风电基本原理及大规模风电并网运行问题

风力发电技术基本原理及大规模风电并网运行问题主要内容1.风力发电技术的基本原理及其发展2.大规模风电并网的运行问题3.风电场故障穿越原理及要求；4.风电大规模脱网故障机理；1、风力发电技术的基本原理及其发展1180年，西欧，水平轴风车历史上第一个确证的风车：阿富汗，公元644年，直立轴，谷物磨坊16世纪：荷兰风车，通过转动风车的上部来跟踪风向1792：Jealousie叶片，可以调节输出功率和转速人类利用风能的历史已有几千年。图片来源：中国-德国技术合作项目“中国风电中心“PowerFactory培训早期的风车1.风力发电技术的基本原理及其发展1973年石油危机后，风力发电发展得到欧美一些国家政府的大力支持，风力发电机逐渐由小型到大中型发展。80年代后，有Gerders风力发电机改良的古典三叶片、上风向风力发电机涉及在激烈的竞争中成为商业赢家。90年代，进入到现代风力发电技术。—600-750KW风力发电机—兆瓦级风力发电机组1.风力发电技术的基本原理及其发展Vastas1.5MW风机(63米/1500kW、68米/1650/300kW，1996年）。ELSAM2MW测试风机；NEGMicon1.5MW风力机Nortank1.5MW风机(60米/2×750kW、64米/1500/750kW。(1995年丹麦西部靠近Esbjerg市)兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。1.风力发电技术的基本原理及其发展Bonus2MW风机,主动失速型(72米/2MW,1998年，德国威廉港）NEGMicon2MW风机，浆距调节(72米/2MW，1999年)兆瓦级风机的出现之前，600和750kW的风机一直是主流，。兆瓦级风机主要用于海上或安装地点稀少的地区，因而兆瓦级风机可以开发利用更多的风资源。Nordex2.5MW风机,浆距调节(80米/2MW,2000年，德国Grevenbroich）GE3.6MW风机1.风力发电技术的基本原理及其发展根据主轴与地面的相对位置水平轴、垂直轴根据桨叶与轮毂的连接方式定桨（主动失速）、变桨根据风轮转速恒速、变速根据发电机异步机：普通感应电机（鼠笼型和绕线式）、双馈感应电机、同步机：同步电机（永磁或电励磁）风电机组的分类方法：1.风力发电技术的基本原理及其发展根据传动系统有齿轮箱(半直驱）、直驱（无齿轮箱）根据容量小型（10kW以下）、中型（10-100kW以下）和大型（100kW以上）桨叶数量单叶片、双叶片、三叶片、多叶片并网方式并网型和离网型风电机组的分类方法：1.风力发电技术的基本原理及其发展水平轴风电机组的结构风机主要由四大部分组成：叶轮（含叶片、轮毂等）；机舱（传动系统（主轴、主轴承、齿轮箱和连接轴）、偏航系统、液压与制动系统、电气系统（发电机、控制系统、电容补偿柜等））;塔架；基础等组成。1.风力发电技术的基本原理及其发展风轮（桨叶、轮毂）主轴桨距调节机构（电动伺服机构）偏航机构（电动伺服机构）刹车、制动机构风速传感器发电机并网开关软并网装置变频器控制系统无功补偿设备主变压器转速传感器需要风电机组控制系统协调控制1.风力发电技术的基本原理及其发展风电机组主要部件20世纪初：电气化的发展使风能应用几乎退出历史舞台20世纪70年代中叶：世界范围内出现石油危机，许多国家政府提供基金来帮助进行风力发电研究，Darrieus（达里厄）机型(1973)美国Sandia实验室和加拿大国家空气动力实验室大量研究,具有了实用价值强风时无法承受太大的应力且振动大未得到普遍应用垂直轴风电机组1.风力发电技术的基本原理及其发展风电机组的基本工作原理首先通过风轮把风能转换为机械能，进而借助于发电机再把机械能转化为电能。由于风轮的转速一般比较低（每分钟几转到数十转），而发电机的转速通常很高（一般每分钟超过1000转），因此需要通过齿轮箱变速。1.风力发电技术的基本原理及其发展现代风电机组:体积越来越大,容量越来越大。EnerconE-112Repower5MMultibridM5000容量6MW5MW5MW轮毂高度112米120米102.6米风轮直径114米126米116米已安装地点德国埃姆敦、威廉港等地德国Brunsbüttel德国不莱梅单机容量1.风力发电技术的基本原理及其发展Repower5M双馈感应电机变速风电机组其叶片直径126米，机舱重量400吨，轮毂高度100-120米。1.风力发电技术的基本原理及其发展Repower5M双馈变速风电机组德国：Repower公司额定容量：5MW变桨距控制变速风机(双馈电机)叶片直径：126m机舱重量：400T轮毂高度：陆上：100-120m海上：90-100m图片及资料来源：风力发电技术的基本原理及其发展风电机组的发展额定容量叶轮直径轮毂高度过去的20多年里，风电机组的单机容量和尺寸增长了近100倍。随着技术、制造工艺和材料的改善，风电机组的性能也有了很大提高，稳定性和可靠性不断改善，对电网的冲击逐步减弱。1.风力发电技术的基本原理及其发展1.风力发电技术的基本原理及其发展1.风力发电技术的基本原理及其发展风能的计算：323),(2121VCRVSCPPPw0246810121416-0.10.00.10.20.30.40.5o0o5.2o5o10o15o25pCVRtur/要保持最优叶尖速比，需根据风速变化调节风电机组的转速，因此，只有变速运行才能保证风力机捕获的风能最大、效率最高。理论上最大功率系数为16/27≈0.59空气动力学模型1.风力发电技术的基本原理及其发展211、贝兹理论中的假设叶轮是理想的；气流在整个叶轮扫略面上是均匀的气流始终沿着叶轮轴线；叶轮处在单元流管模型中xdxf1v3v1v1v1v2v通过截面f的空气流（速度为V1）根据Betz理论得到的通过理想风轮的空气流1.风力发电技术的基本原理及其发展22流过一个控制流面f的风功率为3121..2121fvvmE因为流量1.fvdtdxfm由于流管的连续性：332211fvfvfv1.风力发电技术的基本原理及其发展23由于压力变化甚微，可假设密度ρ为常数，所提取的能量即为流入的能量减去流出的能量，即)(212321vvmEEnt所提取的功率则为：)(212321..vvmEEnt1.风力发电技术的基本原理及其发展24当已知风轮面的风速V2时，可求得流量，即2.fvm引入一个合理的假设(Froude-Rankin定理)，即2312vvv将以上两式带入功率表达式，可得到])(1)[1(21212131331.vvvvfvEEnt可见，可提取的功率为风功率乘以功率系数CP,即])(1)[1(2121313vvvvCP1.风力发电技术的基本原理及其发展25对功率系数CP,关于风速比V3/V1求一阶导数并令其为0，可求得最大功率处的风速比为即当时，CP最大，此时CP=0.59上式表明，通过一个理想风机可提取约60%的风含功率。在此，风轮面的风速为，远离其后的风速为。3113vv1331vv132v131v0.00.20.40.60.81.00.10.20.30.40.50.631vv59.027/16max.PC功率系数随风轮下游风速V3与风轮上游风速V1之比的变化曲线1.风力发电技术的基本原理及其发展定桨定速vs.变桨变速风力机输出功率的比较：1.风力发电技术的基本原理及其发展1.风力发电技术的基本原理及其发展风电有功出力-风速特性曲线051015202501002003004005006007008009001000P(kW)v(m/s)•切入风速（一般为3米/秒）；•风速达到并超过额定风速（15米/秒）后，有功功率达到最大值并维持恒定；•切出风速（一般为25米/秒;并网风电发电系统的组成部分风电场/风电机群陆上风电场、海上风电场（近海风电场、潮间带风电场)集电部分（线路）升压变电站(陆上可能多于一级升压，海上可能有集控中心)升压变压器无功补偿装置（电容器、电抗器、静止及动态无功补偿装置）风电场管理系统等（风场监控系统、AGC、AVC）1.风力发电技术的基本原理及其发展升压变电站输电线路PCCWF风电场ABL电网风力发电系统示意图由风电机群组成的风电场A、升压变电站B和输电线路L组成的并网型风力发电系统，是将风电电力通过PCC节点送入电力网络，再供给用户。PCC节点是风电场与电网的连接点，又称公共连接点。通常在升压变电站出口第一个电杆位置，有时也可设置在线路的末端。1.风力发电技术的基本原理及其发展30WindTurbineGearBoxLSHSIGGridCapacitorBanksLSHSDFIGAC/DCDC/ACWindTurbineGearBoxGrid机组性能不断提升目前存在三种风电机组类型：恒速风电机组双馈变速风电机组永磁直驱风电机组我国并网风电机组中双馈变速风电机组约占60%，恒速风电机组约占30%，其他约占10%。恒速风电机组双馈变速风电机组风风力机LS电网AC/DCDC/AC多极永磁发电机NNNNSSSS永磁直驱风电机组恒速风电机组转速范围小效率低鼠笼式感应发电机需要并联电容器组提供补偿WindTurbineGearBoxLSHSIGGridCapacitorBanks1.风力发电技术的基本原理及其发展恒速恒频风电机组（普通异步发电机）该类型风电机组通常只能在很小的转差变化范围内运行，不能充分有效地利用风能。发电机为鼠笼式感应电机，运行时需要从系统中吸收无功功率，可在机端装设并联电容器组提供风电机组所需的无功功率。1.风力发电技术的基本原理及其发展风速模型桨距角控制模型风力机模型轴系模型普通异步发电机tpgengengenwVwPtubtubmeasEP_measEP_恒速恒频风电机组模型及控制风速模型桨距角模型风力机模型轴系模型异步发电机恒速风电机组运行的稳定性取决于风力机的特性及其桨距角控制系统与异步发电机的电磁转矩～转速特性。由于恒速风电机组的异步发电机在运行过程中发出有功功率的同时吸收无功功率，因此恒速风电机组都配备有机端并联电容器组以补偿其无功的消耗。1.风力发电技术的基本原理及其发展变速风电机组（双馈感应发电机DFIG）大变速范围效率高转子绕组通过变频器馈入电网采用空间矢量控制技术实现P-Q解耦控制LSHSDFIGAC/DCDC/ACWindTurbineGearBoxGrid1.风力发电技术的基本原理及其发展变速恒频风电机组（双馈感应电机）双馈感应电机为交流励磁，是异步化同步电机的一种。绕线式转子感应电机作为发电机，转子与定子侧通过变流器联系。能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率高；采用矢量控制技术后可以实现有功功率与无功功率的解耦控制。1.风力发电技术的基本原理及其发展转子绕组中是受控的变频交流励磁电流；转子转速低于同步转速时也可运行于发电状态；定子绕组端口并网后始终发出电功率；但转子绕组端口电功率的流向取决于转差率；能够在较大的范围内实现变速运行，风能利用效率高；拓扑结构：交直交电压型变频器。由两个共用直流环节的背靠背三相整流/逆变器组成。可实现变频、变压和功率双向流动；控制方式：发电机侧变频器采用定子磁场定向矢量控制；电网侧变频器采用电网电压定向矢量控制；可实现发电机的有功功率和无功功率之间的解耦控制。1.风力发电技术的基本原理及其发展变速恒频风电机组（双馈感应电机）变速恒频风电机组（同步电机或永磁同步电机）风风力机LS电网AC/DCDC/AC多极永磁发电机NNNNSSSS发电机为多极永磁同步电机，经过容量与电机容量相当的背靠背式变流