的频率稳定性问题。 但是对于孤立运行的小型电网,风电带来的频率 偏移和稳定性问题也是不容忽视的。

22、5风力发电中的电力电子技术综上所述,无论是采用异步发电机还是同步 二58一 发电机,风力发电并网系统中的存在着大量的电 力电子器件,而且AC/DC.DC/AC,AC/DCLAC等 电力电子变流器技术获得广泛的应用。电力电子 变流器所采用的电力电子器件可以是二极管、晶 闸管(scR、可关断晶闸管(GTO、功率晶体管 (GTR和绝缘栅双极性晶体管(IGBT等。这些器 件中除二极管只能用于整流电路外,其他器件都 能用于双向变换,即由交流变换成直流时,它们 起整流器作用:而由直流变换成交流电时,它们 起逆变器作用¨卜19J。对于在早期风力发电并网系统中所采用的晶 闸管相控变流器,最重要的问题

23、是换向,换向是 一组功率半导体器件从导通状态关断,而另一组 器件从关断状态导通。在变速系统中,可以有两 种换向,即自然换向(又称线路换向和强迫换向。 当变流器与交流电网相联,在换向时刻,利用电 网电压反向加在导通的半导体器件两端使其关断, 这种换向称为自然换向或线路换向。而强迫换向 则需要增加换向器件(如电容器等,利用电容器 上的充电电荷按极性反向加在半导体器件上强迫 其关断。这种强迫换向.变流器常用于独立运行系 统,而线路换向变流器则用于与电网或其他发电 设备并联运行的系统。虽然传统的晶闸管变流器 结构比较简单、价格便宜,但变流器存在功率因 数低、电流谐波人、动态响应慢等缺陷,给电网 造成严

24、重的污染。随着电力电子器件的性能价格比不断提高以 及脉宽调制变流器技术的发展,以IGBT为代表的 新型电力电子器件的最大功率已经达到MW级, 无论在经济上还是在技术上,基于全控型器件的 变流器已经可以在现有能量等级的商业风机系统 中投入使用,PwM变流器己经取代了过去变速风 力发电系统中采用的电网换向式变流器。与传统 的变流器相比;如果变流器采用基于全控型器件 的P硎变流器技术,利用删变流器可控的Ac/Dc变换特性,可以提高系统的动态响应,减 少损耗和冲击:尤其是在采用双馈发电机组的风 力发电系统中所采用的四象限变流器系统实际上 就是将两个电压源型变流器串联使用,发电机发第届微特电机及控制学术

25、年会论文集 出的电能通过由构成的桥路被送往直流环节 （同时电机桥也可以向感应发电机提供必要的励磁 电流），然后通过控制电网桥，直流环节的电能就 可以馈送交流电网，在使用高开关频率器件转换 电流方向以后，系统就可以实现向电网输送高质 制信号，根据电流误差与三角波交点来改变功率 管的状态，该方法易于确定开关频率。 矢量控制技术：参考文献提出的这种电 流控制技术，将电流和电压的坐标系划分为 个扇型区域，每个区域相角相差。，通过在线 量的正弦交流电能。通过对采用的模式进行 适当的控制，还可以调整电网电能的功率因数， 为了使电网的电压不受干扰，电网侧可以以单位 功率因数正弦波电流并网发电运行，从而能快速

26、 控制发电机转矩，实现变速风力发电机的并网 发电。 变流器技术 计算电流矢量误差信号在坐标系中的区域，选择 变流器的输出电压矢量，强制电流矢量误差信号 向相反方向改变，从而保持变流器输出电流接近 参考信号。 采用（脉宽调制）策略控制风力发电变流 器不仅可以实现灵活、可靠的网侧电流控制，而 且还可以减少发电机与并网变流器输出电流的谐 波含量，从而提高风力发电系统的输出电能 质量弘圳。 参考文献 中国能源的发展与展望北京：中国计量出版社， 在风力发电系统中，并网变流器主要由电流 控制器的设计特性决定，电流控制器包括电流参 考信号的产生和调制技术，而变流器通常采用的 调制技术都是基于策略，其中最为常

27、用且简 单有效的四种方法，包括周期采样控制、电流滞 环控制、三角波载波控制和矢量控制。前三种方 全球气候变化报告，应对气候挑战英国公共政策研究 院、美国发展中心、澳大利亚学院机构联合撰写 何祚麻，王亦楠，风力发电是我国能源和电力可持续发展战 略的最现实选择上海电力，（） 中国资源综合利用协会可再生能源专业委员会绿色和平中 国编译关于年风电达到世界电力总量的蓝图 北京：中国环境科学出版社， 李洁，赵彦云中国产业能源消费结构比较分析中国统 计，（） 刘宝兰，文华里世界风力发电现状与前景能源工程， ，（） 袁玉琪，杨校生风风能风力发电一世纪新型清洁能源 中国电力，（） 施鹏飞从世界发展趋势展望我国风力发电前景中国电 力，（） 法在不同波形（包括正弦、准方波和整流补偿电 流）下进行过测试，并在相同开关频