风力发电机组并网方式分析

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3.4 同步发电机的并网 由风力机驱动同步发电机经变频装置 与电网并联,这种系统并联运行的特点如 下: 3.4.1 由于采用频率变换装置进行输出 控制,因此并网时没有电流冲击,对系统 几乎没有影响。 3.4.2 为采用交 - 直 - 交转换方式,同 步发电机组工作频率与电网频率是彼此独 立的,风轮及发电机的转速可以变化,不必 担心发生同步发电机直接并网运行可能出 现的失步问题。 3.4.3 由于频率变换装置采用静态自励 式逆变,虽然可以调节无功功率,但是有 高频电流流向器电网。 3.4.4 在风电系统中使用阻抗匹配和功 率跟踪反馈来调节输出负荷,可使风力发 电机组按最佳效率运行,向电网输送更多 的电能。 3.5 直驱交流永磁发电机组的并网 由风力机直接驱动低速交流发电机, 通过工作速度快、驱动功率小、导通压降低 的 IGBT 逆变器并网。这种系统并联运行的 特点如下: 3.5.1 由于不采用齿轮箱,机组水平轴 向的长度大大减小,电能生产的机械传动 路径缩短,避免了因齿轮箱旋转而产生的 损耗、噪音等。 3.5.2 由于发电机具有大的表面,散热 条件更有利,使发电机运行时的温升减 低,减小发电机温升的起伏。
1 .风力发电机组的类型
分析风力发电机组的并网方式,首先 要考虑风电场所选风力发电机的类型。不 同的风力发电机组其工作原理不相同,因 此并网方式也有所差异。目前国内风电场 选用的机型主要有 4 种,每种机型各有不 同。
1.1 异步风力发电机 在国内已运行的风电场大部分机组是 异步风力发电机。主要特点是结构简单, 运行可靠,价格较便宜,此种发电机为定 速恒频机组。运行中转速基本不变,风力 发电机组运行在风能转换最佳状态下的几 率比较小,因而,发电能力比新型机组 低。同时,运行中需要从电力系统中吸收 无功功率。为满足电网对风电场功率因数 的要求,采用在机端并联补偿电容器,其 补偿策略是异步发电机配有若干组固定容 量电容器。 由于风速大小随机变化,驱动异步发 电机的风力机不可能经常在额定风速下运 转,为了充分利用低风速时的风能,增加 全年发电量,近年广泛应用双速异步发电 机。此种电机可以改变极对数,有大、小 电机 2 种运行方式,采用 4 极或 6 极电机, 运行速度为 1500r/min 或 1000r/min。 1.2 双馈异步风力发电机 在现代兆瓦级以上的大型并网风力发 电机组选用双馈异步风力发电机,实现风 力机叶片桨距调节及变速运行,此种机型 称为变速恒频发电系统。由于风力机变速 运行,其运行速度能在一个较宽的范围内 调节到风力机的最优化效率数值,使风机 风能利用系数 Cp 得到优化,获得较高的系 统效率;可以实现发电机较平滑的电功率 输出,达到优化系统内的电网质量,减少发 电机温度变化;发电机本身不需要另外附 加无功补偿设备,可实现功率因素一定范 围内的调节,例如功率因素从 0. 95 领先到 0. 95 滞后范围内[2],因而具有调节无功功 率出力的能力,实现几个相同的独立运行 机组的并联运行。 1.3 直驱式交流永磁同步发电机
这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 1.5 倍额定电流以下,从而得到一个平滑的并 网暂态过程。通过晶闸管软并网方法将风 力驱动的异步发电机并入电网是目前国内 外中型及大型风力发电机组中普遍采用 的,中国引进和自行开发研制生产的 250KW、300KW、600KW 的并网型异步 风力发电机组,都是采用这种并网技术。
2.4发电机的电压相位与电力系统电源 的电压相位相等(相位差< 10°),否则将 产生有功和无功电流冲击,使发电机烧 毁。
2.5 波形相同,发电机和电网同样是
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能源及环境
中国科技信息 2010 年第 1 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Jan.2010
令。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 角同时由 180°到 0°逐渐同步打开;与此 同时,双向晶闸管的导通角则同时由0°到 180°逐渐增大,异步发电机即通过晶闸管 平稳地并入电网;随着发电机转速继续升 高,电机的滑差率逐渐趋于零,当滑差率为 零时,并网自动开关动作,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直接 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 (COS φ)提高到 0.95 以上[3]。
引言
风能作为一种清洁的可再生能源,越 来越受到世界各国的重视。其蕴藏量巨大, 全球风能资源总量约为 2.74 ×109MW,其 中可利用的风能为 2 × 107MW。中国风能 储量很大、分布面广,仅陆地上的风能储量 就有约2.53亿千瓦,开发利用潜力巨大。据 全球风能委员会报告,2008 年年底全球风 电装机容量已超过了12.08万兆瓦,增长28. 8%,我国新增风电装机容量719.02万千瓦, 增长率 108.4%,累计装机容量达到1221 万 千瓦[1],风电产业发展较快。
2.2发电机的电压有效值与电网汇流排 的电压有效值相等或接近相等( 电压差 <10%),否则,会由于电位差而产生内部 无功环流,生成很大的电磁冲击力。
2.3发电机的频率应与电力系统电源的 频率基本相等( 频率差不能超过 0. 5~1 Hz),否则会因为拍振电流和拍振电压的 有功分量在发电机轴上产生力矩,使发电 机产生机械振动,造成机组损坏。
随着风电装机容量的增大,尤其在大 量新型风力发电机组开始投入运行后,风 电场装机达到可以和常规机组相比的规模, 并且由原来单机容量较小时直接和配电网 相连或者直接给用户供电,改为直接接入 电网,甚至出现在一定区域内供电系统网 络中风电占有一定的比例,对电力系统的 影响越来越大,使得风力发电并网越来越 重要。因此,分析风力发电机组并网方式, 是风电事业发展的关键技术问题之一,同 时也是电网企业安全、经济运行的一个新 课题。
2 .风力发电机组并网条件
风力发电机的并网直接影响到风力发 电机能否向输电电网输送电能以及机组是 否受到并网时冲击电流的影响,为了使发 电机能并网发电,必须满足以下条件:
2.1发电机发出电源的相序与电网汇流 排相序相同。否则,不但发电机不能进入 同步,而且会产生很大的拍振电流,使发 电机绕组承受过大的电动力,使线圈变形 绝缘短路。
1.4 高压同步发电机 此类发电机是将同步发电机的输出端 电压提高到 10~20KV,甚至高达 40KV 以 上,可以不用变压器而直接与电网连接。由 于不用增速齿轮箱,以低速运转,减少了齿 轮箱运行时的能量损耗,同时由于省去了 一台升压变压器,免除了变压器运行时的 损耗,效率可提高 5% 左右。但由于使用大 量的永磁材料,对永磁材料的性能稳定性 要求高。
Fra Baidu bibliotek
正弦波波形。
3 .风力发电机的并网方式分析
3.1 异步发电机组的并网 目前国内及国外与电网并联运行的风 力发电机组中,多采用异步发电机,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 会使电压保护回路动作,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: 3.1.1 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,而后者通过自动空气开关合闸完成并 网过程。显见这种并网方式比同步发电机 的准同步并网简单。但如上所述,直接并 网时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用于异步发 电机容量在百千瓦级以下或电网容量较大 的情况下。中国最早引进的 55KW 风力发 电机组及自行研制的 50KW 风力发电机组 都是采用这种方法并网的。 3.1.2 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,显见这种并网方 法的经济性较差,中国引进的 200KW 异 步风力发电机组,就是采用这种并网方 式,并网时发电机每相绕组与电网之间皆 串接有大功率电阻。 3.1.3 通过可控的晶闸管软并网 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。接入双向 晶闸管的目的是将发电机并网瞬间的冲击 电流控制在允许的限度内。其并网过程如 下:当风力发电机组接收到由控制系统内 微处理机发出的启动命令后,先检查发电 机的相序与电网的相序是否一致,若相序 正确,则发出风力发电机组开始启动的命
电网,并网时基本上无电流冲击。对于无 初始起动转矩的风力发电机组(如达里厄型 风力发电机组) ,风力发电机组在静止 状,可由双馈电机运行于电动机工况来态 下的启动实现。
3.3.2 风力发电机的转速可随风负载的 变化及时做出相应的调整,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。
3.3.3 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。调节励磁 电流的频率,保证发电机在变速运行的情况 下发出恒定频率的电力;通过改变励磁电 流的幅值和相位,可达到调节输出有功功 率和无功功率的目的。当转子电流相位改 变时,由转子电流产生的转子磁场在电机气 隙空间的位置有一个位移,从而改变了双 馈电机定子电动势与电网电压向量的相对 位置,也即改变了电机的功率角,所以, 调节励磁不仅可以调节无功功率,也可以 调节有功功率。
3.2 双速异步发电机的并网 目前在与电网运行的风力发电系统中, 由于风能的随机性,风速的大小经常变化, 为满足风速的变化,充分利用低速时的风 能,增加全年的发电量,近年来广泛采用双 速异步发电机。其并网方法是当风速传感 器测量的风速达到启动风速,(一般为 3. 0 ~4 .0 m /s)以上,并连续维持达 5 ~ 10min 时,控制系统计算机发出启动信号, 风力机开始启动,此时发电机被切换到小 容量低速绕组,根据预定的启动电流,当转 速接近同步转速时,通过晶闸管接入电网, 异步发电机进入低功率发电状态。若风速 传感器测量的1min平均风速远超过启动风 速,则风力机启动后,发电机被切换到大容 量高速绕组,当发电机转速接近同步转速 时,根据预定的启动电流,通过晶闸管接入 电网,异步发电机进入高功率发电状态。 3.3 双馈异步发电机的并网 应用具有绕线转子的双馈异步发电机 与电力电子技术的 IGBT 变频器及 PWM 控 制技术结合起来,实现变速运行的风力发 电机组发出恒频恒压的电能,并与电网连 接。其并网方法为双馈发电机定子三相绕 组直接与电网相联,转子绕组经交—交循环 变流器联入电网。这种系统并网运行的特 点如下: 3.3.1 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
风力发电机组并网方式分析
李建春 酒泉职业技术学院 735000
摘 要 随着我国风电行业的发展,风电装机容量快 速增长,通过分析目前风电场所选用的不同 类型风力发电机组, 并对不同的风力发电机组 并网方式进行探讨,指出风力发电机组控制 方式及并网对供电系统带来影响。 关键词 风力发电机组;并网;控制;分析 中图分类号:T M 6 1 4 文献标识码:B
大型风电机组实际运行经验中,齿轮 箱是故障率较高部件。采用无齿轮箱结构 则避免了这种故障的出现,可以大大提高 风电机组的可靠性,降低风电机组载荷,提 高风力机组寿命。目前我国部分风电场使 用直接驱动永磁式同步发电机,运行时全 部功率经 A — D — A 变换,接入电力系统 并网运行。与其他机型比较,需考虑谐波治 理问题。
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