風電場穿透功率極限研究學士學位論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 其槳距角的大小。在運行過程中，當輸出功率小于額定功率時，槳距角保持在0176。位置不變，不作任何調節；當發電機輸出功率達到額定功率以后，調節系統根據輸出功率的變化調整槳距角的大小，使發電機的輸出功率保持在額定功率。此時控制系統參與調節，形成閉環控制。3．主動失速調節型風力發電機組將定槳距失速調節型與變槳距調節型兩種風力發電機組相結合，充分吸取了被動失速和槳距調節的優點，槳葉采用失速特性，調節系統采用變槳距調節。在低風速肘，將槳葉節距調節到可獲取最大功率位置，槳距角調整優化機組功率的輸出；當風力機發出的功率超過額定功率后，槳葉節距主動向失速方向調節，將功率調整在額定值上。由于功率曲線在失速范圍的變化率比失速前要低得多，控制相對容易，輸出功率也更加平穩。根據風機轉速分有恒速恒頻和變速恒頻兩種，恒速恒頻機組的整體效率較低,而變速恒頻這種調節方式是目前公認的最優化調節方式，也是未來風電技術發展的主要方向。變速恒頻的優點是大范圍內調節運行轉速，來適應因風速變化而引起的風力機功率的變化，可以最大限度的吸收風能，因而效率較高。控制上也很靈活，可以較好的調節系統的有功功率、無功功率，但控制系統較為復雜。變速恒頻又根據發電機的不同分為以下幾種：1．異步感應發電機通過晶閘管控制的軟并網裝置接入電網，并網沖擊電流較大。另外需要電容無功補償裝置。控制電路簡單。各大風力發電制造商如：Vestas，NEG，Micon，Nordex都有此類產品。2．繞線轉子異步發電機對于繞線轉子異步發電機可以采用功率輔助調節方式，即轉子電流控制（RCC）方式來配合變漿距機構，共同完成發電機輸出功率的調節。在繞線轉子輸入由電力電子裝置控制的發電機轉子電流，可以加大異步發電機轉差率（可到10%），使得發電機在較大的轉速范圍內向電網送電。以提高異步發電機的風能利用率。3．雙饋發電機雙饋電機的結構類似于繞線式感應電機，定子繞組也由具有固定頻率的對稱三根電源激勵，所不同的是轉子繞組具有可調節頻率的三相電源激勵，一般采用交—交變頻器或交—直—交變頻器供以低頻電流。雙饋電機勵磁可調量有三個：一是可以調節勵磁電流的幅值；二是可以改變勵磁電流的頻率；三是可以改變勵磁電流的相位。通過改變勵磁頻率，可調節轉速．這樣在負荷突然變化時，迅速改變電機的轉速，充分利用轉子的動能，釋放和吸收負荷，對電網的擾動遠比常規電機小。另外，通過調節轉子勵磁電流的幅值和相位，來調節有功功率和無功功率。雙饋電機控制系統通過變頻器的控制器對逆變電路小功率器件的控制，可以改變雙饋發電機轉子勵磁電流的幅值、頻率及相位角，達到調節其轉速、有功功率和無功功率的目的。既提高了機組的效率，又對電網起到穩頻、穩壓的作用。整個控制系統可分為：轉速調整單元、有功功率調整單元和電壓調整單元（無功功率調整）。它們分別接受風速和轉速，有功功率、無功功率指令，并產生一個綜合信號，送給勵磁控制裝置，改變勵磁電流的幅值、頻率與相位角，以滿足系統的要求。由于雙饋電機既可調節有功功率，又可調節無功功率，有風時，機組并網發電；無風時，也可作抑制電網頻率和電壓波動的補償裝置。雙饋電機應用于風力發電中，可以解決風力機轉速不可調。機組效率低等問題。同時，由于雙饋電機對無功功率、有功功率均可調，對電網可起到穩壓。穩頻的作用，提高了發電質量。與同步機交一直一交系統相比，它還具有變頻裝置容量小（一般為發電機額定容量的10%~20%左右）、重量輕的優點。但這種結構也還存在一些問題，如控制電路復雜一些，不同的控制方法效果有一定差異。另外該結構比其他結構更容易受到電網故障的影響。目前國內有多家開發成功雙饋電機控制系統，如蘭州電機有限責任公司與清華大學、沈陽工業大學合作研制的兆瓦級變速恒頻雙饋異步風力發電系統控制設備，采用全數字化矢量控制方法。中科院電工研究所研制的兆瓦級變速恒頻風電機組電控系統，該系統采用IGBT技術、雙PWM雙向可逆變流控制。4．永磁直驅同步發電機由變漿距風輪機直接驅動永磁同步發電機，省去了增速用齒輪箱。發電機輸出先經整流器變為直流，再經IGBT（絕緣柵雙極晶體管）逆變器將電能送到電網。對風力發電機工作點的控制是通過控制逆變器送到電網的電流實現對直流環節電壓的控制，從而控制風輪機的轉速。發電機發出電能的頻率、電壓、電功率都是隨著風速的變化而變化的，這樣有利于最大限度地利用風能資源，而恒頻恒壓并網的任務則由整流逆變系統完成。除了永磁直驅同步發電機可以直接并網外，還可以構成風力發電機（群）。如ABB公司的“Windformer” 采用的高壓永磁直驅同步發電機（群），結構如下：單機容量為3～5MW，輸出額定電壓高達20kV，頻率為5～10Hz，每一臺發電機機端只配置有整流器，把交流變換為直流，通過直流母線實現與風電場其他機組(群)的并聯運行，既提高了可靠性，又改進了效率。風電場由一臺大容量公用逆變器把直流母線的直流電轉換成50Hz的交流電，電壓為12kV，可直接并入當地電網使用，也可經變壓器升壓至更高電壓后并入更高壓電網傳輸到遠處。永磁直驅同步發電機系統存在的缺點是：對永磁材料的性能穩定性要求高，電機重量增加，IGBT逆變器的容量較大，一般要選發電機額定功率的120％以上。但使用IGBT逆變器也帶來一些好處：①使用脈寬調制（PWM）獲得正弦形轉子電流，電機內不會產生低次諧波轉矩，改善了諧波性能。②有功功率和無功功率的控制更為方便。③大功率IGBT很容易驅動。④IGBT有很好的電流共享特性，這對于要達到風力發電機所需的功率水平，進行并聯使用是非常必要。⑤開關時間短，導通時間不到1毫秒，關斷時間小于6毫秒，使得管子功耗小。⑥目前單管容量已經較大，如Eupec公司的FZ600R65KF1等器件， 電流，FZ3600R12KE3 等低電壓器件。目前國內外兆瓦級以上技術較先進的、有發展前景的風力發電機組主要是雙饋型風力發電機組和永磁直驅風力發電機組，二者各有優缺點。單從控制系統本身來講，永磁直驅風力發電機組控制回路少，控制簡單，但要求逆變器容量大。而雙饋型風力發電機組控制回路多，控制復雜些，但控制靈活，尤其是對有功、無功的控制，而且逆變器容量小得多。垂直軸風機這種達里厄(Darrieus)風機或垂直軸風機有時也被稱為直升機，有著自己的優點。它將會接受來自任何方向的風，發電機可以被安裝在底部，葉片上主要的機械負載是張力。測量得到的功率系數與水平軸風機相近。它的缺點是只有在葉片橫切風向移動時才產生空氣動力力矩，這會導致轉矩脈動，這種風機不能自啟動。然而，主要的問題是這種長而薄弱的葉片將遭受不同方式的震動而使葉片的壽命縮短。目前使用的大多數風力發電機都采用了調速或限速裝置，目的是使風力機不論風速如何變化轉速總保持恒定或不超過某一限定值。當風速過高時，這些裝置還用來限制功率，并減小作用在葉片上的力。調速或限速裝置有各種各樣的類型，但主要有兩類，一類是定槳距，另一類變槳距。定槳距風力發電機的葉片緊緊固定在輪轂上，通過葉片失速，控制最大功率。簡言之，失速即是改變葉片橫斷面周圍流動的氣流，從而導致效率的損失。變槳距風力發電機通過葉片沿其縱向軸轉動來調節功率。變槳距調速采用槳距控制除可控制轉速外，還可減小轉子和驅動鏈中各部件的壓力，并允許風力發電機在很大的風速下運行，因而應用相當廣泛。在大型風力發電機中，常采用電子控制的液壓機構來控制葉片的槳距。風力發電專家將風力發電機組的運行分成了三個區域，這三個區域包括了風速從原始靜止增加到最大風速的整個過程。在第一個運行區域中，風速從零開始增加，但是小于風機的起始風速，在起始風速以下，尚沒有足夠的風能來讓風力發電機組發電。對于大多數風機來說。第二個運行區域處于起始運行和額定運行之間，在這個區域中，風力發電機輸出的電能隨著風速的增加而增加。對于恒速風機來說，通過控制轉子的轉速可以使得功率系數達到最大，能最大限度的利用風能。如果風力發電機被限制于在以一定風速為中心的一個很小的范圍內時，風機發出的能量將會比在別的任何風速下發出的都多，此時的風就是最大利用的風(the most productive wind)。這種風速是存在的，因為可開發的風能在風速沒超過最大利用風速時，其值是隨著風速的增加而增加的，在風速超過最大利用風速時，其值是隨著風速的增加而減少的，這種增加與減少之間的頻繁變化使這種最大利用風速存在成為可能。這種風速可能值的范圍定義了第二運行區域的上界非常寬且與機器自身有關。變速風機在第二運行區域會不斷的調整它們的轉速來保持葉尖速比不變使得功率系數最大。這種靈活性據說可以使它們比那些恒速風機每年多利用20%的風能。在風速超過額定風速時，風機的穩態運行會使發電機過熱，所以必須采取方法限制風能的注入。此風速就是第二運行區域的上界，也是第三運行區域的下線。在第三個運行區域中，控制方法從獲得利用最大的風能轉為使設備受到的危害為最小。原則上發電機轉矩可以用來連續地限制風機轉速使其不超過指定的最大值但設計較好的風機通常還會有空氣動力控制裝置。在發電機或設備故障時，通過空氣動力控制裝置可以控制風機轉速。添加空氣動力控制裝置會使風機的機械系統變得復雜，但風機葉片傾角連續控制仍是目前最普通最實用的空氣動力控制方法。風機的輸出功率會隨著其葉片傾角的增加而大幅下降。實際上，若葉片傾角為90o，原則上風輪將會停轉。在實際應用中，特別是大型風機，有一個實際應用的問題就是葉片傾角改變的速度是否能足夠的決，進而獲得合適的電能，適當地減少機械負荷。在目前，對于風機傳動裝置和使葉片壽命的損害最小化且不減少所獲得的風能的控制方法在研究領域中處于十分重要的地位。風力機的并網控制是整個電控系統最關鍵、最復雜的部分，它直接影響到風力機能否向電網送電及機組不受并網時電流沖擊。并網控制裝置有軟并網、降壓運行和整流逆變三種方式。一般采用可控硅軟并網方式。軟并網裝置。異步發電機直接并網時，其沖擊電流達到額定電流的68倍，電網電壓瞬時下降幅度較大，有時電網電壓下降可使風力發電機的低電壓保護動作，導致異步發電機并不上電網。為了減少直接并網時產生的沖擊電流，目前多采用可控硅并網，然后用接觸器將可控硅短路，可控硅容量較小，僅用于并網過程，風力發電機運行時不起作用。根據發電運行“發電就并網，不發電則與解列”的原則，當風速在啟動風速附近變化時，如果完全依靠旁路主接觸器與電網并網或解列，必然會造成接觸器吸合、斷開的頻繁動作，這不僅對設備，而且對電網部不利。為了減少接觸器的投切頻率，一般的控制方法是在風速持續低于啟動風速一段時間后，風力發電機才與電網解列，在這段時間內風力發電機處于電動機運行狀態，從電網吸收有功功率。降壓運行裝置與軟并網裝置類似，軟并網裝置只在風力發電機啟動時運行，而降壓運行裝置始終運行，控制方法也比較復雜。降壓運行裝置在風速低于風力發電機的啟動風速時將風力發電機與電網切斷，避免了風力發電機的電動運行狀態。整流逆變在技術上是比較好的并網方式，它可以對無功功率進行控制，有利于電力系統的安全穩定運行，缺點是造價高。隨著風電場規模的不斷擴大和大功率電力電子設備價格的降低，將來這種并網裝置可能會得到廣泛的應用[5]。風力發電機的標準功率特性曲線，是風力發電機在標準空氣密度()條件下輸出的功率與風速的關系曲線。風力發電機實際功率特性曲線是用風力發電機實際安裝地點的空氣密度計算而得的輸出功率與風速的關系曲線。風力發電機生產廠家提供的是風力發電機的標準功率特性曲線。風電場的空氣密度一般與標準空氣密度不同，所以，必須對風力發電機的標準功率特性曲線進行修正才能得到實際功率特性曲線。若在標準空氣密度條件下和在安裝點的空氣密度條件下，風功率密度相等，則有 ()其中：和v是風電場空氣密度條件下的空氣密度和風速；和v0是標準空氣密度條件下的空氣密度和風速；是風速變換系數。從上式可以看出，當空氣密度越低時，風速就越高。實際功率特性曲線可以通過對標準功率特性曲線進行變換來描述。由于空氣密度不同，當風速逐漸增大時，風力發電機輸出的功率達到額定值的風速不再是標準條件下額定風速，也就是額定風速發生了變化；實際上關機風速和啟動風速也發生了變化。 ()其中：vS、vR、vF是風力發電機的實際啟動風速、額定風速和關機風速；vOS、vOR、vOF是風力發電機的標準啟動風速、額定風速和關機風速[5]。3風電場穿透功率極限計算隨著風電在系統中的比例越來越高，風電場并網運行會帶來許多問題，其中包括系統節點電壓、系統頻率的波動和偏差，還有系統安全穩定性受到的影響。對于風電比率較高的電網，為了保障系統的安全運行，系統必須要有充足的備用，這必將會降低系統的經濟性。風能是一種可再生能源，為了能在保障系統經濟安全運行的前提下，盡可能地利用風能，必須求解在滿足一定的穩定約束條件下電力系統所能接受的風電場最大容量，風電場的穿透功率極限。風電場穿透功率極限是指，系統在正常運行的前提下所能接受的風電場最大裝機容量與系統最大負荷容量的比值[2]。本章在后面簡單介紹了各種風電場穿透功率極限的計算方法。在風力發電場并網運行后，由于風電功率的注入，系統中常規發電機組的出力將會產生變化，由于風電功率是一種不斷變化的量，系統中的常規發電機組必須隨著風電功率的變化而不斷地進行調節和補償，使系統維持在一定的平衡狀態。在風電系統的運行過程中，系統各電氣量會相應地發生改變。由于風電場容量的增加會導致系統中如節點電壓、系統頻率等的暫態量變化的加大，當風電場容量占系統容量的比例達到一定水平時，系統中某些電氣量指標會超出允許范圍，且系統可能失去穩定。為了能夠反映系統所能接受的風電場輸出功率的最大能力，我們對風電場穿夠功率極限作如下定義：在系統穩定運行且各電氣量指標不越限的前提下，系統所能接受的風電場最大容量與系統最大負荷或系統容量的比值。該最大風電功率與系統最大負荷或系統容量的比值，就是風電場穿透功率極限。關于風電場穿透功率極限的定義有多種形式。在1998年的國際大電網會議上，系統所能接受的風電場最大容量和系統最大