第四讲 风力发电机组的并网运行

第四讲风电场并网运行4.1同步发电机的并网运行4.2异步发电机的并网运行4.3变速恒频风力发电机的并网运行4.4同步发电机交/直/交系统的并网运行4.4磁场调制发电机系统的并网运行4.5双馈发电机系统的并网运概述风能是一种不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行，风力发电装置本身难以提供稳定的电能输出。解决风力发电稳定供电的办法：——大型风力发电机(1000kW以上)并网运行；——中型风力发电机(从几十kW到几百kW)或者并网运行，或者与柴油发电机或其他发电装置并联互补运行；——小型风力发电机（10kW以下）主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。在并网运行方式中主要解决的问题是并网控制和功率调节问题。风电系统所采用的发电机类型不同，并网运行方式和问题也不同。4.1同步发电机的并网运行风力驱动的同步发电机与电网并联运行的电路如图1所示，包括风力机、增速器，同步发电机，励磁调节器，断路器等，发电机经断路器与电网相联。（1）风力发电机组的起动和并网过程风向传感器测出风向并使偏航控制器动作，使风力机对准风向。当风速超过切入风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。当发电机被风力机带到接近同步速时，投入励磁调节器，向发电机供给励磁，并调节励磁电流使发电机的端电压接近于电网电压。在风力发电机被加速几乎达到同步速时，发电机的电势或端电压的幅值将大致与电网电压相同。它们的频率之间的很小差别将使发电机的端电压和电网电压之间的相位差在0°和360°的范围内缓慢地变化，检测出断路器两侧的电位差，当其为零或非常小时使断路器合闸并网。合闸后由于有自整步作用，只要转子转速接近同步转速就可以使发电机牵入同步，使发电机与电网保持频率完全相同。同步并网的一些特点并网过程通过微机自动检测和操作。同步并网方式并网时瞬态电流小，因而风力发电机组和电网受到的冲击也小。对调速器的要求较高。要求风力机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，如果并网时刻控制不当，则有可能产生较大的冲击电流，甚至并网失败。控制系统费用较高，对于小型风电机组将会占其整个成本的一个相当大的部分，由于这个原因，同步发电机一般用于较大型的风电机组。同步并网条件同步并网同步发电机并网合闸前，为了避免电流冲击和转轴受到突然的扭矩，需要满足一定的并网条件，这些条件是：①风力发电机的端电压大小等于电网的电压；②风力发电机的频率与电网频率相同；③并网合闸瞬间，风力发电机与电网的回路电势为零；④风力发电机的相序与电网的相序相同；⑤电压的波形与电网电压的波形相同。由于风力发电机有固定的旋转方向，只要使发电机的输出端与电网各相互相对应，即可保证第④个条件得到满足。第⑤个条件在设备选型和制造时可得到保证。所以在并网过程中主要应检查和满足前三个条件。风电机输出的电功率1•要增加它的输出电功率，就必须增加来自风力机的输入机械功率同步发电机的功角特性输出功率增大，励磁不作调节，电机的功率角δ增大。同步发电机的功角特性（图4-2）:——当δ=90°，输出功率达到最大值，sinδ=1,最大功率叫做失步功率(极限功率)。——δ＞90°，风力机输入的机械功率继续增加，发电机输出电功率下降，无法建立新的平衡点，电机加速而失去同步，——失步。如果一台风力发电机运行于额定功率状况，突然一阵剧烈的阵风，有可能导致输出功率超过发电机的极限功率。——避免失步办法：①设计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；②短时间增加励磁电流，功率极限跟着增大，静态稳定极限提高③选择具有较大过载倍数的电机，最大功率比额定功率有较大的裕度。(3)无功功率调节无功功率平衡。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。整个电网要是无功功率发得不够，就会导致电网的电压下降，这对用户是很不利的。风力机驱动的同步发电机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。同步发电机励磁调节（调无功）。同步发电机与电网并联后，如果风力机功率不变，通过调节发电机的励磁电流，就可以改变发电机输出的无功功率。4．2异步发电机的并网运行异步电机并网条件：①转子转向应与定子旋转磁场转向一致，即异步发电机的相序应和电网相序相同；②发电机转速应尽可能接近同步速并网的第一个条件必须满足，否则电机并网后将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序。第二个条件不是非常严格，但愈是接近同步速并网，冲击电流衰减的时间愈快。异步发电机并网方法：①直接并网；②降压并网；③软起动并网等方式。①直接并网直接并网过程：风速达到起动条件时风力机起动，异步发电机被带到同步速附近(一般为98%~100%同步转速)时合闸并网。特点：——对合闸时的转速要求不是非常严格，并网比较简单。——由于发电机并网时本身无电压，故并网时有一个过渡过程，流过5~6倍额定电流的冲击电流，一般零点几秒后即可转入稳态。——与大电网并联时，合闸瞬间的冲击电流对发电机及大电网系统的安全运行的影响不大。对小容量的电网系统，并联瞬间会引起电网电压大幅度下跌，从而影响接在同一电网上的其他电气设备的正常运行，甚至会影响到小电网系统的稳定与安全。——只适用于异步发电机容量小于百千瓦以下，而电网容量较大的情况下。如我国早期引进的55kW和后来国产的50kW风力发电机组都采用直接并网方式。③降压并网并网过程：并网前，在异步发电机与电网之间串接电阻或电抗器或者接入自耦变压器，以达到降低并网瞬间冲击电流幅值及电网电压下降的幅度。并网后，将电阻、电抗短接，避免耗能。适用于百千瓦以上的发电机组，我国引进的200kW异步风力发电机组就是采用这种并网方式。这种并网方式的经济性较差。③软起动并网方式双向晶闸管控制的软起动并网法，如图4-3所示。并网过程:风力机将发电机带到同步速附近，发电机输出端的断路器D闭合，使发电机经一组双向晶闸管与电网联接，双向晶闸管触发角由180°至0°逐渐打开，双向晶闸管的导通角由0°至180°逐渐增大。通过电流反馈对双向晶闸管导通角的控制，将冲击电流限制1.5~2倍额定电流以内，从而得到一个比较平滑的并网过程。瞬态过程结束后，微处理机发出信号，用一组开关K将双向晶闸管短接，结束风力发电机的并网过程，进入正常的发电运行。引进和国产的250、300、600kW的风力发电机都采用这种起动方式。特点:这种并网方式要求三相晶闸管性能一致，控制极触发电压、触发电流一致、全开通后压降相同，才能保证晶闸管导通角在0°至180°同步逐渐增大，保证三相电流平衡，否则对发电机有不利影响。并网过程中，每相电流为正负半波对称的非正弦波，含有较多奇次谐波，应采取措施加以抑制和消除。（2）并网运行时的功率输出异步发电机向电网送出的功率及功率因数，取决于转差率s、电网电压U及电机参数R、X。并网后电机运行在其转矩—转速曲线的稳定区。当风力机传给发电机的机械功率及转矩随风速而增加时，发电机的输出功率及其反转矩也相应增大，原先的转矩平衡点A1沿其运行特性曲线移至转速较前稍高的一个新的平衡点A2，继续稳定运行。当风力机输入机械转矩大于发电机最大输出功率（最大反转矩）时，发电机输出电功率（反转矩）减小，从而导致转速迅速升高，引起飞车。失速保护或限速机构，保证风速超过额定风速或阵风时，使风力机输入的机械功率被限制在一个最大值范围内，保证发电机的输出电功率不超过其最大转矩所对应的功率值。emJMMdtdsT异步风力发电机的功率输出简化后的风力发电机稳态等效电路和数学模型r2/sx1x2xmUI22222)/(/kexsrsrUP222222242224kekexPrxPrUrUs))((tan22221sxrsxxxrmmkkemmkkePsxrsxxxrQ2222)(电磁功率：滑差：异步发电机的功率因数角：无功功率与有功之间的关系：注意！异步发电机的最大转矩与电网电压的平方成正比，电网电压下降会导致发电机的最大转矩成平方关系下降，因此如电网电压严重下降也会引起转子飞车；电网电压上升过高，会导致发电机励磁电流增加，功率因数下降，并有可能造成电机过载运行。对于小容量电网应该配备可靠的过压和欠压保护装置，另一方面要求选用过载能力强(最大转矩为额定转矩1.8倍以上)的发电机。（3）无功功率及其补偿异步发电机需要落后的无功功率主要是为了励磁的需要，另外也为了供应定子和转子漏磁所消耗的无功功率。一般中、大型感应电机，励磁电流约为额定电流的20%~25%，因而励磁所需的无功功率就达到发电机容量的20%~25%，再加上第二项，总共所需的无功功率约为发电机容量的25%~30%。功率因数校正电容器（PFC）无功补偿。接在电网上的异步发电机从电网吸取落后的无功功率，加重了电网上其他同步发电机提供无功功率的负担，造成不利的影响。所以异步风力发电机并网运行，通常要采用功率因数校正电容器（PFC）进行适当的无功补偿。PFC可以根据风机出力、电网电压水平等进行优化分组投切。动态无功补偿设备（如SVC、SMES等）补偿，对改善风电场的电压水平和电力系统的电压稳定性是很有效的。无功补偿例丹麦Ｎ43/600ｋＷ异步发电机的功率因数为0.62～0.87。风机具有在额定功率下的无功补偿和在无负载时的无功补偿2种能力，单机提供的无功为:200～300ｋｖａｒ，可根据发电机的运行工况进行自动分组投切，当发电机满载时，功率因数一般都能补偿到0.95以上，见表2。法国的无功补偿方法4．3变速恒频风力发电机的并网运行变速恒频风电系统的一个重要优点是可以使风力机在很大风速范围内按最佳效率运行。从风力机的运行原理可知，这就要求风力机的转速正比于风速变化并保持一个恒定的最佳叶尖速比，从而使风力机的风能利用系数CP保持最大值不变，风力发电机组输出最大的功率。因此，对变速恒频风力发电系统的要求，除了能够稳定可靠地并网运行之外，最重要的一点就是要实现最大功率输出控制。（1）同步发电机交/直/交系统并网运行这种系统与电网并联运行的特点：1)由于采用频率变换装置进行输出控制，并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响。2)因为采用交/直/交转换方式，同步发电机的工作频率与电网频率是彼此独立的，风轮机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时可能出现的失步问题。3)由于频率变换装置采用静态自励式逆变器，虽然可以调节无功功率，但有高频电流流向电网。4)在风电系统中采用阻抗匹配和功率跟踪反馈来调节输出负荷可使风电机组按最佳效率运行，向电网输送最多的电能。反馈控制电路：1）功率检测器。连续测出输出功率，提供正比于实际功率的输出信号。2）功率变化检测器。对功率检测器的输出进行采样和储存，和下一个采样相比较。新的采样小于先前的数值时，逻辑电路就改变状态；新的采样大于先前的数值，逻辑电路就保持原来的状态。3）控制电路。接受来自逻辑电路的信号并提供一个经常变化的输出信号，当逻辑电路为某一状态时输出就增加，而为另一状态时就减少。控制信号被用来触发逆变器的晶闸管，从而控制输送到电网的功率。控制方案的特点：它不仅要求风力机功率输出最大，而是要求整个串联系统(包括风力机、增速箱、发电机、整流器和逆变器)的总功率输出达到最大#（2）磁场调制发电机系统的并网运行图4-6示出采用磁场调制发电机的风力发电系统的一种控制方案。它的中心思想是测出风速并用它来控制电功率输出，从而使风力机叶尖速度相对于风速保持一个恒定的最佳速比。当风力机转子速度与风速的关系偏离了原先设定的最佳比值时则产生误差信号，这个信号使磁场调制发电机励磁输出，直至符合上述比值为止。图中风速传感器测得的风速信号通过一个滤波电路，目的是使控制系统仅对一段时间的平均风速变化作出响应而不反应短时阵风。磁场调制发电机系统输出电压的频率和相位取决于励磁电流的频率和相位，而与发电机轴的转速及位置无关，这种特