设计风力发电并网系统 精品Word下载.docx

1、但由于对运行工况的认识不足，对变桨距控制系统的设计不能满足风力发电机组正常运行的要求，更达不到优化功率曲线和稳定功率输出的要求。1.1 风力发电并网系统的研究背景随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求越来越多。而地球不可再生能源，如石油、煤炭等，随着过量开发利用也日趋短缺，并造成了较为严重的污染。为此，研究和开发洁净可再生能源（如太阳能、风能等）已提到议事日程。可以预计:可再生能源大规模应用将是21世纪人类社会发展进步的一个重要标志。然而，要实现这一目标，首先必须完成可再生能源由补充能源向替代能源过渡，即使可再生能源由边远无电地区的独立供电向有电地区的常规并网用电方向发展，这将大大提高可再生

2、能源的利用率。可见，能源危机和环境保护问题困扰世界的同时也给诸多科技领域施加了动力并提供了广阔的市场。其中电气工程专业首当其冲。电力电子技术、自动控制技术和微电子技术等相结合进行技术创新，可以实现对可再生能源向电能的最佳转换和最优控制，以取得可观的经济和社会效益。风能是最清洁的能源之一，风力发电是大规模利用风能最直接最有效的方式。从20世纪70年代中期，第一次石油危机之后开始受到世界各国的重视，由于风力发电比其他可再生能源（水能除外）利用在经济上更具有竞争优势，因而发展迅速。在政府对风力发电研究开发的大力支持下，许多发达国家如德国、丹麦、美国和瑞典都开始了大型风力发电机的研制，风力发电机也从早

3、期的蓄电池充电方式向并网型发展。随着桨叶空气动力学、材料、发电机技术、计算机和控制技术的飞速发展，风力发电技术的发展极为迅速，单机容量从最初的数十千瓦级发展到最近进入市场的兆瓦级机组;功率控制方式从定桨距失速控制向全桨叶变距和变速控制发展;运行可靠性从20世纪80年代初的50%，提高到98%以上，并且在风电场运行的风力发电机组全部可以实现集中控制和远程控制。风电场发展空间更加广阔，从内陆移到海上。风能己成为一种重要的可再生能源。历经近30年的发展，风力发电系统的效率已经得到显著提高，其单机功率和风机的叶轮直径也愈来愈大。目前国外一些大公司如Vestas，GE，SiemensWind，Enerc

4、on己开发出3.6Mw6Mw的样机，但从技术成熟等角度而言，2MW等级的风机仍然最具有市场前景。随着风电技术的进步，风电机组单机功率大幅增加，风电产业规模化发展，风电成本呈急剧下降的趋势，开拓了高技术能源领域的新热点。从1981年到1995年，风电成本由15.8欧分/kWh下降到5.7欧分/kWh，减少了2/3。当前的风电成本约为4欧分/kWh。在过去5年中，风电成本下降约20%。风电成本可以用每千瓦小时的发电成本和每千瓦的投资成本来衡量。在可预计的将来，风力发电的成本将会进一步降低，将可以和传统发电方式（如水力发电、火力发电）进行竞争。风力发电机组（简称风电机）是将风能转化为电能的设备。风轮

5、是吸收风能并将其转换成机械能的部件，由桨叶和轮般组成，是风电机最主要的部件。风以一定的速度和攻角作用在桨叶上，使桨叶产生旋转力矩而转动，将风能转变成机械能，进而通过增速器驱动发电机进行发电。风力发电机组可以分为两大类，恒速恒频和变速恒频。风力发电机与电网并联运行时，要求风电的频率保持恒定，为电网频率。恒速恒频指在风力发电中，发电机转速不变，从而得到频率恒定的电能;变速恒频指发电机的转速随风速变化，通过其他方法得到恒频电能。目前新安装的风机均为变速恒频风电系统，其中的主流机型是直驱多极同步发电机交流/直流/交流系统和双馈风力发电机系统。目前国际上有多种方案实现变速恒频风力发电。如交一直一交系统、

6、磁场调制发电机系统、交流励磁双馈发电机系统、无刷双馈发电机系统、双极式发电机系统等，这些变速恒频发电系统有的是发电机与电力电子装置相结合实现变速恒频的，有的是通过改造发电机本身结构而实现变速恒频的。这些系统都有自己的特点，可以适用于不同场合。而当今变速恒频风力发电系统发展趋势有以下两种电机:双馈电机和永磁同步电机。在双馈发电机系统方案中，系统由双馈发电机、电机侧脉冲整流器、电网侧脉冲整流器和微机实时控制系统组成。在发电机转子的转速小于电网同步转速时，由于风速太小仅靠风能发出的电能不能满足要求,因发电机的电压和频率都太低而不能将其传送到电网上去，此时，由控制电路控制电网侧脉冲整流器工作在整流状态

7、，将电网的部分电能转换成直流电，然后再将直流电经电机侧脉冲整流器变换为交流电，其频率应保证与转子频率之和等于50赫兹，即从电网获得的电能和风能一并相加并传送到交流电网，以此实现风能至电能的转换;在发电机转子的转速大于电网同步转速时，风能经转子进行电能转换后，一部分经定子传送到交流电网，另一部分由转子、电机侧脉冲整流器、电网侧脉冲整流器传送到交流电网。双馈发电系统由于电机结构限制，仍然存在着高传输比的齿轮传输机构和滑环，不可避免机械的维护问题，并且电机系统控制复杂。而在永磁同步电机加上交直交的变流系统中，电机随风速的变化输出交变的电压，首先通过整流器整流成直流，经升压斩波器后得到稳定的直流电压，

8、再通过逆变器变换为频率恒定的交流电输入电网。其优点是在并网时没有电流冲击，对系统几乎没有影响;可调节无功功率;可以做到风力机与发电机的直接祸合，省去变速箱，减少了维护问题，由此可以提高可靠性，减小系统噪声，降低维护成本，而且风机可以在低风速状态下运行，风能利用率高，因此具有很大发展前景。本文讨论的就是采用变速恒频技术的交一直一交风力发电系统中并网逆变器的控制技术。1.2 国内外发展现状世界风力发电的现状，目前，中、大型风力发电机组已在世界上40多个国家陆地和近海并网运行，风电增长率比其它电源增长率高的趋势仍然继续。截止20XX年12月31日世界装机容量已达58982MW，年装机容量为11,31

9、0MW，增长率为24%；风力发电量占全球电量的1%，部分国家及地区已达20%甚至更多。20XX年世界风电累计装机容量最多的十个国家，前十名合计51750.9MW，约占世界总装机容量的87.7%。20XX年国际风力发电市场份额的分布多样化进程呈持续发展趋势：有11个国家的装机容量已高于1,000MW，其中7个欧洲国家（德国、西班牙、意大利、丹麦、英国、荷兰、葡萄牙），3个亚洲国家（印度、中国、日本），还有美国。亚洲正成为发展全球风力发电的新生力量，其增长率为48%5。 20XX年欧洲风能协会（EWEA）与绿色和平组织（Greenpeace International）发表了一份标题为“风力 12

10、（Wind Force 12）”的报告，勾画了风电在20XX年达到世界电量12%的蓝图。报告声明这份文件不是预测，而是从世界风能资源、世界电力需求的增长和电网容量、风力发电市场发展趋势和潜在的增长率、与核电和大水电等其他电源技术发展历程的比较以及减排CO2等温室气体的要求，论证了风电达到世界电量12%的可能性。报告还指出中国20XX年风电装机有可能达到1.7亿千瓦。国内风力发电的现状，根据国家气象科学院的估算，我国陆地地面10米高度层风能的理论可开发量为32亿kW，实际可开发量为2.53亿kW。海上风能可开发量是陆地风能储量的3倍。5年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW

11、。与20XX年当年新增装机19.8万kW相比，20XX年当年新增装机增长率为254%。截至20XX年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。分布在15个省（市、自治区、特别行政区），它们按装机容量排序如表3所示。与20XX年累计装机76.4万kW相比，20XX年累计装机增长率为65.6%。20XX年风电上网电量约15.3亿kW.h。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.52.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.52.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿

12、轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究10。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。1.3 风力发电的并网方式上世纪八十年代的大型风机通常采用带有升速齿轮箱的定速型鼠笼式异步发电机。由于技术简单、经济性高，获得了许多国家广泛的应用，目前我国已建成运行的大型风机绝大多数属于这一技术类型。但是定速型鼠笼发电机的缺点也很明显。首先，由于这种风力机转速

13、是恒定的，在不同的风速下难以获得合适的尖速比，导致截获风能的效率降低；其次，齿轮箱在风况和环境变化中承受变荷冲击、悬殊温差，维修保养的成本很高，成为风力发电机组中的软肋环节；另一个缺点是异步感应电机需要从电网吸收滞后的无功励磁功率，功率因数低，需要附加额外的无功补偿装置。针对定速型鼠笼发电机的缺点，变速恒频风力发电的技术方案开始采用。实现变速恒频风力发电的方法很多16，目前先进的风力发电典型技术方案，主要是双馈异步风力发电机和无齿轮箱永磁同步风力发电机二种。（1）双馈异步电机变速恒频风力发电系统目前美国GE能源、德国Fuhrländer等公司的很多风力发电机产品，采用变速恒频双馈风力发

14、电的技术方案，由于这种变速恒频控制方案是在转子电路实现的，流过转子电路的功率是由交流励磁发电机转速运行范围所决定的转差功率，该转差功率仅为定子额定功率的小部分，中所示的双向变频器的容量仅为发电机容量的四分之一至三分之一，机组的总价格较低。但是存在齿轮箱，其维护保养费用远高于无齿轮箱永磁同步风力发电机。（2）永磁直驱变速恒频风力发电系统为了省去高故障率的齿轮箱，提高风力发电机组的可靠性和效率，以德国Enercon公司为首的风电机制造商，推出无齿轮箱永磁同步风力发电机。永磁同步发电机用永磁体替代普通发电机的励磁，省去电刷滑环，结构简单可靠，同时也节约了励磁功率，提高了发电机效率。尽管由于直接耦合，永磁发电机的转速很低，使发电机体积大、成本高，但免去了齿轮箱，使其具有了传统风电机组所不具备的许多优势，整个系统的成本也降低了。而且可根据风速改变风轮转速，保持上网频率不变，提高了风能利用率，还可以实现平稳并网。永磁风电机组采用多级同步永磁发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式。随着风机转速的变化，永磁风力发电机所发出的电频率也是不断变化的。所以这类风机的定子必须通过一台全功率的电能变换器连接到电网15,16。电能变换器将这些频率不断变化的电能改变为恒频恒压的交流电，输入电网。永