风力发电技术及并网运行

新能源

1风力发电基本原理

风力发电机组是一种将风能转化为电能的能量转换装置，包括风力机和风力发电机两大部分，如图1所示。工作过程：空气流动的动能作用在风力机风轮上，推动风轮旋转起来，将空气动力能转变为风轮旋转机械能，风轮的轮固定在风力机轴上，通过传动系统驱动风力发电机轴及转子旋转，风力发电机将机械能转变成电能输送给负荷或电力系统。

图1风力发电控制系统的组成

2风力发电的电能储存

独立运行的风力发电机组输出的是不稳定的交流电，必须用储能，才能为用户提供连续平稳的电能。但由于风能是随机性能源，有间歇性，并且是不能直接储存起来的，配备适当的蓄能装置是必要的。风力强时发电及蓄能；风力弱或无风时，蓄能装置释放能量并转换为电能。当前风力发电系统中的蓄能方式主要有蓄电池、飞轮、抽水、压缩空气、电解水制氢、超级电容器储能等几种。

3风电的离网运行方式

3.1直流供电

直流供电是小型风力发电机组独立供电的主要方式，它将风力发电机组发出的交流电整流，并采用储能装置存储剩余的电能，使输出的电能具有稳频、稳压的特性。小型风力发电机组的直流供电，主要用作照明、电视机和收音机等生活用电的电源，也可以用作电围栏等小型生产用电的电源。用电运营方式分为3种：一户一机的供电方式；直流线路供电，这种方式一般是一机多户，或者多机多户合用，其线路电损较多，所以，用户不宜相距太远；充电站式供电，这种情况下，风力发电站就是一个充电站，各户自备蓄电池到发电站充电，充电后取回自用。

3.2交流供电

（1）交流直接供电。

（2）通过“交流-直流-交流”逆变器供电。先将风力发电机发出的交流电整流成直流，再用逆变器把直流电变换成电压和频率都很稳定的交流电输出，保证了用户对交流电的质量要求。

4风力发电机组的并网运行

风力发电机组的并网运行，是将风力发电机组发

风力发电技术及并网运行

马林生，胡元啸，翟艳烁，冯盼盼，李起

（三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002）

摘要：介绍风力发电兴起的原因、基本原理、电能储存、离网和并网运行方式和特点，以及恒速恒频风力发电机组的并网运行方法。

关键词：风能；风电离网；运行方式；补偿

Wind Power Technology and Parallel Operation

MA Lin-sheng,HU Yuan-xiao,ZHAI Yan-shuo,FENG Pan-pan,LI Qi

(Electrical Engineering&Renewable Energy School of China Three Gorges University,Yichang443002,China)

Abstract：The reasons for the rise of wind power,the principles,energy storage,off-grid,grid operation methods and fea-tures of wind power are introduced.The constant speed constant frequency wind turbine and parallel operation method are dis-cussed.

Keywords：wind power；wind power off-grid；operation method；compensation

作者简介：马林生（1987-），硕士，研究方向为电力系统运

行与控制及风力发电技术。

收稿日期：2011-11-28

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自动化应用

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出的电送入电网，通过电网把电供给电力用户使用，解决了风力发电的不连续、电压和频率不稳定及电能的储存等问题，并且输送给电网的电能质量是可靠的。风力发电机组采用两种方式向网上送电：将机组发出的交流电直接输入网上；将机组发出的交流电先整流成直流，然后再由逆变器变换成与电力系统同压、同频的交流电输入网上。无论采用哪种方式，要实现并网运行，都要求输入电网的交流电具备下列条件：电压的大小与电网电压相等；频率与电网频率相同；电压的相序与电网电压的相序一致；电压的相位与电网电压的相位相同；电压的波形与电网电压的波形相同。

电业部门规定发电量够一定规模（一般要求大于500kW）才能申请并网运行。可见，若想实现风力发电机组的并网运行，须统筹考虑设备容量大小、调整控制机构的精度、操作管理水平、发电成本与售电价格等因素。

恒速恒频并网运行方式即风力发电机组的转速不随风速的波动而变化，始终维持恒转速运转，从而输出恒定额定频率的交流电。这种方式目前已普遍采用，具有简单、可靠的优点，但是对风能的利用不充分。

4.1同步风力发电机的并网运行

同步风力发电机与电网并联运行的电路如图2所示。除风力机、齿轮箱外，电气系统包括同步发电机、励磁调节器、断路器等，发电机通过断路器与电网相连。

图2风力驱动的发电机与电网并联

4.1.1并网方法

（1）准同步并网：不会产生冲击电流及电网电压的下降，风力发电机组和电网受到的冲击最小，也不会对发电机定子绕组及其他机械部件造成损坏；但是要求风力发电机组调速器调节转速，使发电机频率与电网频率的偏差达到容许值时方可并网，因此对调速器的要求较高。

（2）自同步并网：同步风力发电机在转子未加励磁，励磁绕组经限流电阻短路的情况下，由风力机拖动，待同步发电机转子转速升高到接近同步转速（80%~ 90%同步转速）时，将发电机投入电网，再立即投入励

磁，靠定子与转子之间电磁力的作用，发电机自动牵入同步运行。

4.1.2有功功率调节

风力发电机并入电网后，从风力机传入发电机的机械功率P

m

除小部分补偿发电机的机械损耗q

m

、铁

耗q

Fe

和附加损耗q

ad

外，大部分转化为电磁功率P'

M

,即P'M=P m-(q m+q Fe+q ad)

电磁功率减去定子绕组的铜损耗q

Cu1

后就得到发电机输出的有功功率P：

P=P M-q Cu1

对于一个并联在无穷大电网上的同步风力发电机，要增加它的输出点功率，就必须增加来自风力机的输入机械功率。随着输出功率的增大，当励磁不作调节时，电机的功角δ就必然增大。由同步发电机的功角特性可以得出，当δ=90°（凸极）时，输出功率达到最大值，称为失步功率。达到这个功率后，如果风力机输入的机械功率继续增加，则δ超过90°，电机输出功率下降，无法建立新的平衡，电机转速将连续上升而失去同步，同步发电机不再能稳定运行，所以这个最大功率又称为发电机的极限功率。避免出现失步的办法：设计出风轮转子及控制系统，使其具有快速桨距调节功能，能对风速的急剧变化迅速作出反应；短时间增加励磁电流，功率极限也随着增大，静态稳定度有所提高；选择具有较大过载倍数的电机，即发电机的最大功率比起它的额定功率来有一个较大的裕度。

4.1.3无功功率调节

电网的总负载中，除了需要有功功率，有的负载还需要无功功率，如异步电动机和变压器等都需要电感性的无功功率。同步发电机与电网并联后，不仅能向电网发出有功功率，而且能向电网发出无功功率，这是它的一个很大的优点。在风力机功率不变时，调节励磁电流，可以改变发电机的无功功率。

4.1.4并网运行特点

（1）并网过程通常可以使用计算机自动检测、操作，对风力发电机的调速装置要求较高，成本较贵。

（2）并网时能使瞬态电流减至最小，从而让风力发电机组和电网受到的电流冲击也最小。

（3）当风力发电机组功率保持不变时，通过调节励磁电流，不仅能向电网发出有功功率，而且能向电网发出无功功率，有助于提高电网的供电能力。

新能源

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2012

自动化应用2期