大规模集中风力发电中的电力电子技术

大规模集中风力发电中的电力电子技术上海交大风力发电研究中心蔡旭[e-mail]全球巨大的市场与发展潜力2008年底，全球总装机容量121GW，预计到2020年将超过1500GW,12%中国风能资源目前国内风电分布中国风电装机预测预测到2020年全国风电总装机将达到10000--15000万千瓦,成为第三大能源。中国2008年电力总装机约7亿千瓦，风电总装机1324万千瓦，预计09年后装机速度1000万/年。2020年风电达到世界电力总量的12％，2008年重新修正为20%。Tibet西藏Northwestpowergrid西北电网CentralChinapowergrid华中电网Taiwan台湾SouthChinapowergrid南方电网千万千瓦风电基地NorthChinapowergrid华北电网EastChinapowergrid华东电网Northeastpowergrid东北电网大型风电基地建设规划特点：大规模开发、集中并网新疆哈密1080万甘肃酒泉1270万蒙西、蒙东合计5780万吉林西部2300万河北1200万江苏沿海1000万中国风电的特殊性陆上风资源相对集中在较小的区域范围陆上风能规模性开发（7个千万千瓦基地）陆上风能远离负荷中心，风能不能被本地销纳海上风能更适合规模、集中开发电网需要输送和销纳大范围波动的、超大功率的电能柔性直流输电更适合输送大范围波动的、超大功率的电能风能的特点风能体现为随机性、间歇性、不稳定性一种风速下有一个最佳转速，使风能捕获最多需要变速发电运行负荷风电1天需要有功、无功功率控制风电技术的发展风力发电技术从定桨距恒速恒频变桨距变速恒频功率平稳控制（有功有限调度、无功电压控制、电网故障穿越）大规模风电输送与分配目的•最大风能捕获，提高风能采集、利用程度，提高风电机组运行效率•提高机组对电网的适应性，对电网更友好大功率电力电子变流技术风力发电方式离网型全功率变换机组并网型小功率变换型机组双绕组感应电机直接并网感应电机全功率变换发电双馈感应电机小功率变换发电无齿轮箱直驱全功率变换风机高速永磁发电机全功率变换发电集成齿轮永磁全功率变换发电风电机组中的电力电子技术风电变流器是机组发电功率平稳控制的关键稳态时的P-Q解耦控制,具有无功控制能力、有功调度能力电网故障时的故障穿越能力、网侧变换器STATCOM运行更好的无功响应控制策略：矢量控制、直接转矩控制目前690V、0.5-6MW、PWM开关频率1-3k变速风力发电功率与风速的关系功率与风速关系曲线启动区最大风能捕获区恒速区恒功率区降额功率输出区停止区内部交流连接、风电场交流并网风电场经柔性直流接入电网HVDCPowerplantTransmissionSystemGGGConverter风电场柔性直流电力系统直流并网风场内部接线方案每个风机使用升压变压器，减小线路上的损耗减少变压器的数量，线路损耗增加多端直流输出，减小线路损耗，减少变压器。用于SCIG可减掉一半容量的变换器内部组建直流网络，大功率DC/DC实现难度较大，对于同步发电机不同风速输出电压不同，要求DC/DC的调节范围较大，而异步电机需要定向电压。风场并网中的电力电子技术交流并网面临的问题：输电功率的大幅度波动，满载时额定电压、低载时工频过电压、需要电感补偿远距离、高压大规模交流输送0-100%额定功率变化的电能，可调高抗面临技术难题海地电缆线路中间增设补偿电感投资增加VSC直流的优点：不存在上述问题P-Q解耦控制、黑启动风场的低电压穿越问题由VSC直流输电解决，对风电机组的要求降低三种主要的输电技术HVACLCC-HVDCVSC-HVDC电网三种输电性能比较中大小安装面积低风速需要低风速需要不需要辅助设备有试验工程没有小的安装较多海上风电场运用有无有黑启动功能不需要需要需要无功补偿设备隔离隔离耦合与电网的关系阻性阻性阻性﹑感性﹑容性线路特性VSC-HVDCLCC-HVDCHVACHVAC的损耗包括变压器和电缆，电缆在海水中寄生电容相对较大，所以电缆损耗占主要部分，超过80%，电压等级越高情况越严重；LCC-HVDC和VSC-HVDC的损耗：变换器约占70-80%；VSC-HVDC在功能上和安装上优于LCC-HVDC，对于海上风电场一般使用前者除了损耗外还要考虑经济性，综合成本﹑安装成本等因素一般认为超过100km，VSC-HVDC的经济性好于HVAC，对于风电来讲50km就可以考虑。损耗比较两种换流站类型HVDCLight(ABB)ABB公司在工程上使用模块化结构的StakPakTM-IGBT，它由sub-module组合构成，一个sub-module由6个IGBT和3个二极管构造成，应用上相当于一个IGBT。HVDCPLUS(SIEMENS)SIEMENS公司采用半桥结构的子模块，由子模块的级联构成高压应用HVDCLight分为单极型和双极型单极型换流站只有一个变流器，双极型有两个变流器，增加了中线电缆，输出接近于两个单极型并联。单极型双极型应用拓扑（HVDCLight）用于实际工程的只有两种：两电平和二极管钳位型。两电平变流器输出波形的谐波含量较大。NPC变流器能做到三电平输出，输出相对较好的波形，缺点是，功率元件的开关频率不一致，导致元件的损耗程度不一致，不利于维护。Luaubuc两电平ANPCNPC换流阀换流阀（HVDCLight）ABB公司在工程应用使用模块化结构的StakPakTM-IGBT，一个子模块(sub-module)由6个IGBT和3个二极管构造成，由子模块的组合来满足电流和电压的要求早期IGBT(2.5kv,1000A)构成的换流阀（EaglePass工程，±DC15.9kv，36MW,NPC）(StakPakTM-IGBT)4个sub和6个sub,sub的数量决定电流Sub构成的换流阀变流站简化电路（HVDCLight）换流阀开关频率小于2kHz，变换器输出谐波较大；换向电抗一般取0.1~0.15pu；高次谐波滤波器一般取20%额定功率；滤高频噪声滤高次谐波滤直流纹波HVDCLight案例：（Estlink工程）应用工程（HVDCLight）HVDCLight容量上限可达到1200MW，±320kVHVDCPlus(Siemens)单极型双极型变换器（HVDCPlus）变换器：三相桥结构；每个桥臂由多个子模块串联而成，子模块的数量有冗余，符合n-1法则；电抗增加电流阻尼，抑制故障子模块：半桥结构，晶闸管分流故障电流，开关可旁路故障模块六种开关状态，形成（0，1）两种电平，（+，-）两种电流状态，可以实现对电容的充放电管理变换器工作原理（HVDCPlus）变换器的工作原理图阶梯电压：谐波含量低﹑高频噪声小﹑开关损耗小变换器输出参考电压SIMATICTDC测试系统SIMATICTDC上层控制和保护控制中心（PLUSCONTROLTM）：计算桥臂电压；选择子模块；控制有功﹑无功功率；根据电流方向和电容电压控制子模块电压平衡双向信号传输子模块⎪⎩⎪⎨⎧−−−1/01/mVmVdcdc器件每个工频周期开关一次，导通角度由解方程组得到：)0,()cos()1(214111==∑−+=−=NratedNiiikVVVkkEVαπ结构（HVDCPlus）通过子模块的组合可使变换器的功率达到1000MW以上6个子模块，形成一个组装单元，满足机械要求6*3子模块，Vdcmax小于200kV一个桥臂，超过200子模块400Mw变换器变流站简单电路（HVDCPLUS）两端变换器浮地；没有专用滤波器。应用工程（HVDCPlus）西门子公司的HVDCPLUS工程为400MW、±200kV，从圣弗朗西斯科中心到匹兹堡，传输距离88km，将于2010年完成。NordE.ON1工程（HVDCLight，2009）2009年完工的德国NordE.ON1工程将是大型风电场VSC-HVDC并网的第一个商业工程，风电场容量400MW，单个风机为5MW，组成36kV交流电网，再升到170kV。VSC-HVDC的直流电压等级为±150kV，传输距离128km海下和75km地面，连接到380kV主干电网。风电场控制框图功率指令由电网操作者决定；风电场的控制采用分级控制结构，各级控制之间通过通讯系统联系；风电机组应该是具备机械储能能力的变速风机，和能够快速调节功率输出的电力电子装置；风电机组利用最大功率跟踪获得最大可能功率值向上反馈，上层控制据此分配功率指令；控制器∗PPΔωΔ++refPWFrefP机群控制风机控制风场控制中心WTavlPclusteravlPclusterrefPWTrefP直流端控制WTrefQdcavlPdcrefP电网acrefVacmeansVmacrefVconstfconstθcbacomV,,dcrefVdcmeansV−drefidmeansi−drefVqrefi⋅ωacrefVacmeansV−qrefiqmeansi−qrefVdmeansV−drefLiω−qmeansV−VSC-HVDC逆变端控制（定直流﹑交流电压）VSC-HVDC整流端控制（无穷大总线）谢谢！