风力发电运行方式

第二章：风力发电技术任务四：风力发电运行方式风力发电机组并网运行又可分为以下两种不同的运行方式：（1）恒速恒频并网运行方式。即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式目前已普遍采用，具有简单、可靠的优点，但是对风能的利用不充分。（2）变速恒频并网运行方式。即风力发电机组的转速随风速的波动作变速运行，但仍输出恒定频率的交流电。这种方式可提高风能的利用率，但将导致必须增加实现恒频输出的电力电子设备，同时还应解决由于变速运行而在风力发电机组支撑结构上出现共振现象等问题。1.同步风力发电机的并网运行同步风力发电机与电网并联运行的电路如图2.8所示。除风力机、齿轮箱外，电气系统包括同步发电机、励磁调节器、断路器等，发电机通过断路器与电网相连。一、恒速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式图2.8同步风力发电机与电网并联运行电路同步风力发电机并网方法（1）准同步并网准同步并网必须满足以下4个条件：1）发电机的电压等于电网的电压，且电压波形相同。2）发电机的电压相序与电网的电压相序相同。3）发电机频率与电网的频率相同。4）并联合闸瞬间发电机的电压相角与电网电压的相角一致。（2）自同步并网一、恒速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式（2）自同步并网自同步并网就是同步风力发电机在转子未加励磁，励磁绕组经限流电阻短路的情况下，由风力机拖动，待同步发电机转子转速升高到接近同步转速（为80％～90％同步转速）时，将发电机投入电网，再立即投入励磁，靠定子与转子之间电磁力的作用，发电机自动牵入同步运行。自同步并网方法的优点：不需要复杂的并网装置，并网操作简单，并网过程迅速。自同步并网方法的缺点：合闸后有电流冲击(通常冲击电流不会超过同步发电机输出端二相突然短路时的电流)；电网电压会出现短时间的下降。一、恒速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式2.有功功率调节风力发电机并网之后，从风力机传入发电机的机械功率除一小部分补偿发电机的机械损耗、铁损耗和附加损耗外，大部分转化为电磁功率，即

电磁功率减去定子绕组的铜损耗后就得到发电机输出的有功功率，即

一、恒速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式3．无功功率调节电网的总负载中，除了需要有功功率，有的负载还需要无功功率，如异步电动机和变压器等都需要电感性的无功功率。整个电网要是无功功率发得不够，就会导致电网的电压下降，这对用户是很不利的。因此同步发电机与电网并联后，不仅能向电网发出有功功率，而且能向电网发出无功功率，这是它的一个很大的优点。在风力机功率不变时，通过调节励磁电流，可以改变发电机的无功功率。一、恒速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式

4．同步发电机并网运行特点(1)并网过程通常可以使用计算机自动检测、操作，对风力发电机的调速装置要求较高，成本较贵。(2)并网时能使瞬态电流减至最小，从而让风力发电机组和电网受到的电流冲击也最小。(3)当风力发电机组功率保持不变时，通过调节励磁电流，不仅能向电网发出有功功率，而且能向电网发出无功功率，有助于提高电网的供电能力。(4)对并网时刻控制要求精确，若控制不当，则有可能产生较大的冲击电流，以致并网失败。一、恒速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式感应风力发电机是指感应电机处于发电的工作状态，感应发电机在并网运行时，一方面向电网输出有功功率，另一方面又必须从电网吸收落后的无功功率。感应发电机的激励方式有电网电源励磁发电(他励)和并联电容自励发电(自励)两种情况。（1）电网电源励磁发电。（2）并联电容器自励发电。二、感应风力发电机的并网运行任务四：风力发电运行方式1．感应发电机的并网方法感应发电机可以直接并入电网，也可以通过晶闸管调压装置与电网连接。感应发电机的并网条件是：第一，转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即感应发电机的相序和电网相序相同；第二，应尽可能在发电机转速接近同步转速时并网（这样冲击电流才能快速衰减）。二、感应风力发电机的并网运行任务四：风力发电运行方式2.感应发电机并网运行时的功率输出感应发电机并网运行时，它向电网送出的电流大小及功率因数，取决于转差率S及电机的参数，前者与感应发电机负载的大小有关，对于设计好的电机来说，后者是给定的数值，因此这些量都不能加以控制或调节。并网后电机运行在其转矩一转速曲线的稳定区。二、感应风力发电机的并网运行任务四：风力发电运行方式3.感应发电机无功功率及其补偿感应发电机需要落后的无功功率主要是为了励磁的需要，另外也为了供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率。单就前一项来说，一般中、大型感应发电机的励磁电流约为额定电流的20％～25％，因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的20％～25％，再加上第二项，感应发电机总共所需的无功功率应大于发电机容量的20％～25％。二、感应风力发电机的并网运行任务四：风力发电运行方式4.感应发电机并网运行的特点感应发电机的启动、并网很方便，且便于自动控制，价格低，运行可靠，维修便利，运行效率也较高、因此在并网风力发电机组中得到了广泛的应用。(1)并网过程比较简单，感应发电机并网时自身不产生电压，但是合闸瞬间会流过额定电流值5～6倍的冲击电流，一般零点几秒后才转入稳态。(2)目前在较大型的风力发电机组中，常采用双向晶闸管软并网。(3)通常需要采用电容器进行适当的无功补偿。二、感应风力发电机的并网运行任务四：风力发电运行方式（一）双速异步发电机通过晶闸管软并网1．晶闸管软并网方法的作用（1）限制启动并网时的冲击电流。（2）限制功率切换时的瞬变电流：在低速(低功率输出)与高速(高功率输出)绕组相互切换过程中。2.双速异步发电机的并网过程（1）低速启动并网过程。（2）高速启动并网过程。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式3.双速异步发电机的运行控制双速异步发电机的运行状态，即高功率输出或低功率输出状态，是通过功率控制来实现的。（1）小容量发电机向大容量发电机的切换。（2）大容量发电机向小容量发电机的切换。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式（二）转子电流受控的异步风力发电机与电网并联运行具有转子电流控制器的滑差可调异步发电机与变桨距风力机配合时的控制原理如图2.9所示。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式图2.9滑差可调异步发电机与变桨距风力机控制原理（三）双馈风力发电机系统的并网运行1.双馈风力发电机系统并网运行的特点（1）风力机启动后带动发电机至接近同步转速时，由循环变流器控制进行电压匹配、同步和相位控制，以便迅速地并入电网，并网时基本上无电流冲击。（2）风力发电机的转速可随风负载的变化及时作出相应的调整，使风力发电机组以最佳叶尖速比运行，产生最大的电能输出。（3）双馈发电机励磁可调量有3个：励磁电流的频率、幅值和相位。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式2.双馈风力发电机的运行方式（1）超同步运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相反，n2为负）。定子向电网馈送电力外，转子也向电网馈送一部分电力。（2）亚同步速运行（转子旋转磁场方向与机械旋转方向相同，n2为正）。在定子向电网馈送电力的同时，需要向转子馈入部分电力。（3）同步运行。此种状态下，，滑差频率f2=0，这表明此时通人转子绕组的电流的频率为0，也即是直流电流，与普通同步发电机一样。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式3.变速风力机驱动双馈异步发电机与电网并联运行（1）频率的控制。（2）电压的控制。（3）变频器及控制方式。在双馈异步发电机组成的变速恒频风力发电机系统中，异步发电机转子回路中可采用不同类型的循环变流器作为变频器：1)采用交一直一交电压型强迫换流变频器。2)采用交一交变频器。3)采用脉宽调制(PWM)控制的由IGBT组成的变频器。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式（四）无刷双馈异步风力发电机系统的并网运行时的能量传递关系之前介绍了无刷双馈异步发电机的变速恒频原理，无刷双馈异步发电机的转子绕组与励磁机转子绕组直接相连，变频器向励磁机定子绕组提供频率为励磁电流，而发电机定子绕组输出频率为的电功率。在发电机转速变化的情况下，可通过改变励电流的频率，使发电机的输出电频率保持不变。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式（五）同步发电机交—直—交系统的并网运行同步发电机交—直—交并网运行系统中允许同步发电机作变速运行，产生可变电压和频率的电能，通过交—直—交的整流逆变方式与系统进行并网。同步发电机在运行时既能输出有功功率，又能提供无功功率，且频率稳定。（六）磁场调制发电机系统的并网运行磁场调制的风力发电机系统可以使风力发电机组在很大风速范围内按最佳效率运行，可实现最大功率输出控制。磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机轴的转速及位置无关，这种特点非常适合用于与电网并联运行的风力发电系统。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式（七）变速风力机驱动交流发电机经整流一逆变装置与电网并联运行。该风力发电系统中，风力机为变速运行，因而交流发电机发出的为变频交流电，经整流—逆变装置（交—直—交）转换后获得恒频交流电输出，再与电网并联，因此这种风力发电系统也是属于变速恒频风力发电系统。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式（八）风力机直接驱动低速交流发电机经变频器与电网连接运行（1）不采用齿轮箱，大大减小了机组水平轴向长度，缩短了机械传动路径。避免了因齿轮箱旋转而产生的损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题，延长机组的工作寿命。（2）避免了齿轮箱部件的维修及更换，不需要齿轮箱润滑油以及对油温的监控．冈而提高了投资的有效性。（3）发电机具有大的表面，散热条件更有利，可以使发电机运行时的温升降低，减小发电机温升的起伏。三、变速恒频风力发电机组的并网运行任务四：风力发电运行方式独立运行的风力发电系统主要部件一般包括以下几种。(1)风力发电机组:由风力机、发电机和控制部件等组成的发电系统(简称风电机组)(2)耗能负载:持续大风时,用于消耗风力发电机组发出的多余电能。(3)蓄电池组:由若干台电池经串联组成的存电能的装置。(4)控制器:系统控制装置,主要功能是对蓄电池进行充电控制和过放电保护,同时对系统输入/输出功率起着调节与分配作用,以及系统赋予的其他监控功能。(5)逆变器:将直流电转换为交流电的电力电子设备。(6)交流负载:以交流电为动力的装置或设备。四、风力发电机组的独立运行任务四：风力发电运行方式（一）独立运行的直流风力发电系统独立运行的直流风力发电系统主要由直流风力发电机组、蓄电池蓄能装置、负载、逆流继电器等组成，如图2.10所示。四、风力发电机组的独立运行任务四：风力发电运行方式图2.10独立运行的直流风力发电系统1.系统运行分析（1）风力正常情况下，直流发电机一方面向蓄电池组充电．同时向直流负载供电。（2）当风力减小，直流发电视电压低于蓄电池组电压时，为了防止蓄电池向发电机反向送电，通过逆流继电器控制动触点J动作断开，使蓄电池不能向发电机反向供电。四、风力发电机组的独立运行任务四：风力发电运行方式2.供电方式（1）一户一机的供电方式。这种方式一般都是自建、自管、自发、自用、自备蓄电池。（2）直流线路集中供电方式。这种方式一般为一机多户,或多机多户合用。机组通常是集中安装，统一管理；蓄电池可以集中配备,也可以分散到户,各户自备。这种方式当配电电压较低(如12V或24V)时,线路电损大，因此，用户不宜分散太远。（3）充电站式供电方式。这种方式风力发电站就是一个充电站，各户自备蓄电池到发电站充电，充电后取回自用。蓄电池的容量不宜太大，否则不易搬运，且易出事故。四、风力发电机组的独立运行任务四：风力发电运行方式（二）独立运行的交流风力发电系统独立运行的交流风力发电系统是通过交流发电机向负载供电,采用的交流发电机有永磁式交流发电机、硅整流自励交流发电机、电容自励异步交流发电机及无刷励磁的硅整流自励交流发电机等。四、风力发电机组的独立运行任务四：风力发电运行方式1.独立运行的交流风力发电系统供电方式根据负载不同独立运行的交流风力发电系统主要有3种供电形式.（1）交流发电机向直流负载供电。这种供电方式是先将风力发电机组发出的交流电整流成直流，再供给直流负载，这样电能质量中的稳顺问题就不存在了。为了保证无风时也能用电，