风力发电设备技术及产业课件.ppt

1,机械工业出版社,第3章风能、风力发电与控制技术,2,机械工业出版社,3,机械工业出版社,本章主要内容3.1 风的特性及风能利用3.2 风力发电机组及工作原理3.3 风力发电机组的控制策略3.4 风力发电机组的并网运行和功率补偿3.5 风力发电的经济技术性评价,4,机械工业出版社,绪 论,在新能源发电技术中，风力发电是其中最接近实用和推广的一种。风力发电是一个综合性较强的系统，涉及空气动力学、机械、电机和控制技术等领域。风力发电是在大量利用风力提水的基础上发展起来的，它首先起源于丹麦，目前丹麦已成为世界上生产风力发电设备的大国。20世纪70年代世界连续出现石油危机，随之而来的环境问题迫使人们考虑可再生能源利用问题，风力发电很快重新提上了议事日程。风力发电是近期内最具开发利用前景的可再生能源，也将是21世纪中发展最快的一种可再生能源。,5,机械工业出版社,感性认识：各式风机,6,机械工业出版社,7,机械工业出版社,8,机械工业出版社,9,机械工业出版社,3.1 风的特性及风能利用,3.1.1 风的产生 风是地球上的一种自然现象，由太阳辐射热和地球自转、公转和地表差异等引起，大气是这种能源转换的媒介。,图3-1 地球上风的运动,10,机械工业出版社,3.1.2 风的特性与风能,1、随机性2、风随高度的变化而变化 不同高度风速的表达式：,式中 距地面高度为h处的风速（ms）；0高度为h0处的风速（ms），一般取h0为10m；k修正指数，它取决于大气稳定度和地面粗糙度等，其值约 为0.1250.5。,11,机械工业出版社,3.1.3 风的表示及应用1、风向,风向一般用16个方位表示，也可以用角度表示。图示方向方位图,图3-2 风向方位图,12,机械工业出版社,2、风速 由于风时有时无、时大时小，每一瞬时的速度都不相同，所以风速是指一段时间内的平均值，即平均风速。3、风力 风力等级是根据风对地面或海面物体影响而引起的各种现象，按风力的强度等级来估计风力的大小。国际上采用的为蒲福风级，从静风到飓风共分为13个等级。,风力等级与风速的关系：,式中 VNN级风的平均风速(m/s)；N风的级数。,13,机械工业出版社,4、风能（1）风能密度，空气在一秒钟内以速度流过单位面积产生的动能。表达式为：,（2）风能，空气在一秒钟时间内以速度流过面积为S截面的动能。,表达式为：,（3）风能利用，风能的利用主要是将大气运动时所具有的动能转 化为其他形式的能量。,14,机械工业出版社,风能转换及应用情况如图所示。,图3-5 风能转换与应用情况,15,机械工业出版社,3.2 风力发电机组及工作原理3.2.1 风力发电机组的结构及分类,1、风力发电机组的分类,风力发电机组的分类一般有3种，如下表所示。,16,机械工业出版社,按风轮轴的安装型式,按风力发电机的功率,按运行方式,水平轴风力发电机组和垂直轴风力发电机组,微型（额定功率501000W）、小型（额定功率1.010kW）、中型（额定功率10100kW）和大型（额定功率大于100kW）,独立运行和并网运行,17,机械工业出版社,2、风力发电机组的结构 风力发电机组中，水平轴式风力发电机组是目前技术最成熟、产量最大的形式；垂直轴风力发电机组因其效率低、需起动设备等技术原因应用较少，因此下面主要介绍水平轴风力发电机组的结构。,18,机械工业出版社,（1）独立运行的风力发电机组,水平轴独立运行的风 力发电机组主要由风轮(包括尾舵)、发电机、支架、电缆、充电控制器、逆变器、蓄电池组等组成，其主要结构见右图。,图3-6 水平轴独立运行的风力发电机组主要结构,19,机械工业出版社,并网运行的水平轴式风力发电机组由风轮、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成，其结构如右图所示,（2）并网运行的风力发电机组,图3-7 并网运行的水平轴风力发电机组的原理框图,20,机械工业出版社,并网运行的大型风力发电机组的基本结构，它由叶片、轮毂、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、塔架、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成，结构如右图。,（3）大型风力发电机组,图3-8 大型风力发电机组的基本结构,21,机械工业出版社,3.2.2 风力机 风力机又称为风轮，主要有水平轴风力机和垂直轴风力机。1、水平轴风力机：a.荷兰式 b.农庄式 c.自行车式 d.桨叶式,图3-9 水平轴风力机,22,机械工业出版社,2、垂直轴风力机：a.萨窝纽斯式 b.达里厄式 c.旋翼式,图-10 垂直轴风力机,23,机械工业出版社,水平轴,垂直轴,24,机械工业出版社,3.2.3 风力机的气动原理,风力发电机组中的风轮之所以能将风能转化为机械能，原因是因为风力机具有特殊的翼型。图示为现代风力机叶片的翼型及翼型受力分析图。,图3-11 风力机的叶片翼型及受力,25,机械工业出版社,现分析风轮不动时受到风吹的情况：当风以速度矢量 吹向叶片时，在翼型的上表面，风速减小，形成低压区，翼型的下表面，风速增大，形成高压区，上下表面间形成压差，产生垂直于翼弦的力 F，力 F 可以分解为与相对风速方向平行的阻力 FD 和垂直于风向的升力 FL，升力使风力机旋转，实现能量的转换。,26,机械工业出版社,风力机的输出功率 当风吹向风力机的叶片时，风力机的主要作用是将风能转化为机械能，风力机的机械输出功率可用式子表示为：,27,机械工业出版社,对应于最大的风力机利用系CPm有一个叶尖速比m，因风速经常变化，为实现风能的最大捕获，风力机应变速运行，以维持叶尖速比m不变。在桨距角一定时，CP与叶尖速比的关系如下图所示。,图3-13 风力机的利用系数与叶尖速比的关系,28,机械工业出版社,3.2.4 风力发电机,在由机械能转换为电能的过程中，发电机及其控制器是整个系统的核心。独立运行的风力发电机组中所用的发电机主要有直流发电机、永磁式交流发电机、硅整流自励式交流发电机及电容式自励异步发电机。并网运行的风力发电机机组中使用的发电机主要有同步发电机、异步发电机、双馈发电机、低速交流发电机、无刷双馈发电机、交流整流子发电机、高压同步发电机及开关磁阻发电机等。,29,机械工业出版社,1、独立运行风力发电机组中的发电机 独立运行的风力发电机一般容量较小，与蓄电池和功率变换器配合实现直流电和交流电的持续供给。独立运行的交流风力发电系统结构如下图所示。,图3-14 独立运行的交流风力发电机系统结构,30,机械工业出版社,（1）直流发电机 直流发电机从磁场产生（励磁）的角度来分，可分为永磁式直流发电机和电磁式直流发电机，典型结构如图示。直流发电机可直接将电能送给蓄电池蓄能，可省去整流器，随着永磁材料的发展及直流发电机的无刷化，永磁直流发电机的功率不断做大，性能大大提高，是一种很有发展前途的发电机。,图3-15 电磁式直流发电机结构,31,机械工业出版社,（2）永磁式交流同步发电机 永磁式交流同步发电机的转子上没有励磁绕组，因此无励磁绕组的铜损耗，发电机的效率高；转子上无集电环，发电机运行更可靠；采用钕铁硼永磁材料制造的发电机体积小，重量轻，制造工艺简便，因此广泛应用于小型及微型风力发电机中。,图3-17 凸极式永磁发电机结构示意图,1定子齿 2定子轭 3永磁体转子 4转子轴 5气隙 6定子绕组,32,机械工业出版社,（3）硅整流自励式交流同步发电机 如下图，硅整流自励式交流同步发电机电路原理图。硅整流自励式交流同步发电机一般带有励磁调节器，通过自动调节励磁电流的大小，来抵消因风速变化而导致的发电机转速变化对发电机端电压的影响，延长蓄电池的使用寿命，提高供电质量。,图3-18硅整流自励式交流同步发电机电路原理图,33,机械工业出版社,（4）电容自励式异步发电机 电容自励式异步发电机是在异步发电机定子绕组的输出端接上电容，以产生超前于电压的容性电流建立磁场，从而建立电压。其电路示意图如下图所示。,图3-19 电容自励式异步发电机电路原理,34,机械工业出版社,并网运行的风力发电机组中所用的发电机,（1）异步发电机 风力异步发电机并入电网运行时，只要发电机转速接近同步转速就可以并网，对机组的调速要求不高，不需要同步设备和整步操作。异步发电机的输出功率与转速近似成线性关系，可通过转差率来调整负载。（2）同步发电机 当发电机的转速一定时，同步发电机的频率稳定，电能质量高；同步发电机运行时可通过调节励磁电流来调节功率因数，既能输出有功功率，也可提供无功功率，可使功率因数为1，因此被电力系统广泛接受。,35,机械工业出版社,36,机械工业出版社,（3）双馈异步发电机 双馈异步发电机是当今最有发展前途的一种发电机，其结构是由一台带集电环的绕线转子异步发电机和变频器组成，变频器有交交变频器、交直交变频器及正弦波脉宽调制双向变频器三种，系统结构如下图所示。,图3-25 双馈异步发电机的系统结构,37,机械工业出版社,38,机械工业出版社,双馈异步发电机工作原理：异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，当发电机转速变化而频率不变时，发电机转子的转速和定、转子电流的频率关系可表示为：式中 f1定子电流的频率（Hz），f1=pn1/60，n1 为同步转速；p发电机的极对数；n转子的转速（r/min）；f2转子电流的频率（Hz），因f2=sf1，故f2又称为转差频率。,39,机械工业出版社,根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有三种运行状态：1）亚同步运行状态。此时n0，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速同方向，功率流向如图所示。,40,机械工业出版社,2）超同步运行状态。此时nn1，转差率s0，转子中的电流相序发生了改变，频率为f2的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速反方向，功率流向如图所示。3）同步运行状态。此时n=n1，f2=0，转子中的电流为直流，与同步发电机相同。,41,机械工业出版社,双馈异步发电机的转子通过双向变频器与电网连接，可实现功率的双向流动，功率变换器的容量小，成本低；既可以亚同步运行，也可以超同步运行，因此调速范围宽；可跟踪最佳叶尖速，实现最大风能捕获；可对有功功率和无功功率进行控制，提高功率因数；能吸收阵风能量，减小转矩脉动和输出功率的波动，因此电能质量高，是目前很有发展潜力的变速恒频发电机。,42,机械工业出版社,（4）无刷双馈异步发电机 无刷双馈异步发电机(Brushless DoublyFed Machine，简称BDFM)的基本原理与双馈异步发电机相同，不同之外是取消了电刷和集电环，系统运行的可靠性增大，但系统体积也相应增大，常用的有级联式和磁场调制型两种类型。,图3-27 级联式无刷双馈异步发电机,图3-28 磁场调制型无刷双馈异步发电机,43,机械工业出版社,（5）开关磁阻发电机 开关磁阻发电机又称为双凸极式发电机（简称SRG），定、转子的凸极均由普通硅钢片叠压而成，定子极数一般比转子的极数多，转子上无绕组，定子凸极上安放有彼此独立的集中绕组，径向独立的两个绕组串联起来构成一相。,图3-29 三相（6/4极）开关磁阻发电机结构,44,机械工业出版社,开关磁阻发电机用作为风力发电机时，其系统一般由风力机、开关磁阻发电机及其功率变换器、控制器、蓄电池、逆变器、负载以及辅助电源等组成，其系统构成如图所示。,开关磁阻发电机的结构简单，控制灵活，效率高而且转矩密度大，在风力发电系统中可用于直接驱动、变速运行，有一定的开发、研究价值。,图3-30 开关磁阻风力发电机系统的构成,45,机械工业出版社,3.3 风力发电机组的控制策略,与一般工业控制系统不同，风力发电机组的控制系统是一个综合性复杂控制系统。尤其是对于并网运行的风力发电机组，控制系统不仅要监视电网、风况和机组运行数据，对机组进行并网与脱网控制，以确保运行过程的安全性和可靠性，还需要根据风速和风向的变化，对机组进行优化控制，以提高机组的运行效率和发电质量，而这正是风力发电机组控制中的关键技术，现代风力发电机组一般都采用微机控制，如下图所示。,46,机械工业出版社,2A/D转换模块 3风向标 4风速计 5频率计 6电压表 7电流表 8控制机构 9执行机构 10液压调速油缸 11调向电机 12其他传感器,图3-32 风力发电机组的微机自控原理框图,47,机械工业出版社,3.3.1 风力发电的特点及控制要求风力发电系统控制的目标主要有四个：保证系统的可靠运行、能量利用率最大、电能质量高、机组寿命延长。风力发电系统常规的控制功能有七个：在运行的风速范围内，确保系统的稳定运行；低风速时，跟踪最佳叶尖速比，获取最大风能；高风速时，限制风能的捕获，保持风力发电机组的输出功率为额定值；减小阵风引起的转矩波动峰值，减小风轮的机械应力和输出功率的波动，避免共振；,48,机械工业出版社,减小功率传动链的暂态响应；控制器简单，控制代价小，对一些输入信号进行限幅；调节机组的功率，确保机组输出电压和频率的稳定。,为实现上述所要求的部分或全部控制功能，风力发电机组的控制技术经历了三个主要发展阶段：从最初的定桨距失速恒频控制到后来的变桨距恒速恒频控制，目前主要发展变桨距或定桨距变速恒频控制。,49,机械工业出版社,3.3.2 并网型风力发电机的功率调节控制,风力机的功率调节方式有定桨距失速调节、变桨距调节和主动失速调节三种。,1、定桨距失速调节 定桨距失速调节一般用于恒速控制，其风力机的结构特点是：桨叶与轮毂的连接是固定的，桨距角固定不变，当风速变化时，桨叶的迎风角度不能随之变化。在风速超过额定风速后利用桨叶翼型本身的失速特性，维持发电机组的输出功率在额定值附近。,50,机械工业出版社,定桨距失速控制的优点是失速调节简单可靠，由风速变化引起的输出功率的控制只通过桨叶的被动失速调节实现，没有功率反馈系统和变桨距机构，使控制系统大为简化，整机结构简单、部件小、造价低。其缺点是叶片重量大、成形工艺复杂，桨叶、轮毂、塔架等部件受力较大，机组的整体效率较低。,2、变桨距风力发电机组的调节与控制 变桨距风力机的整个叶片可以绕叶片中心轴旋转，使叶片的攻角在一定范围（090）变化，变桨距调节是指通过变桨距机构改变安装在轮毂上的叶片桨距角的大小，使风轮叶片的桨距角随风速的变化而变化，一般用于变速运行的风力发电机，主要目的是改善机组的起动性能和功率特性。,51,机械工业出版社,（1）根据其作用可分为三个控制过程：起动时的转速控制，额定转速以下（欠功率状态）的不控制和额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制。a.起动时的转速控制 变距风轮的桨叶在静止时，桨距角为90，当风速达起动风速时，桨叶向0方向转动，直到气流对桨叶产生一定的攻角，风力机获得最大的起动转矩，实现风力发电机的起动 b.额定转速以下（欠功率状态）的控制 为了改善低风速时的桨叶性能，近几年来，在并网运行的异步发电机上，利用新技术，根据风速的大小调整发电机的转差率，使其尽量运行在最佳叶尖速比上，以优化功率输出。,52,机械工业出版社,c.额定转速以上（额定功率状态）的恒功率控制 当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，使桨距角 向迎风面积减小的方向转动一个角度，增大，功角 减小，如图所示。从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使功率输出保持在额定值附近，这时风力机在额定点的附近具有较高的风能利用因数。,53,机械工业出版社,a）变桨距风力发电机组的功率曲线,b）定桨距风力发电机组的功率曲线,由图可见，在额定风速以下，两者相似，但在额定风速以上，变桨距风力发电机的输出功率维持恒定，而定桨距风力发电机组的输出功率由于风力机的失速当风速增大时而减小。,54,机械工业出版社,3、变桨距风力发电机组的控制系统 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图如图所示。在起动时实现转速控制，由速度控制器起作用，起动结束后，在额定风速以下，转速环开环，系统不进行控制。当风速达到或超过额定风速时，切换到功率控制，功率控制器根据给定与反馈的功率信号比较后进行功率控制，以维持额定功率不变。,图3-38 传统的变桨距风力发电机组的控制系统框图,55,机械工业出版社,新型控制系统与传统控制系统的主要区别是采用了两个速度控制器及增加了转子电流的控制。其中一个速度控制器的作用与传统的速度控制器相同，既起动时和同步转速附近的转速控制。,另一个速度控制器的作用是在并网后，和功率控制器一起通过转子电流的控制实现电机转差即转速的控制。带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构如图所示。,图3-39 带转子电流控制器的绕线转子异步发电机的系统结构,56,机械工业出版社,转子电流控制器安装在绕线转子异步发电机的转子轴上，通过集电环与转子电路相连，转子电路中外接三相电阻，通过一组电力电子器件来调整转子回路电阻，从而调节发电机的转差率，实现调速的目的，其控制系统原理如下图所示。图中的开关S代表机组启动并网前的控制方式，为转速闭环控制；开关R代表机组并网后的控制方式，为功率闭环控制；RCC为异步发电机的转子电流控制器。,57,机械工业出版社,图3-40 转差可调异步发电机控制原理框图,58,机械工业出版社,变速恒频风力发电机组的调节与控制 1、原理 变速恒频是指发电机的转速随风速变化，通过适当的控制得到输出频率恒定的电能。2、特点 1.可大范围的调节转速，使功率系数保持在最佳值，从而最大限度地吸收风能，系统效率高；2.能吸收和存贮阵风能量，减少阵风冲击对风力发电机产生的疲劳损坏、机械应力和转矩脉动，延长机组寿命，减少噪声；3.可以控制有功功率和无功功率，电能质量高。,59,机械工业出版社,3、调节控制过程(1)起动时通过调节桨距控制发电机的转速，使发电机转速在同步转速附近，寻找最佳时机并网；(2)并网后，在额定风速以下，通过调节发电机的电磁制动转矩使发电机转子的转速跟随风速的变化，保持最佳叶尖速比，确保风能的最大捕获，表现为跟踪控制问题；(3)在额定风速以上，采用发电机转子变速和桨叶节距双重调节，利用风轮转速的变化，存贮或释放部分能量，限制风力机获取能量，提高传动系统的柔性，使风力发电机保持在额定值下发电，保证发电机输出功率的更加平稳。,60,机械工业出版社,4、变速恒频风力发电机的基本结构和主要类型(1)笼型异步发电机变速恒频风力发电系统,不足：系统的成本和体积较大，在大容量发电机组中难以实现；需加电容补偿装置，其电压和功率因数的控制较难。,61,机械工业出版社,(2)同步发电机变速恒频风力发电系统,特点：变频器容量较大，但其控制比笼型异步发电机简单，可通过转子励磁电流的控制来实现转矩、有功功率和无功功率的控制。,62,机械工业出版社,(3)双馈异步发电机变速恒频风力发电系统,特点：大大降低了变频器的成本和控制难度；定子直接上网，系统具有很强的抗干扰性和稳定性；通过改变转子电流的相位和幅值来调节有功功率和无功功率。缺点是发电机仍有电刷和集电环，工作可靠性受影响。,图3-45 双馈异步发电机变速恒频风力发电系统,63,机械工业出版社,(4)无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统,特点：变频器的容量较小；除实现变速恒频控制外，还可以实现有功功率和无功功率的灵活控制，以补偿电网的功率因数；发电机上无电刷和集电环，系统运行的可靠性增大。但发电机结构和控制器较复杂,图3-46 无刷双馈异步发电机变速恒频风力发电系统,64,机械工业出版社,5、变速恒频风力发电系统的控制策略 变速恒频风力发电系统的基本控制策略一般确定为：低于额定风速时，跟踪最大风能利用系数，以获得最大能量；高于额定风速时，跟踪最大功率，并保持输出功率稳定。,65,机械工业出版社,(1)转速控制策略 一般通过控制发电机的电磁转矩实现转速的控制，图为最佳转矩转速曲线。,66,机械工业出版社,为实现对最佳转矩转速曲线的跟踪，一般有间接速度控制和直接速度控制两种方法，分别如下图所示。,图3-48 a)间接速度控制策略,67,机械工业出版社,图3-48 b)直接速度控制策略,68,机械工业出版社,(2)功率控制策略 一般采用两种方法：控制发电机的电磁转矩来改变发电机的转速，从而改变风轮的叶尖速比，维持功率不变；改变桨叶节距角来改变空气动力转矩；或将两种方法结合起来，以改善性能。,69,机械工业出版社,图3-49 功率控制系统总框图,70,机械工业出版社,图3-50 改变桨叶节距角的控制系统图,71,机械工业出版社,6、双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的控制 实现变速恒频的方法很多，其中双馈异步发电机的方案最具优势。双馈异步发电机系统中的变频器采用双PWM变频器，发电机根据风力机转速的变化调节转子励磁电流的频率，实现恒频输出；再通过矢量变换控制实现发电机的有功和无功功率的独立调节，进而控制发电机组的转速实现最佳风能的捕获。采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构图如图所示，图中DFIG为双馈异步发电机的简称。,72,机械工业出版社,图3-51 采用矢量控制技术的双馈异步发电机变速恒频风力发电系统的结构,73,机械工业出版社,图3-52 由IGBT电力电子器件组成的双PWM变频器的主电路,74,机械工业出版社,7、风力发电系统的智能控制(1)模糊控制 模糊控制可将专家的经验和知识表示为语言规划用于控制器的设计，不需要被控对象精确的数学模型，能克服非线性因素的影响，对被控对象的参数具有较强的鲁棒性，非常适用于风力发电系统的控制。对于变速恒频控制的风力发电系统，可针对机组的不同状态设计相应的模糊控制器，以达到最大风能捕获和功率稳定的控制，图为模糊逻辑控制器框图。,75,机械工业出版社,图3-57 模糊逻辑控制器框图R给定值 E偏差 U控制器 Y被控制量,76,机械工业出版社,(2)模型参考自适应控制 针对风力发电系统的复杂性、不确定性、不稳定性和模型很难建立的特点，采用模型参考自适应控制，通过参考模型的建立和自适应机构进行控制器参数的适时修正来降低不确定性对系统的影响，实现风力发电机组的转速和功率的控制。模型参考自适应控制系统的结构如图所示，,77,机械工业出版社,图3-58 模型参考自适应控制系统,opt为希望转速，为发电机的实际转速，w为风力机的转速，为风速，*为参考转速，e为参考转速与发电机实际转速之间的偏差,78,机械工业出版社,除了上述的二种智能控制方法外，还有神经网络控制、滑模变结构控制、H控制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控制技术会得到更大的发展。,79,机械工业出版社,(3)神经网络控制,人工神经网络具有可任意逼近任何非线性模型的非线性映射能力，利用其学习和自收敛性可设计自适应控制器，可提高系统的控制精度，增强系统对环境的适应能力，因此在风力发电系统中也有相应的应用研究。神经网络控制还可以与模糊控制相结合，设计成模糊神经网络控制器来控制风力发电机组。,除了上述的三种智能控制方法外，还有滑模变结构控制、H控制等新型的智能控制方法在风力发电系统的控制中也有一定的应用研究，随着新技术的发展和人们对风力发电的重视，风力发电的控制技术会得到更大的发展。,80,机械工业出版社,3.4 风力发电机组的并网技术和功率补偿,由于风能是一个不稳定的能源，风力发电本身难以提供稳定的电能输出，因此风力发电必须采用储能装置或与其他发电装置互补运行。,10kW以下的小型风力发电机组主要采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行。,为解决风力发电稳定供电的问题，目前一般采用的方法是：,1000kW以上的大型风力发电机组并网运行；,几十kW几百kW的风力发电机组可以并网运行，或者与其他发电装置互补运行（如风光互补、风力柴油发电联合运行）；,81,机械工业出版社,大中型风力发电机组主要是并网运行，由于发电机并网过程是一个瞬变过程，它受制于并网前的发电状况，影响并网后发电机的运行和电网电能质量，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。对并网运行的不同风力发电机组其控制方法和控制重点不同。,82,机械工业出版社,3.4.1 风力同步发电机组的并网运行和功率补偿,同步发电机的转速和频率之间有着严格不变的固定关系，同步发电机在运行过程中，可通过励磁电流的调节，实现无功功率的补偿，其输出电能频率稳定，电能质量高，因此在发电系统中，同步发电机也是应用最普遍的。,83,机械工业出版社,1、风力同步发电机组的并网条件和并网方法,风力同步发电机组与电网并联运行的电路如图359所示，图中同步发电机的定子绕组通过断路器与电网相连，转子励磁绕组由励磁调节器控制。,1）并网条件,图359 同步发电机与电网并联的电路,84,机械工业出版社,风力同步发电机组并联到电网时，为防止过大的电流冲击和转矩冲击，风力发电机输出的各相端电压的瞬时值要与电网端对应相电压的瞬时值完全一致。,具体有五个条件：,波形相同；,幅值相同；,频率相同；,相序相同；,在并网时，因风力发电机旋转方向不变，只要使发电机的各相绕组输出端与电网各相互相对应，条件就可以满足；而条件可由发电机设计、制造和安装保证；因此并网时，主要是其他三条的检测和控制，这其中第条频率相同是必须满足的条件。,相位相同。,85,机械工业出版社,2）并网方法,满足上述理想并联条件的并网方式称为准同步并网方式，在这种并网方式下，并网瞬间不会产生冲击电流，电网电压不会下降，也不会对定子绕组和其他机械部件造成冲击。,(1)自动准同步并网,86,机械工业出版社,风力同步发电机组的起动与并网过程如下：,偏航系统根据风向传感器测量的风向信号驱动风力机对准风向。当风速达到风力机的起动风速时，桨距控制器调节叶片桨距角使风力机起动。当发电机在风力机的带动下转速接近同步转速时，励磁调节器给发电机输入励磁电流，通过励磁电流的调节使发电机输出的端电压与电网电压相近。在风力发电机的转速几乎达到同步转速、发电机的端电压与电网电压的幅值大致相同和断路器两端的电位差为零或很小时，控制断路器合闸并网。风力同步发电机并网后通过自整步作用牵入同步，使发电机电压频率与电网一致。以上的检测与控制过程一般通过微机实现。,87,机械工业出版社,(2)自同步并网,同步发电机的转子励磁绕组先通过限流电阻短接，电机中无励磁磁场。用原动机将发电机转子拖到同步转速附近（差值小于5%）时，将发电机并入电网，再立刻给发电机励磁，在定、转子之间的电磁力作用下，发电机自动牵入同步。由于发电机并网时，转子绕组中无励磁电流，因而发电机定子绕组中没有感应电势，不需要对发电机的电压和相角进行调节和校准，控制简单，并且从根本上排除不同步合闸的可能性。这种并网方法的缺点是合闸后有电流冲击和电网电压的短时下降现象。,88,机械工业出版社,2、功率调节与补偿1）有功功率的调节,风力同步发电机中，风力机输入的机械能首先克服机械阻力，通过电机内部的电磁作用转化为电磁功率，电磁功率扣除电机绕组的铜损耗和铁损耗后即为输出的电功率，若不计铜损耗和铁损耗，可认为输出功率近似等于电磁功率。,功率角：转子励磁磁场轴线与定、转子合成磁场轴线之间 的夹角,功角特性：电磁功率Pem与功率角之间的关系，如图360所示,同步发电机内部的电磁作用可以看成是转子励磁磁场和定子电流产生的同步旋转磁场之间的相互作用。,89,机械工业出版社,图360 同步发电机的功角特性a）凸极机 b）隐极机,90,机械工业出版社,这时可以增大励磁电流，以增大功率极限，提高静态稳定度，这就是有功功率的调节。,失步功率，又称为极限功率：对于隐极机而言，功率角为90（凸极机功率角小于90）时，输出功率的最大功率。,风力机输入的机械功率 Pem励磁不作调节，,达到最大功率后，如果风力机输入的机械功率继续 90，Pem转速持续上升而失去同步。,如一台运行在额定功率附近的风力发电机，突然的一阵剧风可能导致发电机的功率超过极限功率而使发电机失步，,91,机械工业出版社,并网运行的风力同步发电机当功率角变为负值时，电机将运行在电动机状态，此时风力发电机相当于一台大风扇，电机从电网吸收电能。为避免发电机电动运行，当风速降到一临界值以下时，应及时地将发电机与电网脱开。,92,机械工业出版社,2）无功功率的补偿,（2）同步发电机带感性负载时，由于定子电流建立的磁场 对电机中的励磁磁场有去磁作用，发电机的输出电压也会下 降。,无功功率的补偿：为了维持发电机的端电压稳定和补偿电网的无功功率，需增大同步发电机的转子励磁电流。,发电机的输出电压下降的原因：,（1）电网所带的负载大部分为感性的异步电动机和变压器，这些负载需要从电网吸收有功功率和无功功率，整个电网要是提供的无功功率不够，电网的电压会下降。,93,机械工业出版社,同步发电机的无功功率补偿可用其定子电流I和励磁电流If之间的关系曲线来解释。在输出功率P2一定的条件下，同步发电机的定子电流I和励磁电流If之间的关系曲线也称为V型曲线，如图361所示。,图361 同步发电机V型曲线,94,机械工业出版社,cos=1时，If=IfN（额定电流），I最小；IIfN（过励）时，功率因数为滞后的，发电机向电网输出滞后的无功功率，改善电网的功率因数；IIfN（欠励）时，功率因数为超前的，发电机从电网吸引滞后的无功功率，使电网的功率因数更低，这时的发电机还存在一个不稳定区（对应功率角大于90）,因此，同步发电机一般工作在过励状态下，以补偿电网的无功功率和确保机组稳定运行。,从图中可以看出：,95,机械工业出版社,3、带变频器的风力同步发电机组的并网,同步发电机可通过调节转子励磁电流，方便地实现有功和无功功率的调节，这是其他发电机难以与其相比的优点。但恒速恒频的风力发电系统中，同步发电机和电网之间为“刚性连接”，发电机输出频率完全取决于原动机的转速，并网之前发电机必须经过严格的整步和（准）同步，并网后也必须保持转速恒定，因此对控制器的要求高，控制器结构复杂。,96,机械工业出版社,图362变速恒频风力同步发电机组经变频器与电网的连接图,在变速恒频风力发电系统中，同步发电机的定子绕组通过变频器与电网相连接，如图362所示。图中交流发电机为同步发电机，变频器为交直交变频器。,97,机械工业出版社,当风速变化时，为实现最大风能捕获，风力机和发电机的转速随之变化，发电机发出的为变频交流电，通过变频器转化后获得恒频交流电输出，再与电网并联。由于同步发电机与电网之间通过变频器相连接，发电机的频率和电网的频率彼此独立，并网时一般不会发生因频率差而产生的较大的电流冲击和转矩冲击，并网过程比较平稳。缺点是电力电子装置价格较高、控制较复杂，同时非正弦逆变器在运行时产生的高频谐波电流流入电网，将影响电网的电能质量。,带变频器的风力同步发电机组的并网,98,机械工业出版社,3.4.2风力异步发电机组的并网与功率补偿,异步发电机具有结构简单、价格低廉、可靠性高、并网容易、无失步现象等优点，在风力发电系统中应用广泛。但其主要缺点是需吸收20%30%额定功率的无功电流以建立磁场，为提高功率因数必须另加功率补偿装置。,99,机械工业出版社,1、风力异步发电机组的并网,风力异步发电机组的直接并网的条件有两条：一是发电机转子的转向与旋转磁场的方向一致，即发电机的相序与电网的相序相同；二是发电机的转速尽可能接近于同步转速。其中第一条必须严格遵守，否则并网后，发电机将处于电磁制动状态，在接线时应调整好相序。第二条的要求不是很严格，但并网时发电机的转速与同步转速之间的误差越小，并网时产生的冲击电流越小，衰减的时间越短。,风力异步发电机组的并网方式主要有三种：直接并网、降压并网和通过晶闸管软并网。,1）直接并网,100,机械工业出版社,当风力机在风的驱动下起动后，通过增速齿轮将异步发电机的转子带到同步转速附近（一般为98%100%）时，测速装置给出自动并网信号，通过自动空气开关完成合闸并网过程。,风力异步发电机组直接并网的电路如图363所示,图363 风力异步发电机与电网的直接并联,101,机械工业出版社,2）降压并网,降压并网是在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，以降低并网时的冲击电流和电网电压下降的幅度，发电机稳定运行时，将接入的电阻等元件迅速从线路中切除，以免消耗功率。这种并网方式的经济性较差，适用于百千瓦级以上，容量较大的机组。,102,机械工业出版社,3）晶闸管软并网,晶闸管软并网是在异步发电机的定子和电网之间通过每相串入一只双向晶闸管，通过控制晶闸管的导通角来控制并网时的冲击电流，从而得到一个平滑的并网暂态过程，如图364所示。,图364 风力异步发电机经晶闸管软并网,103,机械工业出版社,其并网过程如下：,当风力机将发电机带到同步转速附近时，在检查发电机的相序和电网的相序相同后，发电机输出端的断路器闭合，发电机经一组双向晶闸管与电网相连，在微机的控制下，双向晶闸管的触发角由180到0逐渐打开，双向晶闸管的导通角则由0到180逐渐增大，通过电流反馈对双向晶闸管的导通角实现闭环控制，将并网时的冲击电流限制在允许的范围内，从而异步发电机通过晶闸管平稳地并入电网。并网的瞬态过程结束后，当发电机的转速与同步转速相同时，控制器发出信号，利用一组自动开关将双向晶闸管短接，异步发电机的输出电流将不经过双向晶闸管，而是通过已闭合的自动开关流入电网。但在发电机并入电网后，应立即在发电机端并入功率因数补偿装置，将发电机的功率因数提高到0.95以上。,104,机械工业出版社,要求器件本身的特性要一致、稳定；触发电路工作可靠，控制极触发电压和触发电流一致；开通后晶闸管压降相同。,晶闸管软并网对晶闸管器件和相应的触发电路的要求：,只有这样才能保证每相晶闸管按控制要求逐渐开通，发电机的三相电流才能保证平衡。,105,机械工业出版社,其中移相触发的缺点是发电机中每相电流为正负半波的非正弦波，含有较多的奇次谐波分量，对电网造成谐波污染，因此必须加以限制和消除；过零触发是在设定的周期内，逐步改变晶闸管导通的周波数，最后实现全部导通，因此不会产生谐波污染，但电流波动较大。,晶闸管软并网的方式：触发电路有移相触发和过零触发两种方式,106,机械工业出版社,2、并网运行时的功率输出及无功功率的补偿,1）并网运行时的功率输出,异步发电机的转矩转速曲线如图365所示，,图365 异步发电机的转矩转速关系曲线,发电机稳定运行区域,TenA1A2继续稳定运行,失速区Ten,107,机械工业出版社,发电机输出的电流大小及功率因数决定于转差率s和电机的参数，对于已制成的发电机其参数不变，而转差率大小由发电机的负载决定。当风力机传给发电机的机械功率和机械转矩增大时，发电机的输出功率及转矩也随之增大。但当发电机输出功率超过其最大转矩对应的功率时，发电机转速迅速上升而出现飞车现象，十分危险。必须配备可靠的失速桨叶或限速保护装置。,并网运行的特点及注意事项,108,机械工业出版社,因此对于小容量的电网，一方面选用过载能力大的发电机，另一方面配备可靠的过压和欠压保护装置。,并网运行的风力异步发电机当电网电压变化时对其有一定的影响。,（发电机的电磁制动转矩与电压的平方成正比）,当电网电压下降过大时，发电机也会出现飞车；,而当电网电压过高时，发电机的励磁电流将增大，功率因数下降，严重时将导致发电机过载运行。,109,机械工业出版社,风力异步发电机必须从电网中吸收滞后的无功功率来进立磁场和满足漏磁的需要。因一般大中型异步发电机的励磁电流约为其额定电流的20%30%，如此大的无功电流的吸收，将加重电网无功功率的负担，使电网的功率因数下降，同时引起电网电压下降和线路损耗增大，影响电网的稳定性。,2）并网运行时无功功率的补偿,进行无功功率的补偿的原因：,有同步调相机、有源静止无功补偿器、并联补偿电容器等。其中以并联电容器应用的最多。,调节无功的装置：,为了实现无功功率的及时和准确的补偿，必须计算出任何时期的有功功率、无功功率，并计算出需要投入的电容值来控制电容器的投入数量，而这些大量和快速的计算及适时的控制，目前可通过DSP和计算机来实现。,110,机械工业出版社,3.4.3 风力双馈异步发电机组的并网与功率补偿,双馈异步发电机目前主