风电机组的控制及并网11讲述.ppt

风电机组的控制及并网等问题的研究 黄守道 湖南大学电气与信息工程学院 一 前言 1、风力发电研究的背景和意义 风力发电是电力可持续发展的最佳战略。技术创新使风电技术日益成熟，具有市场竞争能力，风电作为一项高新技术产业而将带来的巨大前景。风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，是解决边远农村供电的重要途径，减少资源消耗和环境污染,减少温室气体等有害气体的排放,缓解全球变暖,保护环境，有着巨大的社会效益和经济效益,中央把风力发电自主创新提高到战略高度，风力发电技术的研究和产业化对于我国的发展具有深远的意义。 近年来，风力发电在技术上日趋成熟，商业化应用不断提高，同时，风力发电的成本也在不断降低，这为充分利用风能提供了诸多有利条件。现就当前流行的几种风电系统的控制方式和风电机组并网的相关问题做下简单介绍 二 变速恒频风力发电系统 风力发电技术经历了从恒速恒频风电系统到变速恒频风电系统的演变过程。早期的风电系统中大多采用恒速恒频风电系统，恒速恒频风电系统的发电机转速保持不变，其运行范围比较窄，因此逐步被后来的变速恒频系统所取代。变速恒频风电系统的发电机的转速能随风速的变换而变换，能够按照最佳效率运行，变速恒频发电系统是当今风电系统发展的一个趋势。 变速恒频指在风力发电过程中发电机的转速可随风速变化，而通过其他控制方式来得到恒频电能。采用变速恒频发电方式,就可按照捕获最大风能的要求,在风速变化的情况下实时地调节风力机转速,使之始终运行在最佳转速上,从而提高了机组发电效率,优化了风力机的运行条件。 图2.1 变速恒频风力发电系统框图 (1)风力机把风能转化为动能。 (2)变速齿轮箱进行转速转换，将风力机的低转速转化为发电机运行所需要的高转速。 (3)风力发电发电机把风力机输出的机械能转变为电能。 (4)发电机侧变流器由自关断器件（如GIR、IGBT、GTO等）构成的AC/DC变流器，采用一定的控制方法将发电机发出的变频的交流转换为直流。 (5)直流环节：一般直流环节的电压控制为恒定。 (6)网侧变流器由自关断器件构成的DC/AC变流器，采用某种控制方法使直流电转变为三相正弦波交流电（如50Hz、690V的三相交流电），并能有效的补偿电网功率因数。 (7)变压器通过变压器以及一些开关设备和保护设备，把电能变为高压交流电（如11kV或33kV等）。 2.1 变速恒频风力发电系统的分类 在变速恒频风电系统中，主要有以下几种风电系统：(a)永磁直驱风力发电系统; (b)绕线转子型异步双馈风力发电系统;(c) 异步电机风力发电系统;(d)无刷双馈风力发电系统; 但目前应用较为广泛且较有发展前景的主要是双馈式和永磁直驱式。 图2.2 永磁直驱风力发电系统 永磁直驱式风电系统的风轮与永磁同步发电机直接相连，无需升速齿轮箱，同时转子为永磁式结构，无需励磁绕组，因此不存在励磁绕组的损耗，提高了效率。另外转子上没有滑环，运行更加安全可靠。 缺点是永磁体增加了电机的成本，永磁物质具去磁性，并且电机的功率因数不可控。 永磁直驱式风电系统是未来风电系统发展的一个重要方向。 图2.3 绕线转子型异步双馈风力发电系统 它的优点是： 1：减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要控制转子滑差功率。 2：减小逆变器和电磁噪声滤波损失。 3：在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性和可靠性。 双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修，这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。 图2.4 异步电机风力发电系统 使用异步电机具有以下优点： 1：异步电机相当结实，无电刷，可靠，经济而普遍。 2：整流器可产生用于电机的可调励磁。 3：快速瞬态响应。 4：当有剩余容量时，逆变器可作为无功或谐波补偿器。 它的缺点主要有： 1：复杂的系统控制（FOC），其性能依靠对于电机参数的了解，而电机参数是随温度和频率而变化。 2：为了满足电机的磁场需要，定子侧变流器容量要比额定功率高30~40%。 图2.5 无刷双馈风力发电系统 这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运行的可靠性。 变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。 图2.6 风力机的输出功率与发电机转速的关系图 变速