风力发电技术综述

风力发电技术综述摘要：风力发电是风能利用的主流形式。在全球性能源危机和提倡保护大气环境的今天，风力发电正作为可再生能源中技术最成熟、最环保的发电方式之一，在世界各国得到大力发展。介绍了风力发电与传统发电方式相比的优势和特点，阐述了风力发电系统的原理及其中的双馈风力发电机单机组的控制方法，最后简单说明了目前大规模风电系统接入电网遇到的问题和发展的方向。关键词：风力发电；双馈风力发电机；控制方法；故障穿越1风力发电的优势和特点现代社会，火力发电是最传统的发电方式，它占有着全球70%以上的发电容量，但是火电使用的煤炭等能源是不可再生的，在本世纪中叶就即将消耗殆尽，同时火电燃烧排放的气体也极大地污染着我们的大气。于是随着全球环保意识和对能源濒临枯竭的危机感不断加强，上个世纪末，世界各国政府纷纷开始制定新的能源政策，将发展的重点放在了水能、核能、风能、太阳能、地热能、潮汐能等新型可再生能源上。这些新的政策正改变着电力行业的格局，使电力行业在可持续发展的能源工业中得到了新的机遇，同时在如何高效率应用这些新型能源上不断挑战自我。这其中风力发电技术在八十年代中期以来受到普遍重视，欧美各国纷纷开始研制自己的风力发电系统，风力发电机的功率逐步从500KW上升到2MW，其中丹麦、德国和美国的风力发电与风能利用技术相对成熟。随着现代科学技术的飞速发展，特别是将空气动力学、材料科学和大功率电力电子技术的最新成果应用于新型风电机组的开发研制，风力发电在这短短的一二十年里有了长足的发展。1981-1992年间，全球风电机组装机容量以每年65%左右速度稳步增长，1992年增加到2650MW。1995年，全球风力发电新增装机容量1300MW，比1994年增加35%。到1996年，世界风机总容量已超过5000MW。在我国，随着我国国民经济持续快速增长，我国的用电负荷和用电量与日俱增，由于传统火电的发展并不能跟上经济发展的需求，电力供应紧张的局面一年比一年加剧。并且煤炭等化石能源的过度使用，不仅使资源濒临枯竭，还造成了严重的环境污染。所以我国政府也开始大力发展清洁能源发电技术，主要集中在水电、核电和风电这三大比较成熟的发电技术上。对于水电来说，它受很大的地域限制，而核电由于难以处理核废料，所以也有利有弊。风能则是一种清洁绿色、可再生的能源，对环境几乎无污染，适合大规模发展、可以大大缓解我国目前的能源紧缺问题并改善能源结构，减少对火电的依赖性。如今的风力发电正逐步走向规模化和产业化，大型并网风力发电场成为风力发电的主流。随着风力发电在电网中的比例越来越大，风力发电成为除水力发电以外最成熟、最具可开发性的一种可再生能源发电方式。大力发展风力发电，对减少大气污染、发展替代能源、促进社会经济发展都有重要的意义。2风力发电的方式及其原理目前的风力发电主要有以下两种方式：定桨距恒速恒频和变桨距变速恒频。而目前的发展趋势是从定桨距恒速恒频向变桨距变速恒频逐渐过渡。这是因为：一、从定桨距到变桨距可以提高风能的采集、利用程度，使其在额定点具有较高的风能利用系数（风能利用系数：WmPPC/P；mP—通过桨叶旋转面积的功率，WP—风力发电机吸收输出的机械功率），改善输出功率特性，提高起动性能和制动性能；二、从定速到变速可以使风机在低风速时保持最佳叶尖速比（桨叶尖线速度与风速之比：/R；R—桨叶半径，—风速，—桨叶旋转角速度）来获得最大风能俘获；在高风速时，利用风轮储存或释放能量，提高传动系统的柔性，使功率输出更加平稳。vv0PP额0变桨距方式定桨距方式图1定桨距风力发电机效率曲线如图1所示，定桨距风机在过了额定功率后，为了保护风机，风轮转速变慢，运行效率下降。而此时变桨距风机通过变桨，可以提高其运行效率。2.1定桨距恒速恒频方式定桨距恒速发电一般采用的是笼型异步电机，其转速基本上保持恒定，波动较小。这种方式不需要复杂的同步调速装置，但风轮的叶尖速比随风速变化，难以达到最高的风能转换效率。发电时桨叶通过涡轮机拖动异步发电机转动，转速略超过同步转速后，转差率s和转矩eT变负，电机工作于发电状态。随风速变化，定桨距风机通过调整桨叶角β来控制输出功率和转速。输出有功小于额定值时，β一直保持零值；输出有功一旦超过额定值，倾角控制才起作用，使得输出有功保持在额定有功值。定桨距恒速发电适合用于小功率，通常不大于800kW。2.2变桨距变速恒频方式由于只有在特定的叶尖速比下，风能的利用系数才最大，则在每一特定风速下，风轮在一定转速时才能得到最大功率输出。所以为了要在各种风速下都能获得最大风能，发电机必须变速运行。在各种风速下最大功率点的连线称为最佳功率曲线：3optmKP150020001000500转速（rpm）输出风能（KW）1020304050606789101112风速(m/s)最佳功率曲线Popt图2风力发电机的最佳功率曲线变桨距变速发电采用同步发电机或双馈发电机发电，然后通过电力电子变换器，使电机接入恒频、恒压电网发电。变速恒频发电的类型有：1）交—直—交变换方式（直驱式）ACDCDCAC叶轮电网同步发电机图3交—直—交变换方式如图3所示这种方式，一般采用永磁同步发电机。工作时发电机输出频率和电压随转速变化的交流电，经一台单象限IGBT电压型交直交变频器调频后直接接入恒压、恒频电网。所以这种方式的特点是变频器是全功率的，即发电机的全部电功率都通过变频器。2）交流励磁方式（双馈式）叶轮ACDCDCAC变速箱双馈异步发电机电网图4交流励磁方式这种方式由绕线式异步发电机、变频器和控制环节组成，其定子绕组直接接入电网，转子采用三相对称绕组，经双向电压源变频器与电网相连，给发电机提供交流励磁，励磁频率即为发电机的转差频率，通过可控变频器对转子的输入频率、幅值、相位调控，进行交流励磁发电，所以这种异步发电机又称交流励磁发电机或双馈发电机。双馈系统的特点是变频器中仅流过转差功率。双馈方式中的控制环节通过对励磁电流的频率进行控制，可以使发电机在变速运行时，发出的电流始终保持在工频输出，有利于并网运行。同时，双馈风力发电机组用齿轮箱变速驱动发电机，能够对风机转速精确调整，从而在相当宽的范围内跟踪最优叶尖速比，使风轮保持在最佳叶尖速比状态下运行，风能利用系数接近最大值，获得更多的能量，功率输出相对平稳。双馈发电机目前是风力发电机的主流机型。与鼠笼式转子的异步发电机相比，双馈发电机需要增加双馈调节控制系统，包括励磁变压器、逆变器、测速运算器、微处理控制器等装置。一般兆瓦级以上的风力发电机均采用双馈发电机。同时，通过IGBT控制的电压源变频器与电网相连，其中IGBT在四象限运行，模块采用PWM技术，输出正弦波电压，保证发电机电压和频率不受转子速度的影响，通过桨距角调整与变频器控制相结合，风机能够在次同步速、同步速和超同步速3种运行状态中自由切换。2.3双馈式风力发电机控制策略叶轮增速齿轮四象限变频器电网交流励磁控制器风力发电控制器桨距控制器P*Q*风力发电控制部分变换器部分控制信号图5单机组控制系统的组成如图5所示，双馈式风力发电机控制环节由风力发电控制和变换器这两大部分组成。其中风力发电控制部分的作用是发出输入转矩与输出转矩指令，控制发电机调速，完成最大功率的跟踪。变换器部分的作用是按主控命令控制发电机的阻力转矩和恒定发电机的输出频率。变换器控制系统控制转子绕组经变频器进行交流励磁，提供转差功率，达到变速下输出恒频电能的目的。sfff21当发电机转速n同步速1n时，s0，发电机处于亚同步发电状态，变频器进行正序低频交流励磁，变频器向转子绕组输入功率。当发电机转速n同步速1n时，s0，发电机处于超同步发电状态，变频器进行负序低频交流励磁，转子绕组向变频器输入功率。当发电机转速n=同步速1n时，s=0，发电机处于同步发电状态，变频器进行直流励磁。3风力发电对电网的影响和解决方法3.1风力发电对电网的影响及各国对风电的要求由于风力发电存在间歇性，对风力预测难度大以及风电机组本身的运行特性，使得风电机组的输出功率是波动的，有可能造成电压偏差、电压波动和闪变、谐波以及周期性的电压脉动，所以风力发电的电能质量不高。对于大量风电存在的系统，因为大量小惯量的风电机组代替了常规同步发电组，系统的暂态稳定性也发生了变化。另外，系统故障时，风电机组可能因为电压、电流越限或转速越限导致保护动作，使风电机组解列，系统将遭受更大的冲击，对系统稳定性不利。所以风电对于电力系统具有一定的负面影响。随着风电场的规模不断加大，风电场对电网的负面影响也随之越来越大，制约着风电场的建设规模。为了描述某一电力系统中能承受风电场容量的能力，人们引入了风电穿透功率极限的概念。风电穿透功率是指系统中风电场装机容量占系统总负荷的比例。根据欧洲国家的统计数据，风电穿透效率达到10%使可行的。各国电网导则对风电接入的要求主要是对故障穿越的要求。如表1所示，爱尔兰的电网导则对故障的持续时间是最为苛刻的，要求穿越的时间最长。而丹麦的最短，仅为100毫秒，但丹麦的电网导则要求风机在经历连续的电网故障下不脱网。德国的电网导则规定：风电场在接入点电压降低后的150毫秒内不脱网，且必须向电网注入最高100%的无功电流。西班牙同样也要求在风电场故障穿越期间向电网注入无功电流。表1各国对风电故障穿越能力的要求国家电压等级故障穿越能力故障时限电压跌落水平恢复时间电压质量无功电流注入丹麦DS100ms25%rU1s2,3-ph无TS100ms25%1s1,2,3-ph无爱尔兰DS/TS625ms15%rU3s1,2,3-ph无德国DS/TS150ms0%rU1.5s一般达到100%英格兰DS/TS140ms15%rU1.2s一般无西班牙TS500ms20%rU1s一般达到100%意大利35kV500ms20%rU0.3s一般无美国TS625ms15%rU2.3s一般无加拿大（安大略省）TS625ms15%rU——无加拿大（魁北克省）TS150ms0%rU0.18s正序无还有其他方面的要求包括有功功率控制、频率调节、电压控制、保护配置及整定和通信能力。3.2当前低压穿越的方法简述1、改进的矢量控制。考虑到故障时定子电流的变化的矢量控制策略。这种控制策略提高了故障状态下对转子电流的控制能力，但是对转子电流的有效控制是以提高转子电压来实现的，容易造成直流侧电压的波动。2、对零序、负序磁链的抵消。其中关键步骤是分离定子磁链中正序、负序和零序分量。通过控制转子电流，可以抵消故障时定子磁链中出现的零序和负序分量维持磁链的平衡。这种方法减弱了故障时的功率及转矩震荡，但是控制性能与零序和负序磁链的分离性能有关。若分离环节存在较大的时延，将影响控制性能。3、在正向、反向同步旋转坐标上的联合控制。这种控制可控性强，但是运算复杂，其中包括多个旋转变换和正序、负序的分离环节，这些环节都有可能引入误差降低控制性能。4、内模控制。内模控制方法是一种基于过程数学模型进行设计控制器设计的新型控制策略。它的优点在于设计简单，控制性能好和在系统分析方面无需精确地对象模型，控制器参数调节方便，在引入滤波器后，系统可能获得较好的鲁棒性。其缺点在于内模控制器是基于模型最小相位部分的逆，在输入型号的跟踪响应、外界扰动的消除上并非是理想的控制器，而只能根据模型来设计滤波器的结构、层次，并在滤波常数上进行调整，在系统的动态跟踪品质、稳态误差、扰动消除和鲁棒稳定性之间取得一定得平衡。5、直接转矩控制。直接转矩控制是在静止坐标中实现的，避免了旋转变换。控制结构简单，控制手段直接。它通过控制定、转子磁链的夹角来实现有功、无功功率的控制。不过一般认为转子磁链的准确估计比较困难。6、直接功率控制。直接功率控制可以认为是直接转矩控制和矢量控制的结合。与直接转矩控制的区别是，直接功率控制只对定子磁链进行估计，相对于估计转子磁链难度比较小。直接功率控制通过旋转合适的转子侧电压矢量，来直接控制定子侧的有功和无功功率，实现对有功功率和无功功率的独立调节。以上这些便是当今低压穿越的一些方法。各有利弊，相