设计风力发电并网系统(编辑修改稿)

设计风力发电并网系统(编辑修改稿)内容摘要：

并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。 截止 20xx 年 12 月 31 日世界装机容量已达 58982MW，年装机容量为 4 11,310MW，增长率为 24%；风力发电量占全球电量的 1%，部分国家及地区已达 20%甚至更多。 20xx 年世界风电累计装机容量最多的十个国家，前十名合计 ，约占世界总装机容量的 %。 20xx 年国际风力发电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有 11个国家的装机容量已高于 1,000MW，其中 7 个欧洲国家（德国、西班 牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙）， 3 个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。 亚洲正成为发展全球风力发电的新生力量，其增长率为 48%[5]。 20xx 年欧洲风能协会（ EWEA）与绿色和平组织（ Greenpeace International）发表了一份标题为 “风力 12（ Wind Force 12） ”的报告，勾画了风电在 2020年达到世界电量 12%的蓝图。 报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风力发电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发 展历程的比较以及减排 CO2 等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量 12%的可能性。 报告还指出中国 2020年风电装机有可能达到 亿千瓦。 国内风力发电的现状，根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面 10 米高度层风能的理论可开发量为 32 亿 kW，实际可开发量为 亿 kW。 海上风能 可开 发量是陆地风能储量的 3 倍。 5 年中国除台湾省外新增风电机组 592台，装机容量 万 kW。 与 20xx 年当年新增装机 万 kW 相比， 20xx年当年新增装机增长率为 254%。 截至 20xx 年底，中国除台湾省外累计风电机组 1864 台，装机容量 万 kW，风电场 62 个。 分布在 15 个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表 3 所示。 与 20xx 年累计装机 万 kW 相比， 20xx 年累计装机增长率为 %。 20xx 年风电上网电量约 亿。 中国 “十一五 ”国家科技支撑计划重大项目 “大功率风电机组研制与示范 ”支持 ~、 以上双馈式变速恒频风电机组的研制； ~、 以上直驱式变速恒频风电机组的研制； 以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产 业化； 以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等 16 个课题的研究 [10]。 “十一五 ”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。 5 风力发电的 并网方式 上世纪八十年代的大型风机通常采用带有升速齿轮箱的定速型鼠笼式异步发电机。 由于技术简单、经济性高，获得了许多国家广泛的应用，目前我国已建成运行的大型风机绝大多数属于这一技术类型。 但是定速型 鼠笼发电机的缺点也很明显。 首先，由于这种风力机转速是恒定的，在不同的风速下难以获得合适的尖速比，导致截获风能的效率降低；其次，齿轮箱在风况和环境变化中承受变荷冲击、悬殊温差，维修保养的成本很高，成为风力发电机组中的软肋环节；另一个缺点是异步感应电机需要从电网吸收滞后的无功励磁功率，功率因数低，需要附加额外的无功补偿装置。 针对定速型鼠笼发电机的缺点，变速恒频风力发电的技术方案开始采用。 实现变速恒频风力发电的方法很多 [16]，目前先进的风力发电典型技术方案，主要是双馈异步风力发电机和无齿轮箱永磁同步风力发电机 二种。 (1)双馈异步电机变速恒频风力发电系统 目前美国 GE 能源、德国 Fuhrlamp。 aumlnder 等公司的很多风力发电机产品，采用变速恒频双馈风力发电的技术方案，由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的小部分，中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的四分之一至三分之一，机组的总价格较低。 但是存在齿轮箱，其维护保养费用远高于无齿轮箱永磁同步风力发电机。 (2)永磁直驱变速恒频风力发电系统 为了省去高故障率的齿轮箱 ，提高风力发电机组的可靠性和效率，以德国Enercon公司为首的风电机制造商，推出无齿轮箱永磁同步风力发电机。 永磁同步发电机用永磁体替代普通发电机的励磁，省去电刷滑环，结构简单可靠，同时也节约了励磁功率，提高了发电机效率。 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，但免去了齿轮箱，使其具有了传统风电机组所不具备的许多优势，整个系统的成本也降低了。 而且可根据风速改变风轮转速，保持上网频率不变，提高了风能利用率，还可以实现平稳并网。 永磁风电机组采用多级同步永磁发电机与叶轮直接连接进行驱动的方 式。 随着风机转速的变化，永磁风力发电机所发出的电频率也是不断变化的。 所以这类风机的定子必须通过一台全功率的电能变换器连接到电网 [15,16]。 电能变换器将这些频率不断变化的电能改变为恒频恒压的交流电，输入电网。 永磁直驱变速恒频风力发电系统的结构如图 11所示。 6 永磁发电机 A C / D C D C / A C电网 图 11 永磁直驱变速恒频风力发电 直驱式电能变换器控制技术 双 PWM变换器由于其良好的输入输出性能，在直驱风力发电领域中得到了广泛应用。 而 PWM变换器的动态响应决定了系统的性能好坏。 目前 PWM变换器的研究热点较多集中在拓扑结构 简单、动态相应迅速的电压型 PWM整流器上 ， 为了实 现网侧功率因数的控制，必须控制网侧电流相位， 传统的电网电压定向控制通常采用双闭环级联控制结构：电压外环和电流内环。 并且电网电压定向控制的性能有赖于电流内环所采用的控制策略，国内外学者根据多年的研究提出了不同的电流控制策略，主要分为两类：一类是由 “间接电流控制 ”策略；另一类就是目前占主导地位的 “直接电流控制 ”策略。 采用间接电流控制策略，直流电压调节器的输出直接用来调整整流器输入端的电压幅值和相位，网侧电流的动态响应慢，且对系统参数变化 比较灵敏。 而采用直接电流控制策略，直流电压调 节器的输出直接用来控制网侧输入电流的幅值，电流响应快，鲁棒性好。 网侧变换器的主要任务就是为电机侧变换器提供恒定的直流母线电压，因此很多学者对提高网侧变换器的抗扰动性能进行了研究 [5]。 与采用电流控制策略不同，近年来出现了基于电网电压定向的直接功率控制，用功率环代替了电流内环，以直接调整变换器输入输出的功率平衡来实现直流母线的电压控制，改进了系统的动静态性能。 7 第 二 章 风力发电系统并网分析 风力发电并网系统的介绍 由于风力发电存在着风速变化 或风速较低的风力发电机输出的电能电压变化较大、幅值较低且频率变化，所以不能采取直接将发电机与电网相连接的方法并网。 因此必须在风力发电机的输出端增加一个电力电子装置的功率接口，将电压和频率均随机变化的电能变换成电压、频率、谐波、相角和功率因数都符合电网要求的交流电能，再与公用电网连接实现并网。 风力发电 并网 的 方法 自从上世纪以来，学术界已经提出了有很多种风能并网方案并且应用在实际的风电场并网建设中。 总得来说，目前风力发电的并网方式大致可以分为异步发电机、同步发电机和双馈发电机三种方式。 并网方法 因为 风力机为低速运转的动力机械，在风力机与异步发电机转子之间经增速齿轮传动来提高转速以达到适合异步发电机运转的转速。 一般与电网并联运行的异步发电机多选用 4极或 6极电机，因此异步电机转速必须超过 1500r／ min或 1000r／ min才能运行在发电状态向电网送电。 根据电机理论，异步发电机并入电网运行时，是靠滑差率来调整负荷的，其输出的功率与转速近乎成线性关系。 因此对机组的调速要求，不像同步发电机那 样 严格精确，不需要同步设备和整步操作，只要转速接近同步转速时就可并网。 但异步发电机在并网瞬间会出现较大的冲 击电流 (约为异步发电机额定电流的 4～ 7倍 )，并使电网电压瞬时下降。 随着风力发电机组单机容量的不断增大，这种冲击电流对发电机自身部件的安全及对电网的影响也愈加严重。 过大的冲击电流，有可能使发电机与电网连接的主回路中的自动开关断开；而电网电压的较大幅 度下降，则可能会使低压保护动作，从而导致异步发电机根本不能并网。 当前在风力发电系统中采用的异步发电机并网方法有以下几种： (1)直接并网 这种并网方法要求在并网时发电机的相序与电网的相序相同，当风力驱动的异步发电机转 速接近同步转速时即可自动并入电网；自动并网的信号由 测 速装置给出 ,而后通过自动空气开关合闸完成并网过程。 但如上所述，直接并网时 8 会出现较大的冲击电流及电网电压的下降，因此这种并网方法只适合用于异步发电机容量在百千瓦级以下而电网基于 DSP的风能并网逆变器的研究容量较大的情况下。 我国最早引进的 55KW风力发电机组和自行研制的 50Kw风力发电机组都是采用这种方法并网的。 (2)降压并网 这种并网方法是在异步电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网合闸瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。 因为电阻、电抗器等元件要消耗功率，在发电机并入电网以后， 进入稳定运行状态时，必须将其迅速切除。 这种并网方法适用于百千瓦级以上、容量较大的机组，显而易见这种并网方法的经济性较差。 我国引进的 200KW异步发电机组，就是采用这种并网方式，并网发电机每相绕组与电网之间皆串接有大功率电阻。 (3)通过晶闸管软并网 这种并网方法是在异步发电机定子与电网之间通过每相串入一只双向晶闸管连接起来，三相均有晶闸管控制，双向晶闸管的两端与并网自动开关的动合触头并联。 接入双向晶闸管的目的是将发电机并网瞬间冲击电流控制在允许的限度内。 其并网的过程如下：当风力发电机组接收到由控制系 统内微处理器发出的启动命令后，先检查发电机的相序与电网的相序是否一致，若相序正确，则发出松闸命令，风力发电机组开始启动。 当发电机转速接近同步转速时 (约为99％～ 100％同步转速 )，双向晶闸管的控制脚同时由 180度到 0度逐渐同步打开；与此同时，双向晶闸管的导通角则同时由 0度到 180度逐渐增大，此时并网自动开关未动作，动合触头未闭合，异步发电机即通过晶闸管平稳的并入电网；随着发电机转速继续升高，电机的滑差率渐趋于零。 当滑差率为零时，并网自动开关动作，动合触头闭合，双向晶闸管被短接，异步发电机的输出电流将不再经双 向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关触头流入电网。 在发电机并网后，应立即在发电机端并入补偿电容，将发电机的功率因数提高到 ．该种软并网方法的特点是通过控制晶闸管的导通角，将发电机并网瞬间的冲击电流值限制在规定的范围内 (一般为 )，从而得到一个平滑的并网瞬态过程。 在所示的软并网线路中，在双向晶闸管两端并接有旁路并网自动开关，并在零转差率时实现自动切换，在并网瞬态过程完毕后，即将双向晶闸管短接。 与此种软并网连接方式相对应的另一种软并网连接方式是在异步发电机与电网之间通过双向晶闸管直接连 接，在晶闸管两端没有并接旁路并网自动开关，双向晶闸管既在并网过程中起到控制冲击电流的作用，同时又作为无触头 9 自动开关，在并网后继续存在于主回路中，这种软并网方连接方式可以省去一个并网自动开关，因而控制回路较为简单，而且避免了有触头自动开关触头弹跳、沾着及磨损等现象，可以保证较高的开关频率。 但这种连接方式需选用电流允许值大的高反压双向晶闸管，这是因为双向晶闸管中通过的电流需满足大连理工大学硕士研究生学位论文能通过异步发电机的额定电流值，而具有旁路并网自动开关的软并网连接方式中的高反压双向晶闸管只要能通过较发电机 空载电流略高的电流就可以满足要求。 这种软并网连接方式的并网过程与上述具有并网自动开关的软并网连接方式的并网过程类似，在双向晶闸管开始导通阶段，异步电机作为电动机运行，但随着异步发电机转速的升高，滑差率渐渐接近与零，当滑差率为零时，双向晶闸管已全部导通，并网过程结束。 晶闸管软并网技术对晶闸管器件及与之相关的晶闸管触发电路提出了严格的要求，即晶闸管器件的特性要求一致、稳定以及触发电路可靠，只有发电机主回路中的每相的双向晶闸管特性一致，控制极触发电压，触发电流一致，全开通压降相同，才能保证可控硅导通角在 0度～ 1踟度范围内同步逐渐增大，才能保证发电机三相电流平衡。 目前在晶闸管软并网方法中，根据晶闸管的通断状况，触发电路有移相触发和过零触发两种方式。 移相触发会造成电机每相电流为正负半波对称的非正弦波 (缺角正弦波 )含有较多的奇次谐波分量，这些谐波会对电网造成污染公害，必须加以限制和消除。 过零触发是在设定的周期内，逐步改变晶闸管的导通周波数。 最后达到全部导通，使发电机平稳并入电网，因而不产生谐波干扰。 通过晶闸管软并网法将风力驱动的异步发电机并入电网是目前国内外中型及大型号风力发电机组中普遍采用的。 中国引进和自行开发研制的 250、 300、 600KW的并网型异步风力发电机组，都是采用这种并网技术。 整个并网发电系统主要由同步发电机、并网装置组成．三相同步发电机输出的交流电流采用不可控整流器整流为直流以后，经过直流滤波环节，送入到DA／ AC逆变器的输入端，逆变为电压、。