风力发电并网设计.doc

设计题目： 新能源发电并网设计 目录 第一章 绪论 - 1 - 第二章 风力发电并网相关问题 - 1 - 2.1并网方式 - 2 - 2.2电压波动和闪变 - 2 - 2.3系统稳定性 - 4 - 2.4风电场低电压穿越 - 6 - 第三章 风力发电并网问题解决方案 - 7 - 3.1风力发电机并网方式 - 7 - 3.2电压波动和闪变评估 - 8 - 3、3风电厂低电压穿越解决方案 - 10 - 参考文献 - 12 - 风力发电并网设计 第一章 绪论 风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。[1]早期的风电场采用的是小型恒速风力发电机，它的优点在于并网研究相对简单，因为感应电机的自然滑动可以轻易的获得很大的阻尼，往往只需增加少量的额定功率既可产生很好效果；缺点在于它必然受困于电抗储能与释放能量的延时性同并网的瞬时性之间的矛盾。但目前这个问题已经得到解决，因为我们总可以通过吸收电抗储能的方法来限制电路中的电压升高。 但是随着发展，尤其是为风力发电机中同步发电机的出现，对于如何并网提出了很高的要求。对此人们提出了大量设计方案，例如在驱动装置上采用了可拆卸元件，或是使用弹簧调节器来反应发电机转子和变速箱结构。在适当的功率下这些装置可以很有效的发挥作用，使并网成功。 风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理。图1为风电机组并网示意图，其中为风电机组出口电压相量，为电网电压相量，R1、X1分别为线路电阻和电抗，分别为线路上流动的有功电流和无功电流相量。一般而言，有功电流要远大于无功电流。 由图1(b)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电压降落可以忽略不计。由图1(c)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电压降落可以忽略不计。所以有功电流和无功电流都会造成明显的电压降落，分别为和。当并网风电机组的输出功率波动时，有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。影响风电机组输出功率的因素很多，其中风速的自然变化是主要因素。风电机组的机械功率可以表示为 式中?P为功率；为空气密度；A为叶片扫风面积；v为风速；CP为功率系数，表示风电机组利用风能的效率，它是叶尖速比和桨距角的函数，叶尖速比定义为 式中?为叶轮转速，R为叶轮半径。由式(1)可见，空气密度、叶轮转速、桨距角和风速v的变化都将对风电机组的输出功率产生影响。风速v的变化是由自然条件决定的，随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输出功率将随之快速变化。叶轮转速和桨距角的变化由风电机组类型和控制系统决定，先进的控制系统能够减小风电机组输出功率的波动。此外，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动频度为3P（P为叶轮旋转频率）时，最大波动幅度约为转矩平均值的20% 。塔影效应是指风电机组塔筒对空气流动的阻碍作用，当叶片经过塔筒时，产生的转矩减小。远离塔筒时风速是恒定的，接近塔筒时风速开始增加，而更接近时风速开始下降。塔影效应对下风向类型风电机组的影响最严重。塔影效应可以用频率为3P倍数的傅立叶级数表示[6]。由于叶片扫风面积内垂直风速梯度的存在，风剪切同样会引起转矩波动。风剪切可用以风电机组轮毂为极点的极坐标下的二项式级数表示[6-8]。从风轮的角度看，风廓线是一个周期性变化的方程，变化频率为3P的倍数。除了塔影效应和风剪切引起的输出功率波动外，在风电机组输出功率中还可检测到频率为p的波动分量，其出现的主要原因可能是叶片结构或重力不完全对称。此外，频率为塔筒谐振频率的波动分量也比较明显，它可能是由于轮毂的横向摆动引起的。并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。 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