风力发电的并网技术

PART1风力发电概况风力发电作为一种清洁可再生能源，最近20年在世界范围内迅猛发展欧盟目标在2020年风电占整个能源的比例达到20%，还需新增风电装机容量100-200GW。美国能源目标是在2030年通过发展风力发电增加20%，这样也需要新增装机容量300GW。在我国从2004年开始，并网型风力发电进入了一个高速发展阶段，2010年，风电装机容量达到41GW，计划在2020年达到100GW。风力发电概况风力发电概况在过去几年中，尽管海上风电提速，但是陆上风电仍然是风电开发的重点，占全部风电装机的98%以上，海上风电仅占1.3%左右。风机的大型化倾向抬头，世界前十名企业都在大力研发5MW以上的风机，10MW的风机预计会在2015之前下线。从技术路线发展趋势来看，大型化促使了直驱技术的发展。风力发电概况我国风电发展状况风力发电概况050001000015000200002500030000350004000045000全球风电累计装机前十名的国家风力发电概况欧洲最新开发的风力发电机风力发电概况风力发电机组发展趋势风力发电开发的背景和意义PART2风力发电是电力可持续发展的最佳战略。技术创新使风电技术日益成熟，具有强大的市场竞争能力。风力发电技术的推广能减少资源消耗和环境污染,减少温室气体等有害气体的排放,缓解全球变暖,保护环境，有着巨大的社会效益和经济效益。我国拥有丰富的陆上与海上风能资源，适宜大规模开发风力发电。国家发改委2009年3月公布的“关于组织实施可再生能源和新能源高技术产业化专项的公告”中明确指出风力发电是“可再生能源和新能源高技术产业化专项重点领域”我国风能资源主要集中在“三北”地区，大多远离负荷中心。我国积极推进大基地大电网的风电开发模式，一批百万千万级、千万千万级风电基地正在规划风力发电机的主要类型PART3风力发电机机型概述双速异步风力发电机单速异步风力发电机定桨定速型发电机组变桨变速型发电机组异步发电方式双馈发电方式同步发电方式直驱型风电机组半直驱型风电机组多发电机型机组1、定速型风力发电系统双速异步风力发电机4极/6极600KW/125KW单速异步风力发电机4极750、800、850、1300KW特点：结构简单，并网方便；功率因数低，捕捉风能效果较差2、变速型风力发电系统2.1直驱型变速风力发电系统励磁型全功率直驱风力发电系统永磁型全功率直驱风力发电系统无齿轮增速，便于维护，故障率低；但是电机体积庞大直驱型风电机组：永磁或电励磁多极同步发电机直驱型风电机组装置2.2多级增速型变速风力发电系统通过齿轮增速，电机体积小；增加系统维护和故障率。典型的机型是双馈风力发电机双馈风力发电机系统结构图2.3半直驱型变速风力发电系统通过1级齿轮增速，电机体积较小；降低系统维护和故障率，是折中方案。一级行星齿轮箱9：1发电机转速：190rpm；极数：72极。６个500ＫＷ325rpm永磁同步发电机叶片通过紧耦合主轴和单级多输出轴齿轮箱，驱动多个中速永磁发电机;每个发电机有独立的变频器，输出通过直流母线连接在一起，再通过网侧逆变装置连接到电网2.4多发电机型机组风力发电机的控制PART4变速恒频风力发电系统的特点是风力机和发电机的转速可在很大范围内变化而不影响输出电能的频率。可以通过适当的控制，使风力机的转速可变，使风力机的尖速比处于或接近于最佳值，从而最大限度的利用风能。风力机的输出功率与发电机转速的关系图变速恒频风力发电机组的运行分三个阶段：(1)起动阶段。发电机转速从静止上升到切入速度。在切入速度以下，发电机并没有工作，机组在风力作用下作机械转动不涉及发电机变速的控制。(2)在变速运行阶段。发电机转速被控制以跟踪风速的变化，从而获取最大的能量。(3)功率恒定阶段。在额定风速以上，风力发电机组的机械和电气极限要求转子速度和输出功率维持在限定值以下。直驱式永磁同步风力发电机组的主控制框图ACDCDCAC电网发电机变流器有功功率和无功功率控制直流母线电压控制负载曲线功率因数控制变流控制系统P转速控制-满载时桨叶角控制-启动-半载-关机桨距控制模式风机主控制系统桨距驱动桨距角度风速风向变流控制命令偏航驱动刹车控制电流直流电压有功功率和无功功率发电机转速桨距控制PWMPWM电流永磁直驱式同步风力发电机常采用全功率变流装置并网，全功率变流装置采用交-直-交变频系统，使发电机组工作频率与电网频率相互独立。能量全部通过变流器传输至电网。在直驱式永磁同步全功率变流器中，机侧变流器常采用转子磁场定向矢量控制策略，实现发电机的转矩电流与励磁电流独立控制，转矩指令由主控系统发出。直驱式永磁同步风力发电机网侧变流器常采用电网电压定向矢量控制策略，实现有功无功的解耦控制，同时另有直流侧母线电压控制来实现直流环节电压的恒定。双馈式风力发电机机侧变流器控制原理双馈式风力发电机变流器网侧变流器的控制策略与直驱式网侧变流器控制策略相同，机侧变流器常采用定子磁场定向矢量控制策略，实现定子侧有功无功解耦控制双馈式风力发电是在双馈式异步电机的转子中施加转差频率的电压(或电流)进行励磁,调节励磁电压的幅值、频率和相位,实现定子恒频恒压输出。当发电机转子旋转频率fm变化时,控制转子励磁电流频率f2确保定子输出频率f1恒定。设p为极对数,则有f1=fm±f2风电并网对电网的影响PART51.增大调峰、调频难度风电的反调峰特性增加了电网调峰的难度。风电的间歇性、随机性增加了电网调频的负担。电网负荷风机发电3.风机抗扰动能力差，影响电网安全运行在系统发生小扰动时，风电机组退出运行，使电网承受第二次冲击，导致事故扩大。2.加大电网电压控制难度随着大规模风电场接入电网，电网运行控制出现了很大困难。风电场运行过度依赖系统无功补偿，限制了电网运行的灵活性。4.增加电网稳定风险风电的间歇性，随机性增加了电网稳定运行的潜在风险。风电机组在系统故障后可能无法重新建立机端电压，失去稳定，从而引起地区电网的电压稳定破坏。风电并网需考虑的因素风电场无功容量；风电场并网点调节方式(功率因数调节或电压调节)；系统故障时风电场保持并网的能力；跟踪有功功率变化率和减出力；风电场在并网运行过程中需具备的能力风机的穿越故障能力；风电场爬坡能力；风电场为系统稳定提供无功功率支持的能力；风电场响应系统频率变化自动调节出力的能力；与电网保护配置及整定相互配合的能力；风电场(大型)黑启动能力；风电场数据通信能力；风电场在并网运行过程中需具备的能力风机的穿越故障能力；风电场爬坡能力；风电场为系统稳定提供无功功率支持的能力；风电场响应系统频率变化自动调节出力的能力；与电网保护配置及整定相互配合的能力；风电场(大型)黑启动能力；风电场数据通信能力；风电场业主为电网提供可供电网分析计算用的详细风电场模型及参数风力发电机的故障穿越PART6中国国家电网公司已颁布风电场接入电网技术规定，规定的风电场低电压穿越要求为：(1)风电场内的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力；(2)风电场并网点电压在发生跌落后3s内能够恢复到额定电压的90%时，风电场内的风电机组保持并网运行。此外，该规定还明确强调当风电场并网点的负序电压不平衡度2%、短时4%情况下，风电场内的风电机组应能持续不脱网正常运行。低电压穿越标准设备电压暂降到额定电压的百分比电压暂降持续时间（毫秒）01020304050607080901000.01502005006507501000.01200150020003000500010000.0Mustremainconnected丹麦DS&TSGBTS西班牙加拿大HQ意大利V中国TS爱尔兰-DS德国TS美国爱尔兰-TS各国电网公司出台的低电压穿越标准直驱式风力发电机故障穿越保护永磁同步发电机机侧变流器风力机直流母线直流并联直流串联交流串联交流并联当电网发生跌路故障时，由于变流器容量的限制，会出现机侧变流器与网侧变流器能量不平衡，会引起直流侧过电压与过电流。当检测到电网发生跌落故障时，多余的有功能量可以通过不同方式的泄放电阻得以消耗，如在直流侧串联、并联泄放电阻模块或在电机交流侧串联、并联泄放电阻模块。双馈式风力发电机故障穿越保护由于双馈式风力发电机主要功率回路直接与电网相连,当电网发生故障电压骤降时,定子电压和电网电压之间的差值电压加在定子电阻和漏感上,定子回路就会产生很大的瞬态故障电流，并进一步引起转子回路的过压和过流。若故障发生前电机运行在超同步状态时,还会引起变流器直流侧母线过电压。单纯靠控制策略的改进将难以实现大值低电压穿越,需要通常采用投入保护电路的方法来实现故障穿越。被动式Crowbar完全是一种自我保护形式的电路,不能在电网故障切除后迅速切除。主动式Crowbar电路采用IGBT等可关断器件可以在其动作后的任意时刻切断转子回路的Crowbar保护电路使得风机变流器重新开始工作。双馈式风力发电机故障穿越保护湖南大学风电团队的相关工作PART7在直驱永磁风力发电机设计、兆瓦级风电变流控制系统、风力发电系统故障穿越技术以及风电系统电力电子变流技术和控制技术领域积累了深厚的理论基础和丰富的工程经验担了多项国防科研课题及相关的国家重大课题，取得了一系列成果发表相关科研论文100多篇，申请和获得发明专利10项获得国家科技进步二等奖4项，教育部提名国家科技进步二等奖1项，部省科技进步一等奖2项，部省科技进步二等奖3项，部省科技进步三等奖1项项目、课题名称项目来源时间基于轻型直流输电的海上风力发电关键技（S2012GR0248）国家国际合作项目2012-2014现代电机产业集群科技服务平台研发与应用示范（2012BAZ02072）国家“十二五”科技支撑计划重点项目2012-2014直驱式变速恒频风电机组优化技术及产业化（2006BAA06）国家‘十一五’科技支撑计划重大项目2006-20091.5MW以上风电机组双馈式发电机的研制及产业化（2006BAA13）国家“十一五”科技支撑计划重大项目2006-20091.5MW以上直驱式风电机组永磁发电机的研制与产业化（2006BAA16）国家“十一五”科技支撑计划重大项目2006-20092MW直驱型风力发电变流器控制系统研究（2006AA05Z401）“863计划”项目2007-2009电网故障下永磁直驱风力发电机运行与控制（50907020）国家自然科学基金项目2009-20112兆瓦级以上风力发电机组和关键部件的研制及产业化（2006GK1002）湖南省科技重大专项2006-2009兆瓦级低风速直驱永磁发电机及变流器研制（2009FJ1002-2）湖南省科技重大专项2010-2012电网故障下永磁直驱式风力发电系统运行与控制（10JJ8003）湖南省自然科学基金重点项目2010-2012双电压复合励磁稀土永磁同步发电系统研究（05FJ3029）湖南省科技计划项目2006-2009大容量永磁直驱式风电机组控制方法研究（200805321038）教育部高等学校博士学科点专项科研基金2009-2010正在进行和完成的主要项目风力发电机的设计与湘潭电机合作完成2MW永磁同步发电机的设计工作12346789105短路性能分析静态磁场分析永磁体去磁分析永磁发电机发电性能分析空载发电分析（电机端部悬空）空载发电分析（电机端部接整流桥）独立负载发电分析（电机端部接整流桥+电阻负载）接电网发电分析电机+控制电路协同仿真分析电机三维电磁分析电磁设计结构设计结构设计是电机设计中电磁设计的后续步骤，其目的是解决机械部分的设计问题，对它的要求是从结构上来保证电机的性能、制造时的经济合理和运行可靠性。试验数据发电功率效率功率因素定子温升轴承温升试验数据2110kW95.3％0.9574.13K72K保证值2110kW95％0.93105K95K2MW风力发电变流器的开发检测定子电压，实时获得机侧变流器启动前发电机的转子位置观测电机转子位置,检测定子电流由3r/2r变换得到d、q轴电流并进行电流内