风力发电并网设计

第一章绪论风能是一种清洁的、储量极为丰富的可再生能源，它和存在于自然界的矿物质燃料能源，如煤、石油、天然气等不同，它不会随着其本身的转化和利用而减少，因此可以说是一种取之不尽、用之不竭的能源。而矿物质燃料储量有限，正在日趋减少，况且其带来的严重的污染问题和温室效应正越来越困扰着人们。因此风力发电正越来越引起人们的关注。[1]1风力发电概述1.1风力发电现状与展望全球风能资源极为丰富，技术上可以利用的资源总量估计约53×106亿kWh/年。作为可再生的清洁能源，受到世界各国的高度重视。近20年来风电技术有了巨大的进步，发展速度惊人。而风能售价也已能为电力用户所承受：一些美国的电力公司提供给客户的风电优惠售价已达到2～2.5美分/kWh，此售价使得美国家庭有25%的电力可以通过购买风电获得。2004年欧洲风能协会和绿色和平组织签署了《风力12——关于2020年风电达到世界电力总量的12%的蓝图》的报告，“风力12%”的蓝图展示出风力发电已经成为解决世界能源问题的不可或缺的重要力量。按照风电目前的发展趋势，预计2008～2012年期间装机容量增长率为20%，以后到2015年期间为15%，2017～2020年期间为10%。其推算的结果2010年风电装机1.98亿KW，风电电量0.43×104亿kWh，2020年风电装机12.45亿KW，风电电量3.05×104亿kWh，占当时世界总电消费量25.58×104亿kWh的11.9%。[2]世界风电发展有如下特点：（1）风电单机容量不断扩大。风电机组的技术沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展。风机的单机容量已从600KW发展到2000～5000KW,如德国在北海和易北河口已批量安装了单机5000KW的风机,丹麦已批量建设了单机容量2000～2200KW的风机。新的风电机组叶片设计和制造广泛采用了新技术和新材料，有效地改善并提高了风力发电总体设计能力和水平。另外,可变桨翼和双馈电机的采用,使机组更能适应风速的变化,大大提高了效率。最近,又发展了无齿风机等,进一步提高了安全性和效率。（2）风电制造企业集中度较高。目前，主要风电设备制造企业集中在欧美国家，全世界风电机组供应商的前10位供应了世界新增装机容量的90%以上的份额，集中度比较高。近来，GE风能（GEWindEnergy）、德国REpower（REpowerSystemsAG）和三菱重工（MHI）的市场份额提高迅速。（3）风电电价快速下降。由于新技术的运用，风电的电价呈快速下降趋势，且日益接近燃煤发电的成本。以美国为例，风电机组的造价和发电成本正逐年降低，达到可与常规发电设备不相上下的水平。有关专家预测，世界风力发电能力每增加一倍，成本就下降15%。中国的风能资源十分丰富。根据全国900多个气象站的观测资料进行估计，中国陆地风能资源总储量约32.26亿KW，其中可开发的风能储量为2.53亿KW，而海上的风能储量有7.5亿KW，总计为10亿KW。我国的风电开发起步较晚，大体分为三个阶段。第一阶段是1986～1990年我国并网风电项目的探索和示范阶段。其特点是项目规模小，单机容量小，最大单机200KW，总装机容量4.2千KW。第二阶段是1991～1995年示范项目取得成效并逐步推广阶段。共建5个风电场，安装风机131台，装机容量3.3万KW，最大单机500KW。第三阶段是1996年后扩大建设规模阶段。其特点是项目规模和装机容量较大，发展速度较快，平均年新增装机容量6.18万KW，最大单机容量达到1300KW。随着风电技术的日趋成熟和电力规模的扩大，风力发电机的功率在向大型化方向发展。风力发电这一朝阳产业必将蓬勃发展，成为将来能源供给的支柱产业。1.2风能发电的原理和特点风力发电是利用风能来发电，而风力发电机组是将风能转化为电能的机械。风轮是风电机组最主要的部件，由桨叶和轮毂组成。桨叶具有良好的动力外形，在气流的作用下能产生空气动力是风轮旋转，将风能转化为机械能，再通过齿轮箱增速驱动发电机，将机械能转化电能。然后在依据具体要求需要，通过适当的变换将其存储为化学能或者并网或者直接为负载供电。[3]风力发电有如下特点（1）可再生，且清洁无污染。（2）风速随时变化，风电机组承受着十分恶劣的交变载荷。（3）风电的不稳定性会给电网或负载带来一定的冲击影响。风力发电的运行方式主要有两种：一类是独立运行的供电系统，即在电网未通达的地区，用小型发电机组为蓄电池充电，再通过逆变器转换为交流电向终端电器供电；另一类是作为常规电网的电源，与电网并联运行。1.3风力发电机分类及结构风力机经过多年的发展和演变，已经有很多形式，但是归纳起来，可分为两类：水平轴风力机和垂直轴风力机。风力机风轮的旋转转轴与地面呈水平状态称为水平轴风力机如图1-1；水平轴风力机主要由叶片、轮毂、机舱、塔架构成。常见的风力机有由三个叶片，叶片安装在轮毂上构成风轮，风吹风轮旋转带动机舱内的发电机发电，塔架是整个风力机的支撑其结构图如图1-2图1-1水平轴风力机图1-2水平轴风力机结构风轮的旋转轴垂直与地面或气流方向称为垂直轴风力机如图1-3图1-3垂直轴风力机1.4风力机的气动原理风力发电机组主要利用气动升力的风轮。气动升力是由飞行器的机翼产生的一种力，如图1-4。图1-4气动升力图从图可以看出，机翼翼型运动的气流方向有所变化，在其上表面形成低压区，在其下表面形成高压区，产生向上的合力，并垂直于气流方向。在产生升力的同时也产生阻力，风速也会有所下降。升力总是推动叶片绕中心轴转动1.5风力机的功率风的动能和风速的平方成正比，功率是力和速度的乘积，也可用于风轮功率的计算。风力与速度平方成正比，所以风的功率与风度的三次方成正比。如果风速增加一倍，风的功率便会增加8倍。风轮从风中吸收的功率如下：3pPCAv(2—1)2AR(2—2)式中：P为输出功率，pC为风轮机的功率系数，ρ为空气密度，R为风轮半径，v为风速。众所周知，如果接近风力机的空气全部动能都被风力机全部吸收，那么风轮后的空气就不动了，然而空气当然不能完全停止，所以风力机的效率总是小于12风力发电并网相关问题由于扮能的特殊性,与常规的水火电系统相比风电系统具有很大的差别,风能的随机性风能也就是随机的和不可控制的。风力机转动惯量大，风能密度分布相对比较低,为了尽可能捕获较多的风能,风力机转动的叶片直径必须做的很大,显然,巨大的转子叶片的直径,必然使得风力机具有较大的转动惯量。为了有效的转换风能,风力机转子由于受到风能转换效率理论极限值是的限制,叶尖速率比入不可能很大,风力机的转子转动的速度不会很高,与发电机转动的速度相差比较大,发电机与风力机之间不能直接相连,必须通过一定变比的升速齿轮箱进行传动。这样发电机与风力机之间的刚性度大大降低。换句话说,风力机和发电机两大系统之间是柔性连接的异步发电机。目前,大规模的风力发电系统一般采用异步发电机直接并网的运行方式。通常机端配备有补偿电容器组,以提供异步发电机在启动和运行时所需要的激磁无功。异步发电机的频率由大系统来决定,风能的变化将引起异步发电机转差的变化,相应地其注入电网的有功和吸收的无功也要随着风速的变化而变化,这将导致系统,特别是风电场附近电网母线电压的波动,严重时还可能引起电压闪变。随着电力电子的发展,新型的风力发电机可以选用变速恒频双馈异步发电机,则无须配备补偿电容器组。这种变速恒频双馈异步发电机不仅能发有功功率,而且还能发无功功率,且能方便地调节有功功率和无功功率使得风力发电系统具有较好的性能。风电场并网面临的一些技术问题随着风力发电规模的不断扩大,风力发电在电网中的比例越来越大,风电场的并网运行对电网的电能质量!安全稳定等诸多方面的负面影响也随着风电场规模的扩大变得愈加明显,成为制约风电场容量和规模的严重障碍。主要面临下面一些技术问题2.1并网方式早期的风电场采用的是小型恒速风力发电机，它的优点在于并网研究相对简单，因为感应电机的自然滑动可以轻易的获得很大的阻尼，往往只需增加少量的额定功率既可产生很好效果；缺点在于它必然受困于电抗储能与释放能量的延时性同并网的瞬时性之间的矛盾。但目前这个问题已经得到解决，因为我们总可以通过吸收电抗储能的方法来限制电路中的电压升高。但是随着发展，尤其是为风力发电机中同步发电机的出现，对于如何并网提出了很高的要求。对此人们提出了大量设计方案，例如在驱动装置上采用了可拆卸元件，或是使用弹簧调节器来反应发电机转子和变速箱结构。在适当的功率下这些装置可以很有效的发挥作用，使并网成功。值得一提的是，现代风力发电机组主要采用的就是由此装置衍生出来的软并网方式，即采用电力电子转换装置在发电机机轴转速同电力网络频率之间建立一种柔性连接。2.2电压波动和闪变风力发电引起电压波动和闪变的根本原因是并网风电机组输出功率的波动，下面将分析并网风电机组输出功率波动引起电压波动和闪变的机理。图1为风电机组并网示意图，其中Ė为风电机组出口电压相量，为电网电压相量，R1、X1分别为线路电阻和电抗，分别为线路上流动的有功电流和无功电流相量。一般而言，有功电流要远大于无功电流。由图1(b)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电压降落可以忽略不计。由图1(c)可见，是造成电压降落的主要原因，垂直，造成的电压降落可以忽略不计。所以有功电流和无功电流都会造成明显的电压降落，分别为和。当并网风电机组的输出功率波动时，有功电流和无功电流随之变化，从而引起电网电压波动和闪变。影响风电机组输出功率的因素很多，其中风速的自然变化是主要因素。风电机组的机械功率可以表示为式中P为功率；ρ为空气密度；A为叶片扫风面积；v为风速；CP为功率系数，表示风电机组利用风能的效率，它是叶尖速比λ和桨距角β的函数，叶尖速比λ定义为式中ω为叶轮转速，R为叶轮半径。由式(1)可见，空气密度ρ、叶轮转速ω、桨距角β和风速v的变化都将对风电机组的输出功率产生影响。风速v的变化是由自然条件决定的，随机性比较强，且功率与风速的三次方近似呈正比，因此当风速快速变化时，并网风电机组的输出功率将随之快速变化。叶轮转速ω和桨距角β的变化由风电机组类型和控制系统决定，先进的控制系统能够减小风电机组输出功率的波动。此外，在并网风电机组持续运行过程中，由于受塔影效应、偏航误差和风剪切等因素的影响，风电机组在叶轮旋转一周的过程中产生的转矩不稳定，而转矩波动也将造成风电机组输出功率的波动，并且这些波动随湍流强度的增加而增加。常见的转矩和输出功率的波动频率与叶片经过塔筒的频率相同。对于三叶片风电机组而言，波动频度为3P（P为叶轮旋转频率）时，最大波动幅度约为转矩平均值的20%。塔影效应是指风电机组塔筒对空气流动的阻碍作用，当叶片经过塔筒时，产生的转矩减小。远离塔筒时风速是恒定的，接近塔筒时风速开始增加，而更接近时风速开始下降。塔影效应对下风向类型风电机组的影响最严重。塔影效应可以用频率为3P倍数的傅立叶级数表示[6]。由于叶片扫风面积内垂直风速梯度的存在，风剪切同样会引起转矩波动。风剪切可用以风电机组轮毂为极点的极坐标下的二项式级数表示[6-8]。从风轮的角度看，风廓线是一个周期性变化的方程，变化频率为3P的倍数。除了塔影效应和风剪切引起的输出功率波动外，在风电机组输出功率中还可检测到频率为p的波动分量，其出现的主要原因可能是叶片结构或重力不完全对称。此外，频率为塔筒谐振频率的波动分量也比较明显，它可能是由于轮毂的横向摆动引起的。并网风电机组不仅在持续运行过程中产生电压波动和闪变，而且在启动、停止和发电机切换过程中也会产生电压波动和闪变。典型的切换操作包括风电机组启动、停止和发电机切换，其中发电机切换仅适用于多台发电机或多绕组发电机的风电机组。这些切换操作引起功率波动，并进一步引起风电机组端点及其他相邻节点的电压波动和闪变。2.3谐波污染风电并网后对电力系统电流质量影响主要体现在谐波上。谐波会对电力网带来一定危害，如增加了电力网中发生谐振的可能；增加电气设备附加损耗；加速绝缘老化，缩短使用寿命；继电保护、自动装置不能正常动