新能源转换与控制技术惠晶方光辉第3章节风能风力发电与控制技术(3318KB).ppt

风力机和发电机是风力发电机组的主要部件。 风力机有水平轴和垂直轴两种，其中以水平轴为主。 当风吹向风力机时，由于风力机叶片的上下表面形状的差异，造成两个表面压力差从而产生动力使风力机旋转。 风力机输出的机械功率与风速的三次方成正比，风速对输出功率影响很大，为得到风能的最大捕获，风力机的转速应随风速的变化而变化，以维持最佳叶尖速比不变。 风力发电中所用的发电机种类很多，除传统的交直流发电机外，还出现了一些新型风力发电机，其中最有发展前途的应是双馈异步发电机。 低风速时，跟踪最佳叶尖速比，以获取最大风能； 高风速时限制风能的捕获，以维持输出功率不变； 调节机组的功率，以确保输出电能的电压和频率稳定。 风力发电机组的控制： 风力发电机组的控制系统是一个综合性控制系统，其控制复杂，一般采用微机控制。 定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。 定桨距失速调节一般用于恒速控制，其控制简单，效率低，为提高效率，一般采用双速电机（大/小电机）。 变桨距调节一般用于变速运行的风力发电机组，其起动性能和功率特性得到改善。 变速恒频风力发电机组的控制主要有转速控制和功率控制。 在双馈异步风力发电机系统中，通过矢量变换可分别实现转矩和功率控制。 并网型风力发电机组的功率调节控制有： 风力异步发电机组的晶闸管软并网是其主要的发展方向。 风力同步发电机组的并网方法以自动准同步并网为主。 对于并网运行的风力异步发电机组，一般通过补偿装置进行无功功率的补偿，以电容补偿为主。 风力发电机组其并网技术和方式： 风力发电的经济技术评价可通过经济性指标来衡量。 * 4/16/2008 * * * cosφ=1时，If=IfN（额定电流），I最小； I＞IfN（过励）时，功率因数为滞后的，发电机向电网输出滞后的无功功率，改善电网的功率因数； I＜IfN（欠励）时，功率因数为超前的，发电机从电网吸引滞后的无功功率，使电网的功率因数更低， 这时的发电机还存在一个不稳定区（对应功率角大于90°） 因此，同步发电机一般工作在过励状态下，以补偿电网的无功功率和确保机组稳定运行。 从图中可以看出： 3、带变频器的风力同步发电机组的并网 同步发电机可通过调节转子励磁电流，方便地实现有功和无功功率的调节，这是其他发电机难以与其相比的优点。但恒速恒频的风力发电系统中，同步发电机和电网之间为“刚性连接”，发电机输出频率完全取决于原动机的转速，并网之前发电机必须经过严格的整步和（准）同步，并网后也必须保持转速恒定，因此对控制器的要求高，控制器结构复杂。 图3－62变速恒频风力同步发电机组经变频器与电网的连接图 在变速恒频风力发电系统中，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接，如图3－62所示。图中交流发电机为同步发电机，变频器为交－直－交变频器。 当风速变化时，为实现最大风能捕获，风力机和发电机的转速随之变化，发电机发出的为变频交流电，通过变频器转化后获得恒频交流电输出，再与电网并联。 由于同步发电机与电网之间通过变频器相连接，发电机的频率和电网的频率彼此独立，并网时一般不会发生因频率差而产生的较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。 缺点是电力电子装置价格较高、控制较复杂，同时非正弦逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，将影响电网的电能质量。 带变频器的风力同步发电机组的并网 3.4.2风力异步发电机组的并网与功率补偿 异步发电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、并网容易、无失步现象等优点，在风力发电系统中应用广泛。但其主要缺点是需吸收20%～30%额定功率的无功电流以建立磁场，为提高功率因数必须另加功率补偿装置。 1、风力异步发电机组的并网 风力异步发电机组的直接并网的条件有两条：一是发电机转子的转向与旋转磁场的方向一致，即发电机的相序与电网的相序相同；二是发电机的转速尽可能接近于同步转速。其中第一条必须严格遵守，否则并网后，发电机将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序。第二条的要求不是很严格，但并网时发电机的转速与同步转速之间的误差越小，并网时产生的冲击电流越小，衰减的时间越短。 风力异步发电机组的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。 1）直接并网 当风力机在风的驱动下起动后，通过增速齿轮将异步发电机的转子带到同步转速附近（一般为98%～100%）时，测速装置给出自动并网信号，通过自动空气开关完成合闸并网过程。 风力异步发电机组直接并网的电路如图3－63所示 图3－63 风力异步发电机与电网的直接并联 2）降压并网 降压并网是在发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以降